專利名稱：一種四自由度微機械陀螺陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于四自由度微機械陀螺的陣列結構。
背景技術：
微機械陀螺的研究開始于上世紀80年代末，是一種新型的微小型慣性導航元器件。與傳統的機械陀螺和光學陀螺相比，其優點是體積小、重量輕、耗電量小、壽命長、成本低、易集成、可靠性高，能大量生產，是未來新型慣性導航技術領域的核心元器件之一。目前，微機械陀螺的研究主要分為單自由度和多自由度兩大類:單自由度微機械陀螺采用的是1-D0F驅動結構和1-D0F敏感結構，通過驅動模態和敏感模態的自然頻率匹配來實現驅動模態和敏感模態同時達到共振，從而提高陀螺的靈敏度；多自由度陀螺主要是將2-D0F結構(動態吸振器結構，DVA或完全的2-D0F振動結構)應用到微機械陀螺的驅動模態或敏感模態，通過2-D0F振動結構的頻率響應中兩個峰值之間的平坦區域來提高陀螺的3dB帶寬，從而提高微機械陀螺的穩定性。在多自由度微機械陀螺結構中，動態吸振器結構(DVA)或完全的2-D0F振動結構在實現驅動模態和敏感模態解耦的同時，可以提高系統的帶寬，從而提升系統的穩定性，增強抗干擾能力。然而在目前公開發表的多自由度微機械陀螺的結構中，2-D0F振動結構模態的增益相對比較低，這樣會導致系統整體的靈敏度降低，影響實際應用中陀螺的測量精度。尤其是驅動模態和敏感模態都采用2-D0F振動結構時，兩個模態的增益同時降低，嚴重影響陀螺的整體靈敏度，限制了陀螺的實際應用范圍。
發明內容
本發明的目的在于提供一種提升系統穩定性和靈敏度的四自由度微機械陀螺陣列。本發明的目的是這樣實現的:本發明由四自由度微機械陀螺排列組成，四自由度微機械陀螺包括驅動質量塊、驅動靜梳齒、驅動動梳齒、解耦框架、監測質量塊、敏感質量塊、敏感靜梳齒和敏感動梳齒，驅動靜梳齒和驅動動梳齒構成電容梳齒式驅動單元，所述驅動單元設置在驅動質量塊上，驅動質量塊和四個錨點I通過兩個工形梁相連，驅動質量塊和解耦框架通過四個折疊梁I相連，解耦框架和四個錨點II通過兩個工形梁II連接，構成驅動模態；檢測質量塊和解耦框架通過四個折疊梁II相連，檢測質量塊和敏感質量塊通過四個折疊梁III相連，敏感質量塊和四個錨點III通過兩個工形梁III相連，敏感靜梳齒和敏感動梳齒構成電容梳齒式敏感單元，所述敏感單元設置在敏感質量塊上，構成敏感模態；通過檢測敏感單元的電容變化來計算外部輸入的角速度，所述的驅動模態設置在四自由度微機械陀螺的結構內部，敏感模態設置在四自由度微機械陀螺的外圍，敏感質量塊設置在所有陀螺單元的外部。四自由度微機械陀螺共用一個敏感質量塊，各個陀螺單元的驅動單元和檢測質量塊相互獨立。
本發明的有益效果在于:通過這種新型的陀螺陣列的形式，將若干4-D0F陀螺單元有效地組合在一起，使得陀螺陣列不僅擁有良好的系統穩定性，而且可以有效地提高陀螺陣列的靈敏度。
圖1是本發明的陀螺單元的結構框架圖；圖2是本發明的陀螺單元的簡化模型；圖3是本發明的陣列結構框架圖；圖4是本發明的陣列結構簡化模型；圖5是本發明的驅動模態的幅頻響應；圖6是本發明的敏感模態的幅頻響應。
具體實施例方式該微機械陀螺陣列結構將若干個新型4-D0F微機械陀螺單元以一定的方式組合在一起。新型的4-D0F微機械陀螺單元擁有較好的系統帶寬，而陀螺陣列利用組合的方式，既可以通過4-D0F陀螺單元來提升系統的穩定性，又可以通過組合來提高系統的靈敏度。一種新的四自由度微機械陀螺結構，由完全的2-D0F驅動模態和完全的2-D0F敏感模態構成，基于該四自由度微機械陀螺結構設計了一種多自由度的微機械陀螺陣列結構。本發明采用的為基于四自由度微機械陀螺單元的陣列結構，結構簡化模型如圖2所示，結構框圖如圖4所示。