專利名稱：一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于四自由度微機(jī)械陀螺的陣列結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺的研究開始于上世紀(jì)80年代末，是一種新型的微小型慣性導(dǎo)航元器件。與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺和光學(xué)陀螺相比，其優(yōu)點(diǎn)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(chǎn)，是未來新型慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的核心元器件之一。目前，微機(jī)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(jī)械陀螺采用的是1-D0F驅(qū)動結(jié)構(gòu)和1-D0F敏感結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)的自然頻率匹配來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)同時達(dá)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(jié)構(gòu)(動態(tài)吸振器結(jié)構(gòu)，DVA或完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu))應(yīng)用到微機(jī)械陀螺的驅(qū)動模態(tài)或敏感模態(tài)，通過2-D0F振動結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)中兩個峰值之間的平坦區(qū)域來提高陀螺的3dB帶寬，從而提高微機(jī)械陀螺的穩(wěn)定性。在多自由度微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)中，動態(tài)吸振器結(jié)構(gòu)(DVA)或完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)解耦的同時，可以提高系統(tǒng)的帶寬，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗干擾能力。然而在目前公開發(fā)表的多自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)中，2-D0F振動結(jié)構(gòu)模態(tài)的增益相對比較低，這樣會導(dǎo)致系統(tǒng)整體的靈敏度降低，影響實(shí)際應(yīng)用中陀螺的測量精度。尤其是驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)都采用2-D0F振動結(jié)構(gòu)時，兩個模態(tài)的增益同時降低，嚴(yán)重影響陀螺的整體靈敏度，限制了陀螺的實(shí)際應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈敏度的四自由度微機(jī)械陀螺陣列。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:本發(fā)明由四自由度微機(jī)械陀螺排列組成，四自由度微機(jī)械陀螺包括驅(qū)動質(zhì)量塊、驅(qū)動靜梳齒、驅(qū)動動梳齒、解耦框架、監(jiān)測質(zhì)量塊、敏感質(zhì)量塊、敏感靜梳齒和敏感動梳齒，驅(qū)動靜梳齒和驅(qū)動動梳齒構(gòu)成電容梳齒式驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元設(shè)置在驅(qū)動質(zhì)量塊上，驅(qū)動質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)I通過兩個工形梁相連，驅(qū)動質(zhì)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(diǎn)II通過兩個工形梁II連接，構(gòu)成驅(qū)動模態(tài)；檢測質(zhì)量塊和解耦框架通過四個折疊梁II相連，檢測質(zhì)量塊和敏感質(zhì)量塊通過四個折疊梁III相連，敏感質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)III通過兩個工形梁III相連，敏感靜梳齒和敏感動梳齒構(gòu)成電容梳齒式敏感單元，所述敏感單元設(shè)置在敏感質(zhì)量塊上，構(gòu)成敏感模態(tài)；通過檢測敏感單元的電容變化來計(jì)算外部輸入的角速度，所述的驅(qū)動模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，敏感模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的外圍，敏感質(zhì)量塊設(shè)置在所有陀螺單元的外部。四自由度微機(jī)械陀螺共用一個敏感質(zhì)量塊，各個陀螺單元的驅(qū)動單元和檢測質(zhì)量塊相互獨(dú)立。
本發(fā)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(tǒng)穩(wěn)定性，而且可以有效地提高陀螺陣列的靈敏度。


