硅微陀螺的温度特性研究

1、硅微陀螺的温度特性研究    英文题名 Study on the Temperature Characteristics of Silicon Micromachined Gyroscope  关键词 硅微陀螺; 温度特性; 谐振频率; 零偏; 卡尔曼滤波; 英文关键词 Silicon micromachined gyroscope; Temperature characteristics; Resonant frequency; Zero bias; Kalman filtering; 中文摘要 硅微陀螺是组成惯性导航系统的关键器件之一。由于

2、硅材料是一种热敏材料,温度变化导致的各种误差对硅微陀螺的各项性能指标影响很大。当环境温度变化时,硅微陀螺的谐振频率和品质因数会发生改变,会对陀螺的标度因数和零偏造成一定的影响,从而影响到陀螺的输出精度和性能。因此,很有必要研究陀螺的温度特性,建立合适的温度模型,对温度误差进行补偿。本文的主要研究内容和工作如下: 1.分析了硅微陀螺的各种误差来源,推导了硅微陀螺的运动方程,得到了影响硅微陀螺振动位移和结构灵敏度的主要因素。温度的变化会使谐振频率发生偏移、品质因数发生改变,会对原有的各种误差进一步放大,从而影响硅微陀螺的输出精度。 2.通过理论分析推导和试验验证,从理论和试验两个方面研究了温度对谐

3、振频率、品质因数、真空度、输出增益以及标度因数的影响。建立了谐振频率、品质因数、输出增益以及标度因数的温度模型。 3.分析了硅微陀螺的零偏产生机理。由于静电力不平衡误差和各种加工误差,会导致微陀螺发生模态耦合,从而产生正交误差。正交误差对硅微陀螺输出影响很大,必须采取措施加以消除。由于电路误差的存在,不可能完全消除正交误差的影响,使其成为了硅微陀螺零偏. 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 绪论 13-21     1.1 研究背景与研究意

5、义 13-14     1.2 硅微陀螺国内外研究现状 14-17         1.2.1 硅微陀螺国外研究现状 14-15         1.2.2 硅微陀螺国内研究现状 15-17     1.3 陀螺温度误差研究现状 17-19     1.4 论文主要研究内容 19-21 第二章 硅微陀螺误差理论研究 21-31     2

6、.1 硅微陀螺结构和工作原理 21-22     2.2 硅微陀螺动力学分析 22-24         2.2.1 动力学分析 22-23         2.2.2 结构灵敏度分析 23-24     2.3 硅微陀螺温度误差来源 24-30         2.3.1 材料温度特性 25-26   &#

7、160;     2.3.2 正交误差 26-30         2.3.3 随机漂移误差 30     2.4 本章小结 30-31 第三章 硅微陀螺工作模态温度特性研究 31-52     3.1 硅微陀螺模态特性测试技术 31-33         3.1.1 模态频率电学测试方法 31-32     

8、0;   3.1.2 模态测试系统 32-33     3.2 工作模态频率与温度的关系 33-39         3.2.1 理论分析 33-35         3.2.2 温度试验设计和结果 35         3.2.3 驱动轴频率温度特性 35-37       &

9、#160; 3.2.4 检测轴频率温度特性 37         3.2.5 模态频率的温度重复性 37-38         3.2.6 频率温度模型线性回归分析 38-39     3.3 品质因数与温度的关系 39-45         3.3.1 真空度对品质因数的影响 39-41      

10、0;  3.3.2 品质因数的理论分析 41-42         3.3.3 品质因数温度特性 42-45     3.4 输出增益与温度的关系 45-48         3.4.1 温度对驱动运动的影响 45-46         3.4.2 输出增益的温度特性 46-48     3.5 标度因数与温度的关系

11、48-51         3.5.1 理论分析 48-49         3.5.2 试验结果分析 49-51     3.6 本章小结 51-52 第四章 硅微陀螺零偏温度特性建模与补偿 52-70     4.1 零偏的温度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的启动时间 52-54  

12、0;      4.1.2 全温区范围零偏与温度的关系 54-55         4.1.3 全温区零偏的温度多项式模型 55-57         4.1.4 基于驱动频率的全温区零偏温度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏温度误差建模和补偿方法研究 58-62         4.2

13、.1 自然温升过程的温度建模和补偿 58-60         4.2.2 微陀螺噪声的抑制 60-61         4.2.3 小温度范围内温度补偿模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI编程语言的零偏温度建模与补偿 62-68         4.3.1 温度补偿测试系统 63-65    

