李文望 ， 王凌云

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械工程系，福建 廈門 361024；2.廈門大學(xué)機(jī)電工程系，福建 廈門 361005）

微機(jī)械隧道陀螺的振動特性測試

李文望1，2， 王凌云2

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械工程系，福建 廈門 361024；2.廈門大學(xué)機(jī)電工程系，福建 廈門 361005）

結(jié)合微機(jī)械陀螺儀和隧道效應(yīng)的特點(diǎn)，提出了角振動微機(jī)械隧道陀螺儀的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。針對微機(jī)械陀螺的驅(qū)動和檢測在面內(nèi)和面外的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了圖像處理法、靜電力階躍激勵法和機(jī)械激勵法等振動特性測試方法，在大氣環(huán)境下分別對隧道陀螺儀驅(qū)動和檢測模態(tài)的振動特性進(jìn)行了測試，得到了相應(yīng)的諧振頻率，采用不同的方法得到的結(jié)果基本一致。

微機(jī)械隧道陀螺儀；驅(qū)動模態(tài)；敏感模態(tài)

1 引 言

微機(jī)械隧道陀螺是近年發(fā)展起來的一種新型的微陀螺，它利用隧道電流對位移變化的高敏感特性檢測角速度的變化，根據(jù)微機(jī)械隧道陀螺儀工作方式及特點(diǎn)[1-4]，對其驅(qū)動模態(tài)及檢測模態(tài)固有頻率初步測試，是對隧道陀螺儀進(jìn)行進(jìn)一步反饋控制及提取外界角速度輸入的基礎(chǔ)，也是對微機(jī)械隧道陀螺儀設(shè)計(jì)方法及工藝效果進(jìn)行評價的有效檢驗(yàn)手段。

2 角振動微機(jī)械隧道陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作原理

微機(jī)械隧道陀螺儀與其他檢測方式微陀螺相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理基本相同，但由于電子隧道效應(yīng)對電極間距的變化極其敏感，且制作工藝存在誤差，所以微機(jī)械隧道陀螺在敏感和驅(qū)動方向上的正交誤差要盡可能小。否則，驅(qū)動方向上的位移會引起隧尖的橫向運(yùn)動，導(dǎo)致隧尖的橫向敏感。如果電極表面較粗糙，就會給陀螺檢測引入噪聲，因而支撐隧尖的敏感梁在驅(qū)動方向上應(yīng)具有足夠的剛度[5-11]。

圖1所示是角振動微機(jī)械隧道陀螺儀的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)陀螺接通電源時，懸臂梁在偏轉(zhuǎn)電極的靜電力吸引下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使隧尖靠近檢測電極，進(jìn)入隧道效應(yīng)的工作狀態(tài)。同時，變截面支撐梁在兩邊扇形固定梳齒驅(qū)動下，在XY平面內(nèi)做往復(fù)角振動，當(dāng)陀螺儀在X方向上有輸入角速度時，扇形梳齒可動部分由于受到Coriolis力將產(chǎn)生Z方向的位移，該位移通過變截面梁傳遞到與其連接的懸臂梁，導(dǎo)致隧道間距發(fā)生改變。由于隧道效應(yīng)對位移的敏感性，通過檢測隧道電流的大小就可以檢測出X方向輸入角速度大小。

圖1 角振動微機(jī)械隧道陀螺儀效果圖

該結(jié)構(gòu)方案的特點(diǎn)在于驅(qū)動和檢測方向采用相互獨(dú)立的支撐梁結(jié)構(gòu)，避免了兩個方向的正交耦合。同時，采用兩個敏感梁左右支撐，進(jìn)一步抑制了隧尖的橫向振動。另外，扇形驅(qū)動隨著半徑的增大，驅(qū)動振幅相應(yīng)增大，因而Coriolis力也相應(yīng)增大，提高了陀螺儀的機(jī)械靈敏度。