圖1是本發(fā)明的陀螺單元的結(jié)構(gòu)框架圖；圖2是本發(fā)明的陀螺單元的簡化模型；圖3是本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)框架圖；圖4是本發(fā)明的陣列結(jié)構(gòu)簡化模型；圖5是本發(fā)明的驅(qū)動模態(tài)的幅頻響應(yīng)；圖6是本發(fā)明的敏感模態(tài)的幅頻響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式該微機(jī)械陀螺陣列結(jié)構(gòu)將若干個新型4-D0F微機(jī)械陀螺單元以一定的方式組合在一起。新型的4-D0F微機(jī)械陀螺單元擁有較好的系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性，又可以通過組合來提高系統(tǒng)的靈敏度。一種新的四自由度微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)，由完全的2-D0F驅(qū)動模態(tài)和完全的2-D0F敏感模態(tài)構(gòu)成，基于該四自由度微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種多自由度的微機(jī)械陀螺陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用的為基于四自由度微機(jī)械陀螺單元的陣列結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡化模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)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(gòu)成的，其中每個陀螺單元擁有獨(dú)立的2-D0F驅(qū)動模態(tài)，由驅(qū)動質(zhì)量塊(1)，解耦框架(2)，彈簧(5)、(6)、(7)構(gòu)成；在敏感模態(tài)，每個陀螺單元擁有獨(dú)立的檢測質(zhì)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(zhì)量塊和彈簧(4)，各個陀螺單元的檢測質(zhì)量塊(3)通過彈簧(9)與敏感質(zhì)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(tài)構(gòu)成完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu)。完全的2-D0F振動結(jié)構(gòu)可以提高陀螺陣列的系統(tǒng)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(shè)置在陀螺陣列中陀螺單元上的電容驅(qū)動梳齒(11)和(12)對陀螺單元的驅(qū)動質(zhì)量塊(I)施加具有相同振幅、頻率和相位的正弦驅(qū)動力，使各個陀螺單元的驅(qū)動模態(tài)產(chǎn)生簡諧振動，從而使解耦框架(2)和檢測質(zhì)量塊(3)在驅(qū)動方向(X)做簡諧振動；當(dāng)有z軸的外部角速度Qz輸入時，由于哥式效應(yīng)，產(chǎn)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(zhì)量塊(3)上，使各個陀螺單元的檢測質(zhì)量塊(3)沿敏感方向(y)做同步的簡諧運(yùn)動，各個檢測質(zhì)量塊(3)的簡諧振動通過彈簧(9)產(chǎn)生一個合力作用在敏感質(zhì)量塊(4)上，從而使敏感質(zhì)量塊(4)沿敏感方向(y)做簡諧運(yùn)動，通過設(shè)置在敏感質(zhì)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(jì)算出沿z軸輸入的外部角速度Qz。理論依據(jù):從四自由度微機(jī)械陀螺單元的簡化模型(圖2)和陣列結(jié)構(gòu)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(qū)動模態(tài)，所以它們在驅(qū)動方向的動態(tài)方程是相同的，如下:
權(quán)利要求
1.一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列，由四自由度微機(jī)械陀螺排列組成，四自由度微機(jī)械陀螺包括驅(qū)動質(zhì)量塊、驅(qū)動靜梳齒、驅(qū)動動梳齒、解耦框架、監(jiān)測質(zhì)量塊、敏感質(zhì)量塊、敏感靜梳齒和敏感動梳齒，驅(qū)動靜梳齒和驅(qū)動動梳齒構(gòu)成電容梳齒式驅(qū)動單元，所述驅(qū)動單元設(shè)置在驅(qū)動質(zhì)量塊上，驅(qū)動質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)I通過兩個工形梁相連，驅(qū)動質(zhì)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(diǎn)II通過兩個工形梁II連接，構(gòu)成驅(qū)動模態(tài)；檢測質(zhì)量塊和解耦框架通過四個折疊梁II相連，檢測質(zhì)量塊和敏感質(zhì)量塊通過四個折疊梁III相連，敏感質(zhì)量塊和四個錨點(diǎn)III通過兩個工形梁III相連，敏感靜梳齒和敏感動梳齒構(gòu)成電容梳齒式敏感單元，所述敏感單元設(shè)置在敏感質(zhì)量塊上，構(gòu)成敏感模態(tài)；通過檢測敏感單元的電容變化來計(jì)算外部輸入的角速度，其特征在于:所述的驅(qū)動模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，敏感模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的外圍，敏感質(zhì)量塊設(shè)置在所有陀螺單元的外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種四自由度微機(jī)械陀螺陣列，其特征在于:所述的四自由度微機(jī)械陀螺共用一個敏感質(zhì)量塊，各個陀螺單元的驅(qū)動單元和檢測質(zhì)量塊相互獨(dú)立。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于四自由度微機(jī)械陀螺的陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明由四自由度微機(jī)械陀螺排列組成，驅(qū)動模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，敏感模態(tài)設(shè)置在四自由度微機(jī)械陀螺的外圍，敏感質(zhì)量塊設(shè)置在所有陀螺單元的外部。四自由度微機(jī)械陀螺共用一個敏感質(zhì)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(tǒng)穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2013年1月20日
發(fā)明者王偉, 呂曉永, 李欣, 韓莉莉, 宋鴻儒, 楊博, 趙清, 李強(qiáng), 范岳, 朱瑋 申請人:哈爾濱工程大學(xué)