14、;     4.3.2 温度补偿试验结果分析 65-68     4.4 改善微陀螺温度特性的措施和建议 68-69     4.5 本章小结 69-70 第五章 硅微陀螺随机漂移误差的建模 70-81     5.1 硅微陀螺随机漂移信号的平稳化处理方法 70-72         5.1.1 多分辨率分析和Mallat算法 70-71      

15、;   5.1.2 漂移信号趋势项提取和平稳性检验 71-72     5.2 硅微陀螺随机漂移的ARMA建模 72-78         5.2.1 时间序列模型的分类和确定方法 72-74         5.2.2 硅微陀螺随机漂移的时间序列模型 74-75         5.2.3 模型参数的估计适用性检验 75-77 

16、0;       5.2.4 ARMA模型预测 77-78     5.3 硅微陀螺随机漂移误差模型的卡尔曼滤波 78-80     5.4 本章小结 80-81 第六章 总结与展望 81-83     6.1 全文总结 81-82     6.2 工作展望 82-83 致谢 83-84 参考文献 84-88         3.2.5 模态频率的

17、温度重复性 37-38         3.2.6 频率温度模型线性回归分析 38-39     3.3 品质因数与温度的关系 39-45         3.3.1 真空度对品质因数的影响 39-41         3.3.2 品质因数的理论分析 41-42         3.3.3

18、 品质因数温度特性 42-45     3.4 输出增益与温度的关系 45-48         3.4.1 温度对驱动运动的影响 45-46         3.4.2 输出增益的温度特性 46-48     3.5 标度因数与温度的关系 48-51         3.5.1 理论分析 48-49   &

19、#160;     3.5.2 试验结果分析 49-51     3.6 本章小结 51-52 第四章 硅微陀螺零偏温度特性建模与补偿 52-70     4.1 零偏的温度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的启动时间 52-54         4.1.2 全温区范围零偏与温度的关系 54-55    &#

20、160;    4.1.3 全温区零偏的温度多项式模型 55-57         4.1.4 基于驱动频率的全温区零偏温度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏温度误差建模和补偿方法研究 58-62         4.2.1 自然温升过程的温度建模和补偿 58-60         4.2.2 微陀螺噪声的

21、抑制 60-61         4.2.3 小温度范围内温度补偿模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI编程语言的零偏温度建模与补偿 62-68         4.3.1 温度补偿测试系统 63-65         4.3.2 温度补偿试验结果分析 65-68     4.4 改善微陀螺温度

22、特性的措施和建议 68-69     4.5 本章小结 69-70 第五章 硅微陀螺随机漂移误差的建模 70-81     5.1 硅微陀螺随机漂移信号的平稳化处理方法 70-72         5.1.1 多分辨率分析和Mallat算法 70-71         5.1.2 漂移信号趋势项提取和平稳性检验 71-72     5.2 硅微陀螺随机漂移的ARMA建

23、模 72-78         5.2.1 时间序列模型的分类和确定方法 72-74         5.2.2 硅微陀螺随机漂移的时间序列模型 74-75         5.2.3 模型参数的估计适用性检验 75-77         5.2.4 ARMA模型预测 77-78    

24、5.3 硅微陀螺随机漂移误差模型的卡尔曼滤波 78-80     5.4 本章小结 80-81 第六章 总结与展望 81-83     6.1 全文总结 81-82     6.2 工作展望 82-83 致谢 83-84 参考文献 84-88         3.2.5 模态频率的温度重复性 37-38         3.2.6 频率温度模型线性回归分析 38-39

25、     3.3 品质因数与温度的关系 39-45         3.3.1 真空度对品质因数的影响 39-41         3.3.2 品质因数的理论分析 41-42         3.3.3 品质因数温度特性 42-45     3.4 输出增益与温度的关系 45-48     

26、;    3.4.1 温度对驱动运动的影响 45-46         3.4.2 输出增益的温度特性 46-48     3.5 标度因数与温度的关系 48-51         3.5.1 理论分析 48-49         3.5.2 试验结果分析 49-51     3.6 本章小结 51

27、-52 第四章 硅微陀螺零偏温度特性建模与补偿 52-70     4.1 零偏的温度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的启动时间 52-54         4.1.2 全温区范围零偏与温度的关系 54-55         4.1.3 全温区零偏的温度多项式模型 55-57      

28、   4.1.4 基于驱动频率的全温区零偏温度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏温度误差建模和补偿方法研究 58-62         4.2.1 自然温升过程的温度建模和补偿 58-60         4.2.2 微陀螺噪声的抑制 60-61         4.2.3 小温度范围内温度补偿模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI编程语言的零偏温度