硅微陀螺的溫度特性研究

1、硅微陀螺的溫度特性研究    英文題名 Study on the Temperature Characteristics of Silicon Micromachined Gyroscope  關鍵詞 硅微陀螺; 溫度特性; 諧振頻率; 零偏; 卡爾曼濾波; 英文關鍵詞 Silicon micromachined gyroscope; Temperature characteristics; Resonant frequency; Zero bias; Kalman filtering; 中文摘要 硅微陀螺是組成慣性導航系統(tǒng)的關鍵器件之一。由于

2、硅材料是一種熱敏材料,溫度變化導致的各種誤差對硅微陀螺的各項性能指標影響很大。當環(huán)境溫度變化時,硅微陀螺的諧振頻率和品質因數(shù)會發(fā)生改變,會對陀螺的標度因數(shù)和零偏造成一定的影響,從而影響到陀螺的輸出精度和性能。因此,很有必要研究陀螺的溫度特性,建立合適的溫度模型,對溫度誤差進行補償。本文的主要研究內容和工作如下: 1.分析了硅微陀螺的各種誤差來源,推導了硅微陀螺的運動方程,得到了影響硅微陀螺振動位移和結構靈敏度的主要因素。溫度的變化會使諧振頻率發(fā)生偏移、品質因數(shù)發(fā)生改變,會對原有的各種誤差進一步放大,從而影響硅微陀螺的輸出精度。 2.通過理論分析推導和試驗驗證,從理論和試驗兩個方面研究了溫度對諧

3、振頻率、品質因數(shù)、真空度、輸出增益以及標度因數(shù)的影響。建立了諧振頻率、品質因數(shù)、輸出增益以及標度因數(shù)的溫度模型。 3.分析了硅微陀螺的零偏產生機理。由于靜電力不平衡誤差和各種加工誤差,會導致微陀螺發(fā)生模態(tài)耦合,從而產生正交誤差。正交誤差對硅微陀螺輸出影響很大,必須采取措施加以消除。由于電路誤差的存在,不可能完全消除正交誤差的影響,使其成為了硅微陀螺零偏. 英文摘要 Silicon micromachined gyroscopes are the most key components of inertial navigation systems. The temperature error w

4、ill bring great influence on various performance index on account of the sensitivity of silicon material. The resonant frequency will generate excursion and mechanical quality factor will change due to temperatue variation which  摘要 11-12 ABSTRACT 12 第一章 緒論 13-21     1.1 研究背景與研究意

5、義 13-14     1.2 硅微陀螺國內外研究現(xiàn)狀 14-17         1.2.1 硅微陀螺國外研究現(xiàn)狀 14-15         1.2.2 硅微陀螺國內研究現(xiàn)狀 15-17     1.3 陀螺溫度誤差研究現(xiàn)狀 17-19     1.4 論文主要研究內容 19-21 第二章 硅微陀螺誤差理論研究 21-31     2

6、.1 硅微陀螺結構和工作原理 21-22     2.2 硅微陀螺動力學分析 22-24         2.2.1 動力學分析 22-23         2.2.2 結構靈敏度分析 23-24     2.3 硅微陀螺溫度誤差來源 24-30         2.3.1 材料溫度特性 25-26   &#

7、160;     2.3.2 正交誤差 26-30         2.3.3 隨機漂移誤差 30     2.4 本章小結 30-31 第三章 硅微陀螺工作模態(tài)溫度特性研究 31-52     3.1 硅微陀螺模態(tài)特性測試技術 31-33         3.1.1 模態(tài)頻率電學測試方法 31-32     

8、0;   3.1.2 模態(tài)測試系統(tǒng) 32-33     3.2 工作模態(tài)頻率與溫度的關系 33-39         3.2.1 理論分析 33-35         3.2.2 溫度試驗設計和結果 35         3.2.3 驅動軸頻率溫度特性 35-37       &

9、#160; 3.2.4 檢測軸頻率溫度特性 37         3.2.5 模態(tài)頻率的溫度重復性 37-38         3.2.6 頻率溫度模型線性回歸分析 38-39     3.3 品質因數(shù)與溫度的關系 39-45         3.3.1 真空度對品質因數(shù)的影響 39-41      

10、0;  3.3.2 品質因數(shù)的理論分析 41-42         3.3.3 品質因數(shù)溫度特性 42-45     3.4 輸出增益與溫度的關系 45-48         3.4.1 溫度對驅動運動的影響 45-46         3.4.2 輸出增益的溫度特性 46-48     3.5 標度因數(shù)與溫度的關系

11、48-51         3.5.1 理論分析 48-49         3.5.2 試驗結果分析 49-51     3.6 本章小結 51-52 第四章 硅微陀螺零偏溫度特性建模與補償 52-70     4.1 零偏的溫度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的啟動時間 52-54  

12、0;      4.1.2 全溫區(qū)范圍零偏與溫度的關系 54-55         4.1.3 全溫區(qū)零偏的溫度多項式模型 55-57         4.1.4 基于驅動頻率的全溫區(qū)零偏溫度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏溫度誤差建模和補償方法研究 58-62         4.2

13、.1 自然溫升過程的溫度建模和補償 58-60         4.2.2 微陀螺噪聲的抑制 60-61         4.2.3 小溫度范圍內溫度補償模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI編程語言的零偏溫度建模與補償 62-68         4.3.1 溫度補償測試系統(tǒng) 63-65    

