研究發(fā)現(xiàn)采用壓電薄膜可大大提高陀螺儀的靈敏度

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀是測(cè)量旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)角速度的一種重要慣性傳感器，在制導(dǎo)、定位和運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。為了提高陀螺儀系統(tǒng)的靈敏度，近日，揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授梁峰帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)“MEMS陀螺儀的動(dòng)力學(xué)特性”進(jìn)行了深入分析，研究發(fā)現(xiàn)采用壓電薄膜可大大提高陀螺儀的靈敏度。該研究成果將為今后MEMS陀螺儀的理論研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供新的思路和技術(shù)儲(chǔ)備。相關(guān)成果發(fā)表在《國(guó)際機(jī)械科學(xué)》雜志。

近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷研究各種微陀螺儀并做了很多改進(jìn)，但是基于環(huán)形陀螺儀的性能提升大多集中在設(shè)計(jì)、加工工藝和材料改進(jìn)上。梁峰介紹說：“目前，國(guó)際上對(duì)環(huán)形陀螺儀系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)研究較少，很少有從動(dòng)力學(xué)角度考慮這種系統(tǒng)中非線性對(duì)陀螺儀靈敏度的影響。已有的部分文獻(xiàn)雖然對(duì)系統(tǒng)的控制方程進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，但是沒能從全耦合方程出發(fā)研究陀螺儀感應(yīng)方向的響應(yīng)問題?！?br />
針對(duì)陀螺儀靈敏度動(dòng)力學(xué)研究的空缺，梁峰及其科研團(tuán)隊(duì)深入研究了陀螺儀系統(tǒng)各種共振情況下的動(dòng)力學(xué)問題。他們通過能量法推導(dǎo)旋轉(zhuǎn)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的能量表達(dá)式，利用拉格朗日方法建立陀螺儀系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)方程。基于無量綱的動(dòng)力學(xué)方程，他們分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性特性分析和非線性特性分析，通過方程解析求解和數(shù)值仿真，深入探討其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問題。團(tuán)隊(duì)成員梁東東表示，“以動(dòng)力學(xué)的角度研究陀螺儀靈敏度尚且‘無人問津’，我們的研究將為提高陀螺儀的靈敏度提供全新的思路，努力填補(bǔ)研究的空白。”

據(jù)了解，團(tuán)隊(duì)提出了一種改進(jìn)的MEMS振動(dòng)環(huán)陀螺儀的設(shè)計(jì)方案，在環(huán)周面上加上一層壓電薄膜，以改善陀螺儀的剛度。他們通過數(shù)值算例發(fā)現(xiàn)，采用壓電薄膜可以大大提高陀螺儀的靈敏度。

另外，他們還研究了由于周期壓電電壓導(dǎo)致陀螺儀剛度周期變化而引起的參數(shù)振動(dòng)，利用多尺度法得到了系統(tǒng)的穩(wěn)定性區(qū)域，分析了壓電電壓對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，附加的壓電薄膜還可以通過產(chǎn)生參數(shù)共振來提高陀螺儀的靈敏度。