從圖2可以看出，陀螺陣列由n個四自由度陀螺單元并列的組合在一起構成的，其中每個陀螺單元擁有獨立的2-D0F驅動模態，由驅動質量塊(1)，解耦框架(2)，彈簧(5)、(6)、(7)構成；在敏感模態，每個陀螺單元擁有獨立的檢測質量塊(3)以及彈簧(8)、(9)，而所有的陀螺單元同時共用一個敏感質量塊和彈簧(4)，各個陀螺單元的檢測質量塊(3)通過彈簧(9)與敏感質量塊(4)連接在一起，從而使各個陀螺單元以及陀螺陣列的敏感模態構成完全的2-D0F振動結構。完全的2-D0F振動結構可以提高陀螺陣列的系統帶寬，同時起到解耦的作用，而陀螺單元的組合可以提高陀螺陣列的靈敏度。工作方式:首先通過設置在陀螺陣列中陀螺單元上的電容驅動梳齒(11)和(12)對陀螺單元的驅動質量塊(I)施加具有相同振幅、頻率和相位的正弦驅動力，使各個陀螺單元的驅動模態產生簡諧振動，從而使解耦框架(2)和檢測質量塊(3)在驅動方向(X)做簡諧振動；當有z軸的外部角速度Qz輸入時，由于哥式效應，產生沿敏感方向(y)的哥氏力分別并作用在各個陀螺單元的檢測質量塊(3)上，使各個陀螺單元的檢測質量塊(3)沿敏感方向(y)做同步的簡諧運動，各個檢測質量塊(3)的簡諧振動通過彈簧(9)產生一個合力作用在敏感質量塊(4)上，從而使敏感質量塊(4)沿敏感方向(y)做簡諧運動，通過設置在敏感質量塊(4)上的電容檢測梳齒(13)和(14)來檢測電容的變化，最終計算出沿z軸輸入的外部角速度Qz。理論依據:從四自由度微機械陀螺單元的簡化模型(圖2)和陣列結構的簡化模型(圖4)可以看出，陀螺單元和陀螺陣列具有完全相同的驅動模態，所以它們在驅動方向的動態方程是相同的，如下:
權利要求
1.一種四自由度微機械陀螺陣列，由四自由度微機械陀螺排列組成，四自由度微機械陀螺包括驅動質量塊、驅動靜梳齒、驅動動梳齒、解耦框架、監測質量塊、敏感質量塊、敏感靜梳齒和敏感動梳齒，驅動靜梳齒和驅動動梳齒構成電容梳齒式驅動單元，所述驅動單元設置在驅動質量塊上，驅動質量塊和四個錨點I通過兩個工形梁相連，驅動質量塊和解耦框架通過四個折疊梁I相連，解耦框架和四個錨點II通過兩個工形梁II連接，構成驅動模態；檢測質量塊和解耦框架通過四個折疊梁II相連，檢測質量塊和敏感質量塊通過四個折疊梁III相連，敏感質量塊和四個錨點III通過兩個工形梁III相連，敏感靜梳齒和敏感動梳齒構成電容梳齒式敏感單元，所述敏感單元設置在敏感質量塊上，構成敏感模態；通過檢測敏感單元的電容變化來計算外部輸入的角速度，其特征在于:所述的驅動模態設置在四自由度微機械陀螺的結構內部，敏感模態設置在四自由度微機械陀螺的外圍，敏感質量塊設置在所有陀螺單元的外部。
2.根據權利要求1所述的一種四自由度微機械陀螺陣列，其特征在于:所述的四自由度微機械陀螺共用一個敏感質量塊，各個陀螺單元的驅動單元和檢測質量塊相互獨立。
全文摘要
本發明涉及一種基于四自由度微機械陀螺的陣列結構。本發明由四自由度微機械陀螺排列組成，驅動模態設置在四自由度微機械陀螺的結構內部，敏感模態設置在四自由度微機械陀螺的外圍，敏感質量塊設置在所有陀螺單元的外部。四自由度微機械陀螺共用一個敏感質量塊。通過這種新型的陀螺陣列的形式，將若干4-DOF陀螺單元有效地組合在一起，使得陀螺陣列不僅擁有良好的系統穩定性，而且可以有效地提高陀螺陣列的靈敏度。
文檔編號G01C19/5733GK103115620SQ20131002488
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月20日 優先權日2013年1月20日
發明者王偉, 呂曉永, 李欣, 韓莉莉, 宋鴻儒, 楊博, 趙清, 李強, 范岳, 朱瑋 申請人:哈爾濱工程大學
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