14、;     4.3.2 溫度補償試驗結果分析 65-68     4.4 改善微陀螺溫度特性的措施和建議 68-69     4.5 本章小結 69-70 第五章 硅微陀螺隨機漂移誤差的建模 70-81     5.1 硅微陀螺隨機漂移信號的平穩(wěn)化處理方法 70-72         5.1.1 多分辨率分析和Mallat算法 70-71      

15、;   5.1.2 漂移信號趨勢項提取和平穩(wěn)性檢驗 71-72     5.2 硅微陀螺隨機漂移的ARMA建模 72-78         5.2.1 時間序列模型的分類和確定方法 72-74         5.2.2 硅微陀螺隨機漂移的時間序列模型 74-75         5.2.3 模型參數(shù)的估計適用性檢驗 75-77 

16、0;       5.2.4 ARMA模型預測 77-78     5.3 硅微陀螺隨機漂移誤差模型的卡爾曼濾波 78-80     5.4 本章小結 80-81 第六章 總結與展望 81-83     6.1 全文總結 81-82     6.2 工作展望 82-83 致謝 83-84 參考文獻 84-88         3.2.5 模態(tài)頻率的

17、溫度重復性 37-38         3.2.6 頻率溫度模型線性回歸分析 38-39     3.3 品質因數(shù)與溫度的關系 39-45         3.3.1 真空度對品質因數(shù)的影響 39-41         3.3.2 品質因數(shù)的理論分析 41-42         3.3.3

18、 品質因數(shù)溫度特性 42-45     3.4 輸出增益與溫度的關系 45-48         3.4.1 溫度對驅動運動的影響 45-46         3.4.2 輸出增益的溫度特性 46-48     3.5 標度因數(shù)與溫度的關系 48-51         3.5.1 理論分析 48-49   &

19、#160;     3.5.2 試驗結果分析 49-51     3.6 本章小結 51-52 第四章 硅微陀螺零偏溫度特性建模與補償 52-70     4.1 零偏的溫度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的啟動時間 52-54         4.1.2 全溫區(qū)范圍零偏與溫度的關系 54-55    &#

20、160;    4.1.3 全溫區(qū)零偏的溫度多項式模型 55-57         4.1.4 基于驅動頻率的全溫區(qū)零偏溫度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏溫度誤差建模和補償方法研究 58-62         4.2.1 自然溫升過程的溫度建模和補償 58-60         4.2.2 微陀螺噪聲的

21、抑制 60-61         4.2.3 小溫度范圍內溫度補償模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI編程語言的零偏溫度建模與補償 62-68         4.3.1 溫度補償測試系統(tǒng) 63-65         4.3.2 溫度補償試驗結果分析 65-68     4.4 改善微陀螺溫度

22、特性的措施和建議 68-69     4.5 本章小結 69-70 第五章 硅微陀螺隨機漂移誤差的建模 70-81     5.1 硅微陀螺隨機漂移信號的平穩(wěn)化處理方法 70-72         5.1.1 多分辨率分析和Mallat算法 70-71         5.1.2 漂移信號趨勢項提取和平穩(wěn)性檢驗 71-72     5.2 硅微陀螺隨機漂移的ARMA建

23、模 72-78         5.2.1 時間序列模型的分類和確定方法 72-74         5.2.2 硅微陀螺隨機漂移的時間序列模型 74-75         5.2.3 模型參數(shù)的估計適用性檢驗 75-77         5.2.4 ARMA模型預測 77-78    

24、5.3 硅微陀螺隨機漂移誤差模型的卡爾曼濾波 78-80     5.4 本章小結 80-81 第六章 總結與展望 81-83     6.1 全文總結 81-82     6.2 工作展望 82-83 致謝 83-84 參考文獻 84-88         3.2.5 模態(tài)頻率的溫度重復性 37-38         3.2.6 頻率溫度模型線性回歸分析 38-39

25、     3.3 品質因數(shù)與溫度的關系 39-45         3.3.1 真空度對品質因數(shù)的影響 39-41         3.3.2 品質因數(shù)的理論分析 41-42         3.3.3 品質因數(shù)溫度特性 42-45     3.4 輸出增益與溫度的關系 45-48     

26、;    3.4.1 溫度對驅動運動的影響 45-46         3.4.2 輸出增益的溫度特性 46-48     3.5 標度因數(shù)與溫度的關系 48-51         3.5.1 理論分析 48-49         3.5.2 試驗結果分析 49-51     3.6 本章小結 51

27、-52 第四章 硅微陀螺零偏溫度特性建模與補償 52-70     4.1 零偏的溫度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的啟動時間 52-54         4.1.2 全溫區(qū)范圍零偏與溫度的關系 54-55         4.1.3 全溫區(qū)零偏的溫度多項式模型 55-57      

28、   4.1.4 基于驅動頻率的全溫區(qū)零偏溫度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏溫度誤差建模和補償方法研究 58-62         4.2.1 自然溫升過程的溫度建模和補償 58-60         4.2.2 微陀螺噪聲的抑制 60-61         4.2.3 小溫度范圍內溫度補償模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI編程語言的零偏溫度