3 微機(jī)械隧道陀螺儀的振動特性測試方法

3.1 驅(qū)動梁振動特性的測試方法

（1）圖像法。由于陀螺驅(qū)動模態(tài)的振動方向是在面內(nèi)振動，因而可以通過光學(xué)顯微鏡方便地觀察結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動態(tài)振動下的位移，并可借助CCD和圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)圖像記錄和位移測量。在諧振測試時，分別記錄正弦激勵頻率及該頻率下的最大振幅，繪制出幅頻曲線便可得到陀螺儀在驅(qū)動方向上的諧振點(diǎn)。圖像法測試諧振的測試平臺主要由探針臺、顯微鏡、信號發(fā)生器、功率放大模塊、示波器、電源、CCD及計(jì)算機(jī)等組成。圖像法測試振動特性具有所見即所得的特點(diǎn)，在顯微鏡放大倍數(shù)足夠高的情況下，具有較高的可靠性和真實(shí)性。

（2）靜電階躍激勵測試法。如圖2所示是靜電階躍激勵法測試驅(qū)動梁振動特性的示意圖。其測試原理為：當(dāng)開關(guān)K斷開或閉合瞬間，驅(qū)動梁受到靜電力的階躍激勵，其阻尼自由振動引起可動梳齒與另一固定梳齒間電容改變，導(dǎo)致該電容上的充放電電流發(fā)生改變。該電流的變化過程，間接反映了振動梁的階躍響應(yīng)特性。靜電階躍激勵法充分利用了微陀螺在驅(qū)動方向上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過C/V方法得到驅(qū)動梁在靜電沖擊下的響應(yīng)情況，由于其可以檢測到納米級的微小位移，因而該法具有較高的測量精度。

測試過程中，在可動梳齒上施加Vp=1V固定電壓，兩定齒中的一個定齒通過一開關(guān)K連接到另一固定電壓Vi上，Vi的大小在30～70V間；另一固定梳齒與I-V放大器相連接，其輸出信號通過A/D采集卡記錄于計(jì)算機(jī)中，通過LabVIEW和Origin等數(shù)據(jù)處理軟件對測試結(jié)果進(jìn)行分析，便可得出驅(qū)動梁的動態(tài)特性參數(shù)。

圖2 靜電階躍激勵法振動測試示意圖

3.2 檢測梁振動特性的測試方法

由于檢測方向都在垂直方向上，且受到隧尖位移的限制，在垂直方向上檢測梁的最大位移僅為1μm左右，因而很難用前述光學(xué)方法分辨出振動位移的大小。另外，由于在垂直方向上只有一個電極可用，因而也很難采用靜電激勵方法測試垂直方向上的振動性能?；谶@些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的機(jī)械激勵-電容檢測的方法測試懸臂梁在檢測方向上的振動特性。由于懸臂梁的振動引起其與偏轉(zhuǎn)電極之間的電容發(fā)生改變，通過I-V放大電路檢測出電容變化過程中產(chǎn)生的充放電電流，經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集和頻譜分析軟件，便可提取出檢測梁在機(jī)械激勵下的諧響應(yīng)情況。測試中，必須使陀螺儀檢測梁的振動方向與激振器激振方向保持一致，信號發(fā)生器產(chǎn)生某一頻段正弦掃頻信號經(jīng)功率放大器后驅(qū)動激振器，當(dāng)激勵頻率與檢測梁頻率一致時，使充放電電流發(fā)生較為明顯的變化。因此，由頻譜分析便可識別出陀螺在檢測方向上的固有頻率。

4 角振動隧道陀螺儀的振動測試及分析

4.1 驅(qū)動梁的固有頻率測試

圖3 機(jī)械激勵法測試檢測梁振動示意圖

在扇形梳齒的兩固定齒上分別施加Vd+Vasinωt和Vd-Vasinωt的激勵信號時，驅(qū)動梁將在該靜電激勵下產(chǎn)生振動，當(dāng)改變激勵頻率ω時，則可通過圖像法找到驅(qū)動梁的諧振點(diǎn)。用40 V+10 Vsinωt和40 V-10Vsinωt的驅(qū)動信號分別加在陀螺儀兩固定梳齒下，驅(qū)動梁產(chǎn)生如圖4所示的諧響應(yīng)振動。通過圖像法，記錄不同驅(qū)動頻率下驅(qū)動梁振動圖像，提取出相應(yīng)振動角度，便得到如圖5所示的頻響曲線。由此可見，驅(qū)動梁的諧振頻率為6335Hz。

