2019年, 第18卷, 第4期　刊出日期：2019-08-20

  

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综述
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  多环谐振微机械陀螺的研究现状及发展趋势

  杜宜璋, 常洪龙, 苑伟政, 谢建兵

  导航与控制. 2019, 18(4): 1-10. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.001

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  微机械陀螺是一种新型的陀螺,近年来随着微机电技术的发展,其性能不断得到提高。基于多环谐振微机械陀螺的发展现状,详细评述了多环谐振陀螺的来源以及其由单环到多环的结构发生改变的优点。并基于驻波进动原理,介绍了两种新型的全对称谐振盘陀螺。总结了圆环谐振式微机械陀螺的工艺发展路线,由早期的HARPSS工艺发展到外延多晶硅封装工艺,再到材料性能好的单晶硅热压键合工艺,使得多环谐振陀螺的性能不断得以提升,并分析了其优缺点。最后,展望了未来的高新技术,提出多环谐振陀螺的发展方向。
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  嵌套环MEMS陀螺研究综述

  李青松, 李微, 张勇猛, 吴学忠, 肖定邦

  导航与控制. 2019, 18(4): 11-18. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.002

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  嵌套环MEMS谐振陀螺是一种基于Coriolis效应的振动陀螺,具有结构全对称、加工鲁棒性好、电容灵敏度高、可采用传统体硅加工工艺实现批量化制造等优点,是目前最具性能潜力的微陀螺方案之一。首先阐述了嵌套环MEMS谐振陀螺的基本结构和工作原理,然后针对其在敏感结构设计及演化、品质因数提升、频率匹配技术、非线性效应与参数放大技术及零偏补偿技术等方面的发展进行了讨论,并对其在结构设计、加工技术、测控电路、新机理和新效应的应用等方面的发展进行了展望。嵌套环MEMS谐振陀螺可以实现高精度的角速率测量,具有巨大的性能潜力和较好的应用前景。
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  石英振梁加速度计研究现状及发展趋势

  毕小伟, 杜伟, 马跃飞, 常江

  导航与控制. 2019, 18(4): 19-24. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.003

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  石英振梁加速度计是一种基于振梁谐振和力频特性原理的新型全固态惯性传感器,具有高精度、大量程、低功耗、直接频率脉冲输出等突出特点,已被广泛应用于战术武器系统。简要介绍了石英振梁加速度计的工作原理、技术特点,梳理了分体式和一体式两种仪表结构的研究现状和关键技术。结合国外研究发展趋势,指出石英振梁加速度计将成为后续达到摆式积分陀螺加速度计精度和抗辐照指标、满足战略级需求最有可能的加速度计方案。
陀螺技术
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  微型石英音叉谐振陀螺抗冲击的建模与仿真

  白冰, 赵玉龙

  导航与控制. 2019, 18(4): 25-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.004

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  随着微机电系统技术的飞速发展,微型石英音叉谐振陀螺在各个领域中的应用越来越广泛,工作环境也越来越复杂,有些工作环境非常恶劣,需要经受冲击环境的考验。针对微型石英音叉谐振陀螺结构中“V”字梁在抗冲击方面的设计问题,基于国家标准中的归一化冲击响应谱,利用有限元分析仿真软件COMSOL Multiphsics,分析了不同“V”字梁厚度参数在受到6个方向的1500g、2ms的半正弦冲击时产生的应力和形变。仿真结果表明,当“V”字梁厚度为100μm时,其受到Z+方向的冲击产生的应力为83.045MPa;当“V”字梁厚度为60μm时,其受到Z-方向的冲击产生的应力为149.032MPa;当“V”字梁厚度为80μm时,其受到Z-方向的冲击为94.721MPa。由于石英材料的断裂强度为95MPa,所以“V”字梁的厚度最小值约为80μm。
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  谐振式陀螺全角模式误差来源与接口技术

  李崇, 宋大雷, 宫宜辉, 杨华, 李坤乾

  导航与控制. 2019, 18(4): 33-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.005

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  全角模式是谐振式陀螺的新型接口技术,具有直接测量角度、动态范围大的优点,但其对陀螺元器件对称性要求极高的缺点限制了它的实际应用。首先,从谐振式陀螺全角模式的原理出发,讨论了各种不理想因素对全角模式运行造成的问题。然后,从器件设计和控制系统两方面出发,讨论了可行的技术路线。最后,通过数值仿真的方法证明了理论分析的正确性,并给出了谐振式陀螺的选型和控制系统的建议。
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  抗高过载硅微杯型振动陀螺结构设计与仿真

  刘俊, 曹慧亮, 石云波, 唐军, 申冲

  导航与控制. 2019, 18(4): 39-44. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.006

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  微机械陀螺是现代制导武器的核心器件,但是制导武器的发射过程中伴随着巨大的加速度过载。针对微机械陀螺结构在大过载情况下活动质量块受过载影响大的问题,设计了一种抗高过载MEMS杯型振动式陀螺结构。结合四波腹运动原理,对杯型陀螺结构的工作原理、振动特性以及抗高过载特性进行了分析。在ANSYS有限元分析软件中建立了该硅微杯型陀螺结构的有限元模型,分别进行了模态分析、谐响应分析。仿真分析结果显示,该硅微杯型陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的频差为0.8kHz,工作模态的频率匹配性较好。根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构在100000g的瞬态冲击作用下的最大应力为11.38MPa,最大位移为8.06nm,证明该结构具有优良的抗冲击特性。
惯性加速度计技术
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  基于光敏树脂分析的3D打印加速度传感器设计

