基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标——灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.      

MEMS陀螺半实物仿真系统设计

微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)陀螺是基于科氏力原理,用于检测外部旋转的一种角速度传感器。由于MEMS陀螺本身性能的限制,其内部机理研究和接口电路设计的进程发展缓慢。本文通过分析MEMS陀螺的数学模型,并通过将RLC电路与MEMS陀螺特征方程形式进行对比,说明了借助RLC电路建立MEMS陀螺半实物仿真 (Hardware-in-loop Simulation,HILS) 系统模型的可行性。在充分考虑了实际MEMS陀螺的输入/输出项、耦合项和谐振频率调节等完整功能的前提下,完成了MEMS陀螺的HILS系统模型各个功能模块的设计。本文设计的MEMS陀螺的HILS系统模型可实现实际MEMS陀螺的输入输出、谐振频率调节以及角速度检测,并通过一系列实验证实了其性能的可靠性,本设计为将HILS方法应用于MEMS陀螺研究提供了有效的依据。     

基于光学微腔模式劈裂的角速率测量方法

传统的光学谐振陀螺(ROG)把背向散射作为重要误差源之一,须尽量抑制其影响.在光学谐振腔的品质因数极高时,背散光得到足够的增强,不能再被简单地视为噪声.背向散射会引发模式劈裂,所形成的劈裂模谐振频率会随腔体旋转角速率发生变化.结合Sagnac效应,修正有源光学谐振腔模式劈裂传感原理的数学模型,推导出腔体旋转角速率与劈裂值的映射关系式.通过仿真分析不同掺杂增益系数以及不同光纤锥耦合强度下的反射谱线,发现谐振腔工作在欠耦合区域更适合角速率测量.掺杂增益介质可以提高品质因数,减小谐振峰线宽,使得模式劈裂谱线更容易观测.理论与计算机仿真分析表明品质因数为108的光学微腔测量分辨率可达10-6(°)/s,所提出的角速率敏感机制很有应用前景.      

机抖式激光陀螺抖动效率影响因素研究

基于机抖式激光陀螺的捷联惯导系统是航天器控制系统的关键单机之一.抖动效率是表征机抖式激光陀螺性能的重要参数，实践证明惯导系统设计对陀螺抖动效率有重要影响.通过建立系统的动力学模型，针对各系统参数对陀螺抖动效率的影响规律进行了分析研究.研究表明多个系统参数对陀螺抖动效率有着显著影响，根据分析结果给出了具体的系统设计设计方法和原则，并在某型小型化惯导的设计中得到应用和验证.研究结论对机抖激光捷联系统的小型化和多表冗余设计有一定指导意义，并提供了一种在设计阶段对陀螺抖动效率进行预估的有效方法.     

基于System Generator建模的微半球陀螺数字化测控电路设计

随着对于惯性测量单元精确度的要求不断提升,针对于陀螺仪测控电路的要求也逐步提高。首先介绍了微半球谐振陀螺的结构与工作原理,然后对其测控电路工作原理进行了介绍。之后通过System Generator建模设计出微陀螺的闭环控制与检测电路方案,搭建微陀螺的电路系统,完成微陀螺的性能测试,为微陀螺的测控电路领域的研究提供参考和支持。     

基于无陀螺微惯性测量单元的惯性恒星罗盘

为满足微纳航天器对姿态确定系统的体积、重量、功耗、精度等严格要求,提出用无陀螺微惯性测量单元(GFMIMU,Gyroscope-Free Micro Inertial Measurement Unit)和星敏感器组成惯性恒星罗盘(ISC,Inertial Stellar Compass)的姿态确定方案.根据无陀螺的测量原理建立了ISC的状态方程,将星敏感器的姿态测量信息作为观测量,修正GFMIMU长时间工作误差的积累.利用卡尔曼滤波器对ISC的定姿误差进行估计,并采用可观测性分析理论证明滤波器的滤波稳定性.最后,对ISC进行了系统仿真,仿真结果证明ISC可以满足微纳航天器的使用要求.      

基于矢量观测的航天器分段信息融合定姿方法

针对基于MEMS(微机电系统)陀螺和CMOS APS星敏感器的集成惯性/星光姿态确定系统的低精度特点,研究了适用于该定姿系统的基于矢量观测的定姿算法.对于陀螺/星敏感器这种配置模式,有EKF(Extended Kalman Filter)、QUEST、最优REQUEST等几种适用的定姿算法.针对EKF和最优REQUEST算法的不同特点并结合确定性算法QUEST,以四元数为姿态参数,将姿态估计的EKF方法分别与QUEST算法和最优REQUEST算法进行了融合,提出一种分段信息融合的姿态估计器:陀螺漂移估计误差较大时,将EKF与QUEST结合,快速估计出陀螺漂移.当陀螺漂移误差减小到一定程度,再切换为EKF与最优REQUEST算法融合的双重滤波器.仿真比较结果表明,这种分段信息融合的姿态估计器既可以估计姿态参数也可以估计陀螺漂移,并能达到很高的定姿精度.     

玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计与制造工艺

针对传统单晶硅材料热胀系数不稳定引起的硅基环形振动微陀螺的温度漂移问题，开展了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计，并提出了一种新型的玻璃基准三维微结构制造工艺，借助微型电子机械系统（MEMS）工艺中成熟的深硅刻蚀、阳极键合、化学机械抛光等通用加工技术，融合玻璃熔融工艺，解决了玻璃基准三维微结构的制造工艺难题，同时保证了高的加工精度，实现了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的高精度批量制造。     

带状注分布作用速调管多间隙谐振腔高频特性

带状注分布作用速调管(SBEIK)的典型特征是平面多间隙谐振腔及其分布式注波互作用系统.对应用于W波段微型化SBEIK的一种强耦合式五间隙分布作用谐振腔进行了研究,并结合传统的弱耦合式谐振腔与输出腔对其高频特性进行了深入分析,结果表明强耦合式腔体具备谐振模式隔离、各间隙高频场(RF)的耦合及其能量输出的良好技术优势.此外,对五间隙谐振腔周期结构引入的轴向简并模式竞争问题进行了研究,得到其工作模式与竞争模式之间的频率间隔在600MHz以上,完全可以满足SBEIK整体方案设计中100MHz带宽的要求.最后,利用三维粒子模拟(PIC)软件对优化后的强耦合式五间隙输出腔注波互作用性能进行了初步的模拟仿真,验证了其在相应工作模式上具备了高功率产生与输出的技术特征.本研究工作对毫米波和太赫兹频段高功率SBEIK的物理设计与工程研究具有重要的价值.      

控制力矩陀螺力学试验后的微振动特性变化

控制力矩陀螺是一种用于航天器姿态机动和稳定的重要执行机构.为掌握控制力矩陀螺力学试验后的微振动特性变化,用加速度传感器测量其工作状态下的加速度响应,用多分量测力计测量其工作状态下的力和力矩响应,并进行时域统计分析和频域FFT分析.结果表明,轴承偏心和点状缺陷引起的通过频率成分及其倍频成分是加速度响应的主要成分,但皆位于300 Hz以上的高频区,如果将加速度响应转换成位移响应,则转子标称转速频率成分仍占主导,力和力矩响应结果也验证了该论断.力学试验使控制力矩陀螺微振动恶化,主要原因是静、动不平衡量变大、轴承偏心变大和轴承受损.此外,转子转速和结构模态的动力耦合也会影响微振动幅值.     

类蛛网状盘式谐振微陀螺的抗冲击性能与结构误差仿真分析

具有导航级潜能的盘式谐振微陀螺是国际研究最热门的一类微机械陀螺,在此基础上设计了一款频率裂解小的类蛛网状盘式谐振微陀螺。通过有限元仿真软件进行了模态分析和冲击分析,仿真结果表明类蛛网状盘式谐振微陀螺工作模态与寄生模态最小频差为3.9kHz,可承受的冲击载荷加速度高达25000g。此外,开展了晶向误差和工艺误差等结构误差对频率裂解影响的仿真研究,结果表明,其比圆环状盘式谐振陀螺在频率裂解上具有更低的结构误差敏感度。综上说明该结构能有效抑制寄生模态干扰、抗冲击性能强且结构误差鲁棒性好,具有较好的发展前景。     

多环谐振微陀螺性能参数的有限元计算

多环谐振陀螺是目前最具发展前景的MEMS陀螺之一,如何快速对多环谐振陀螺进行参数优化设计成为研究热点。本文在多环谐振陀螺的基本结构的基础上,通过理论研究,发现机械灵敏度和机械热噪声的主要结构影响参数为陀螺的谐振频率、有效质量、角度增益以及品质因子。并使用COMSOL 和 MATLAB 等软件搭建了有限元计算平台,实现了对上述性能参数的有限元仿真求解,为研究环形谐振陀螺结构的性能参数和优化设计提供了有力的软件仿真工具,并且可以推广应用到研究其他陀螺器件中。     

通过全局时间管理减少半球谐振陀螺组合角增量误差的方法

随着对姿态控制精度的日益提高,卫星对惯性单机的输出精度和误差控制的要求也在逐步提升。提出了半球谐振陀螺组合全局时间管理方案,陀螺仪数据生成时标志上的时间戳,可以有效地降低并量化半球谐振陀螺组合输出的角增量与系统控制之间的时延误差,提高上级系统的角速度精度。     