圖4 驅(qū)動梁在正弦激勵下的振動

圖5 圖像法得到的角振動陀螺儀頻響曲線

為了驗(yàn)證圖像法所測試驅(qū)動梁的諧振頻率，采用靜電階躍激勵法對角振動陀螺儀進(jìn)行了進(jìn)一步測試。在圖2所示的Vi上加上60V直流電壓，當(dāng)開關(guān)K閉合瞬間，通過示波器得到如圖6（a）所示階躍響應(yīng)曲線（CH1），CH2為連接Vi的變化曲線。當(dāng)驅(qū)動梁受到靜電力的階躍激勵后，將在新的平衡位置做阻力衰減自由振動，由于是小阻尼自由振動，因而可以認(rèn)為其衰減振動頻率即為驅(qū)動梁在驅(qū)動方向上的固有頻率[4]。其振動數(shù)據(jù)的頻譜分析如圖6（b）所示，從該結(jié)果得到的驅(qū)動梁諧振頻率為6340Hz，因而，進(jìn)一步驗(yàn)證了圖像法所得結(jié)果的可靠性。

4.2 檢測梁固有頻率測試

圖6 靜電階躍激勵法測試驅(qū)動梁諧振頻率

圖7 角振動隧道陀螺儀檢測梁的機(jī)械激勵測試

角振動隧道陀螺儀檢測梁的振動特性測試采用機(jī)械激勵-電容檢測方法。測試中使用信號發(fā)生器產(chǎn)生6.5～8 kHz的掃頻信號，該信號經(jīng)功率放大器放大后，驅(qū)動JZK-1（江蘇聯(lián)能電子有限公司）型激振器，在懸臂梁上施加1V的固定電壓。圖7（a）為截取的一次掃頻過程中懸臂梁在檢測方向上所產(chǎn)生的諧響應(yīng)曲線，該數(shù)據(jù)經(jīng)頻譜分析后所得的諧響應(yīng)頻譜圖如圖7（b）所示，可得檢測梁在檢測方向上的諧振頻率為7 637Hz，略低于理論設(shè)計(jì)的7794Hz。

5 結(jié)束語

利用圖像法和靜電階躍激勵法分別測得角振動隧道陀螺儀在驅(qū)動方向的諧振頻率以及通過機(jī)械激勵-電容檢測的方法得到角振動陀螺儀在其檢測方向諧振頻率與理論設(shè)計(jì)接近，為隧道陀螺儀進(jìn)行進(jìn)一步反饋控制及提取外界角速度輸入打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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Vibration measuring methods of m icro-machined tunning gyroscope

LIWen-wang1，2，WANG Ling-yun2
（1.Department of Mechanical Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；（2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

Based on the characteristics of micro-machined gyroscope and tunneling effect，the principle of operation and structure design of angular vibrating tunneling gyroscope have been introduced.Given the vibration direction of driving and sensing mode in in-plane and out-ofplane，several vibration measuring methods，including image processing，electrostatic force step stimulation and mechanism excitation，were utilized to test the vibration characteristics of the driving and sensing model of the tunneling gyroscope under the atmosphere environment，the resonance frequency and quality factor of the tunneling gyroscope were also obtained.The same results are obtained by different methods.

micro-machined tunneling gyroscope；driving mode；sensing mode

TH703.8；TP274+.5

A

1674-5124（2011）01-0010-03

2010-09-05；

2010-10-28

國家自然科學(xué)基金（50675222）

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2007AA04Z308）

福建省高校新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（2007）

李文望（1966-），男，福建永春縣人，教授，碩士，主要從事MEMS、靜電紡絲的教學(xué)與研究。