  刘传奇, 赵玉龙, 刘明杰, 卲一苇, 张琪

  导航与控制. 2019, 18(4): 45-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.007

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  MEMS加速度传感器所采用的硅微机械加工技术存在个性化定制、小批量生产成本方面的不足,而3D打印技术的优势就在于无需模具的自由化定制、一机多用实现低成本产品生产,3D打印的发展趋势就是实现微纳尺度结构的制造。在此背景下,采用光固化立体成型技术设计了一种3D打印压阻式加速度传感器结构。传感器基底使用耐高温光敏树脂制作,并采用丝网印刷工艺在基底表面印制导电碳浆形成应变计结构。为此,首先对耐高温光敏树脂的相关热学与机械性能进行分析。通过测试,得到该光敏树脂固化后的起始分解温度等热力学参数。其次,通过控制光敏树脂紫外光固化时间,取得了较好杨氏模量和弯曲强度的树脂,且为该加速度传感器的结构仿真优化与制作工艺提供了必需数据与重要依据。除此之外,还对所设计的碳浆应变计结构进行了测试,得到了有效灵敏系数。通过以上工作,为最终实现3D打印加速度传感器的制作做好铺垫,助力3D打印技术与MEMS传感器技术相融合。
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  基于时间测量的加速度敏感方法

  李恩甫, 常洪龙

  导航与控制. 2019, 18(4): 52-58. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.008

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  国际单位制共有7个基本单位,时间就是7个基本单位之一,是目前能够实现的测量精度最高的一个物理量。因此,将加速度的测量转化为时间的测量,是实现加速度高精度检测的有效途径。首先,介绍了基于时间测量的加速度敏感原理。然后,介绍了基于该敏感原理的加速度传感器研究进展。最后,进行了基于时间测量的加速度计精度的定性和定量分析。理论分析和实验证实表明,加速度精度极限与时间分辨率之间成正比关系。
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  压阻式加速度传感器封装应力隔离结构分析

  尚思瑶, 刘岩, 莫舒婷

  导航与控制. 2019, 18(4): 59-64. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.009

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  测试特性的温度漂移是压阻式加速度传感器研发中的固有问题,与器件制造的多个环节相关,是多因素共同作用的结果。封装应力的隔离是消减传感器特性温度漂移的重要手段之一。为详细分析封装应力隔离结构的引入效果及其对传感器测试特性的影响,以传统双桥式敏感结构为基础,采用有限元方法分析了封装应力隔离结构对传感器附加干扰载荷抵抗力的提升作用,并分析了从其引入后对传感器敏感应力和结构固有频率的影响。分析结果表明,引入封装应力隔离结构可有效降低外部干扰应力对传感器敏感结构的影响,同时也会改变结构固有频率在内的传感器测试特性。因而,当封装应力隔离结构应用于高频型加速度传感器时,需通过优化结构质量分布、采用横向敏感结构等方法对提升结构自身固有频率及实现敏感方向与隔离变形方向解耦等问题进行进一步优化。
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  石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

  韩超, 赵玉龙, 李村

  导航与控制. 2019, 18(4): 65-70. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.010

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  分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大,故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构,包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作,敏感单元为全石英材料,硅结构与石英结构键合到一起,结构加工完成后去除硅材料,以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称,包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁,芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度,并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性,仿真的差动灵敏度为35Hz/g。
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  MEMS加速度计的封装建模与粘胶优化

  李博洋, 孙国良, 王帅民, 牛昊斌, 孙俊杰

  导航与控制. 2019, 18(4): 71-76. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.011

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  随着MEMS加速度计应用领域的逐渐扩大,其工作环境的温度区间跨度也在不断增大,如何降低由封装过程引入的温度漂移量是MEMS加速度计设计的关键。对一种玻璃-硅-玻璃梳齿加速度计的完整封装结构进行了建模,并且对5种粘胶方式进行了热应力形变仿真,对仿真中温度性能最好的远三点粘胶和最差的全面粘胶这两种方式进行了装表与温度系数测试。实测结果表明,远三点粘胶的加速度计温度性能相比全面粘胶提升了2.5倍,与仿真结果相符。
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  一种分体式石英振梁加速度计的研制

  毕小伟, 马跃飞, 杜伟, 孙嵩

  导航与控制. 2019, 18(4): 77-82. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.012