半球谐振陀螺调平技术发展综述

半球谐振陀螺是一种新型的固态波动陀螺，具有精度高、体积小、寿命长、功耗低等优点。谐振子的品质因数高低和不平衡质量大小直接决定了半球谐振陀螺的性能，因此，不平衡质量的辨识和调平是提高谐振陀螺性能的关键。首先，介绍了六种不同的刚性轴方位和不平衡质量辨识方法和系统，分析对比了每种方法的优缺点；其次，对谐振子的调平理论进行了归纳，进而对机械调平、化学调平、激光调平和离子束调平的研究现状和特点进行了梳理和归纳；最后对半球谐振陀螺调平技术的发展作了简要评述。     

半球谐振陀螺阻尼不均匀误差补偿方法

半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺，全角模式下具有低噪声、高带宽和大动态范围，并且可以直接读取角度信号，具有良好的应用前景。针对全角模式下的主要误差来源——阻尼不均匀项，在二维谐振子振动模型的基础上，简要介绍了Lynch平均法，结合驻波进动方程，重点梳理了“四力控制”法、方位角自适应补偿法和“虚拟旋转”法等误差补偿方法，并对各补偿方法进行了总结，最后对半球谐振陀螺误差补偿技术的发展趋势进行了展望。     

原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究

原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部的温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。      

超流体陀螺相位波动噪声自适应抵消系统分析

针对超流体陀螺相位波动噪声影响陀螺角速度检测精度的问题,提出了一种基于递推最小二乘（RLS）算法的陀螺自适应噪声抵消系统。首先,建立了超流体陀螺的相位检测模型,得到了陀螺输出薄膜幅值和相位的关系。其次,考虑热运动的影响,建立了相位波动噪声的等效输入角速度模型,探索了陀螺参数对角速度噪声的影响,得到了陀螺角速度噪声幅值范围。在此基础上,考虑该角速度噪声与输入角速度的互不相关性,将超流体陀螺薄膜幅值解算输出的混合角速度信息作为抵消系统的期望输入,将相位波动噪声引起的角速度噪声作为RLS自适应滤波器的参考输入,通过自适应调节参数使得RLS自适应滤波器的输出与混合角速度信息的噪声部分相抵消。通过与最小均方（LMS）算法仿真对比表明,在大角速度、大噪声情况下,该抵消系统能够有效消除陀螺混合角速度信息中的噪声成分,且具有较快的收敛速度和较好的稳定性。      

基于模态反转的半球谐振陀螺零位自校准方法

针对半球谐振陀螺的零位漂移问题，本文研究了基于模态反转电路控制技术的零位自校准方法。首先，从动力学模型引入阻尼不对称、频率裂解等非理想因素，讨论半球谐振陀螺的工作机理及驻波漂移特性。其次，通过理论分析模态反转的零位校准以及虚拟进动控制的模态反转技术。最后，基于FPGA数字控制平台，设计并实现了半球谐振陀螺零位自校准半实物仿真实验。实验结果表明，基于模态反转的半球谐振陀螺零位校准，实现了半球谐振陀螺的零位从15 降低至2 ，短期零偏稳定性和长期稳定性也分别提高了11.8％和45.86％，有效地抑制了零位漂移，提高了半球谐振陀螺测量精度。     

光纤读出的微光机电振动传感器

针对采用半导体工艺加工的微机械结构对振动进行测量的问题,提出了基微光机电系统(MOEMS)结构并采用光纤读出的振动传感器的设计方案,分析了该传感器的基本测量原理并推导了数学模型.该传感器采用单光纤的读出方式,利用固定于探测器敏感头前端的微结构感受待测物体的振动,通过测量由微结构振动引起的反射光强度的变化,实现对振动的测量.单光纤结构的使用和微结构参数的合理设计,使得该系统与传统的光纤读出系统相比,具有灵敏度高、尺寸小、易于同光纤匹配的特点.应用该系统对压电陶瓷的振动情况进行测量,可探测到0.18nm的位移.      

一种改进PSO-ARMA半球谐振陀螺温度误差建模方法

为减小半球谐振陀螺(HRG)在温度效应下产生的漂移,建立了温度漂移补偿模型,对与温度有关的确定性漂移进行了补偿。提出了一种改进PSO-ARMA建模方法,对不确定性漂移进行了补偿。改进的PSO-ARMA建模方法将惯性权值递减策略引入到反向学习粒子群优化(PSO)算法中,提高算法跳出局部、快速收敛的能力,在建模时利用改进的PSO算法对ARMA参数寻优,以提高模型的精度。利用半球谐振陀螺升温实验数据进行了检验,经该模型补偿后,陀螺输出精度可达0.07°/h,且较传统ARMA建模方法精度提高了一倍。