无驱动微机械陀螺敏感元件模态分析

作     者：张增平 张福学 张伟 刘宇 张宁 ZHANG Zeng-ping;ZHANG Fu-xue;ZHANG Wei;LIU Yu;ZHANG Ning

作者机构：北京信息科技大学传感技术研究中心北京100101 

出 版 物：《中国惯性技术学报》 (Journal of Chinese Inertial Technology)

年 卷 期：2014年第12卷第5期

页      面：655-659页

核心收录：

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金委员会资助项目(61372016) 北京市传感器重点实验室开放课题(KF20141077203) 内蒙古自治区自然科学基金项目(2011MS0910) 北京市教育委员会科技计划资助项目(KM201411232021) 

主　　题：敏感元件 扭转梁 扭转刚度 固有频率 

摘      要：鉴于常规微机械陀螺的驱动结构和检测结构往往需要进行频率匹配,造成带宽较窄,工艺复杂的问题,设计了一种新的微机械陀螺,安装于旋转飞行器上,利用飞行器的旋转获得角动量,敏感飞行器的偏航和俯仰横向角速度。由于没有驱动结构,所以结构简单,带宽较宽。首先基于这种巧妙的结构建立了敏感元件的振动方程。根据振动方程,扭转梁是影响质量振动模态和模态频率的关键,同时考虑到应力、残余应力的释放以及工作能力,扭转梁设计成横截面积为矩形的弧形梁,并对其抗扭刚度进行了解析推导和计算,从而确定了敏感元件的固有频率。接着利用有限元分析的方法,对其振动模态进行了仿真,仿真结果表明,敏感元件的第一模态是扭转振动,固有频率相对于解析结果的误差为9.86%。为了进一步验证,设计了静电驱动电容检测的方法,实验测试得到的谐振频率和解析值的相对误差为5.21%。仿真和实验结果与理论计算一致,表明扭转梁的设计是合理的,模态分析是正确的,而且为动态性能评估和结构优化提供了理论依据。