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  加速度计作为导航制导系统的重要元件,要在严酷的条件下及系统全生命周期内保证精度、稳定性、线性度等性能指标要求,这对加速度计的研制提出了极大的挑战。介绍了一种基于振梁谐振和力频特性原理的分体式石英振梁加速度计,给出了加速度计的总体结构和简化的力学模型,并进行了受力分析,指出不能简单通过增加摆质量的厚度来提高加速度计的标度因数。阐述了用双端固定音叉结构制作石英振梁的工艺加工过程,指出铬金掩膜的制作是振梁加工的关键工序。针对振梁等效参数,电路采用具有更大增益的双门振荡器方案。最后,对加速度计进行了标定测试,标度因数为55Hz/g,量程达到±70g,4h的零偏稳定性为8.1μg。测试结果表明,双振梁推挽差分输出的设计有效改善了加速度计的零偏稳定性。
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  双端固支石英振梁力频系数与热弹性品质因数分析

  李村, 韩超, 赵玉龙

  导航与控制. 2019, 18(4): 83-88. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.013

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  双端固支石英振梁作为微型谐振式石英传感器的核心敏感元件,其力频系数和品质因数对传感器的灵敏度和分辨率具有重要的影响。石英振梁的力频系数越高,同等条件下传感器的灵敏度也越高;振梁品质因数越高,传感器的分辨力亦越高。对于工作于一阶振动模态的石英振梁而言,力频系数与热弹性品质因数仅与其自身的结构尺寸参数有关。通过分析发现,石英振梁的力频系数与热弹性品质因数之间存在一定的矛盾。详细分析了石英振梁力频系数与热弹性品质因数的特点及两者之间的定量影响,给出了两者的理论模型与仿真方法,建立了力频系数-热弹性品质因数的目标优化函数。分析结果表明,在音叉尺寸范围内,目标优化函数值从0.064增加为0.64,且变化趋势与品质因数相类似。最后,分析了在设计用于微型谐振式石英传感器的双端固支石英振梁时该如何获得最佳的传感器性能。
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  梳状电容式微加速度计温度性能优化

  王帅民, 孙国良, 牛昊斌, 李博洋, 余才佳

  导航与控制. 2019, 18(4): 89-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.014

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  零偏温度漂移是影响高精度MEMS加速度计整体性能的关键指标,敏感结构机械零位的温度漂移和电路零位(电容检测电路)的温度漂移是加速度计零偏温度漂移的直接原因。分析了影响加速度计零偏温度系数的3种主要影响因素,提出了某型加速度计伺服电路温度性能测试筛选方法,有效减小了电路零位的温度漂移。采用了全硅表头,同时对表头封装粘接方式进行优化,大幅减小了表头机械零位的温度漂移。经过这些优化措施后,加速度计的温度性能得到了明显改善,零偏温度系数由1.3mg/℃减小到0.5mg/℃,零偏的常温稳定性(1h)达到0.108mg,重复性(6次)达到0.141mg。
组合导航
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  自适应UKF在北斗定位算法中的应用

  樊龙江, 陈安升, 陈帅, 韩林

  导航与控制. 2019, 18(4): 95-101. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.015

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  北斗导航系统发展日益成熟,介绍了北斗定位解算与GPS解算的差异,针对扩展Kalman滤波(Extended Kalman Filter,EKF)算法在北斗解算过程中容易引入非线性误差,无迹Kalman滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法受初值和系统噪声影响较大问题,提出了一种自适应无迹Kalman滤波(Adaptive Unscented Kalman Filter,AUKF)北斗定位解算算法。该算法利用观测残差信息构建自适应渐消矩阵,消除量测噪声异常带来的影响,同时提高了滤波精度。实验表明,与EKF和UKF定位解算算法相比,AUKF算法在定位精度和对系统噪声鲁棒性方面都有所提高,是一种可靠稳定的北斗定位算法。
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  平流层飞艇升降阶段BPNN惯性导航算法

  李保国, 李淑影, 王娜, 张博

  导航与控制. 2019, 18(4): 102-107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.016

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  软式平流层飞艇艇体在上升和下降时经常呈堆叠状态,GPS信号会被艇体间歇性遮挡,因而只能采用惯性导航。为保证在飞艇上升和下降过程中,INS/GPS组合导航系统在被艇体遮挡GPS时仍能够提供满足精度要求的导航信息,设计了一种改进的反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network, BPNN)惯性导航算法。采用神经网络,根据惯性导航系统在1s内的速度均值和姿态变化量,预估其在1s末的位置误差和速度误差,并对惯性导航结果进行修正。仿真实验和跑车试验结果表明,在GPS失效的30s内,新算法使得位置误差低于15m,速度误差低于0.7m/s,误差相比纯惯性导航降低了85%。
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  舰载捷联惯导系统的航行中快速在线标定

  袁鹏, 杨雨, 陈光, 晏亮, 武雨霞

  导航与控制. 2019, 18(4): 108-113. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2019.04.017

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  为实现舰载捷联惯导系统在航行中被快速标定的新需求,提出了一种捷联惯导系统在航行中快速在线标定的方法。首先,建立了简化的陀螺和加速度计输出误差方程,从而对Kalman滤波模型实现了降维。该模型以陀螺和加速度计零偏、标度因数误差等15个误差量为状态量,以速度误差和位置误差为量测量。设计了一种标定路径,该标定路径可由惯导系统中的双轴旋转机构实现。仿真结果表明,该方法能够在1800s内快速、准确地估计出15个误差量,具有工程实践价值。