振动轮式微机械陀螺动态特性的光学测试

　　1　引　言

　　振动轮式微机械陀螺是利用哥氏力测量空间角速度的一种陀螺仪,与框架式、音叉式角速度传感器相比,具有灵敏度高,容易实现驱动轴和检测轴共振频率一致的优点,可广泛应用于汽车工程、生物工程、大地测量、矿山开采、机器人控制等领域,因而受到各国的普遍重视。对于振动轮式微机械陀螺力学性能的研究已成为当今力学及其他相关学科的热点问题。为了提高其可靠性和实用性,除了对其结构进行必要的优化外,用有效的测量手段精确评估其材料特性、运动特性、位移、形变等各种力学性能参数也是必不可少的。对微结构在静态或准静态条件下的力学性能的测量目前已有一些成熟的方法[1-3],但是对其动态条件下的力学性能的测量和分析则报导较少。振动轮式微机械陀螺的振动频率很高,一般都在几千赫兹以上[4],很难观察到其振动过程,其振动稳定性、固有频率和品质因子等难以精确评价,需要研究有效的检测方法。

　　针对振动轮式微机械陀螺动态特征,本文提出了以高速摄像与显微技术相结合的测试方案。高速摄像是研究高速运动过程的一种行之有效的方法,具有很高的时间分辨率,能快速跟踪并记录高速运动过程,因此利用高速摄像可获取被测物瞬间图像。作者曾将此方法运用于硅微双线性振动陀螺的动态特性测量[5],与硅微双线性振动陀螺相比,振动轮式微机械陀螺是角振动而非线性平动,需要研究合适的图像相关方法以识别其振动角位移,本文详细介绍了基于全场动态序列图像相关的动力学特征参数的识别方法,给出了振动轮式微机械陀螺的固有频率和品质因子等动力学特征参数。实验结果显示,本文方法是可行且有效的。

　　2　振动轮式微机械陀螺

　　振动轮式微机械陀螺[6-8]结构形式如图1所示,其主要由驱动轮和外框架两部分组成。工作时,通过梳状机构驱动,外框架和驱动轮绕垂直于驱动轮的中心轴Z做简谐角振动。如果基片沿垂直于Y轴的方向在XZ平面内有惯性角速度Ω出现,则在哥氏力的作用下,位于振动轮下的电容将发生变化。在理想情况下,电容的变化量与角速度大小成正比,通过检测电容的变化量可以获得角速度Ω。

　　3　测量原理

　　在高速摄像机上装配光学显微镜,令其垂直于振子振动平面,以光纤冷光源照明,为了最大限度地提高测量分辨率,采集时只取振动梁部分,如图1中放大部分。当微陀螺在驱动平面内振动时,由高速摄像机采集并保存已自动编号的时间序列图像。对序列图像中每相邻的两幅图像进行相关运算,得到相邻两图像之间的位移差,将结果进行累加,可获得振子各时刻的位移。