MEMS慣性測量單元減振系統(tǒng)仿真分析

孫麗艷，張　帥，楊　亮，張承亮

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

MEMS慣性測量單元減振系統(tǒng)仿真分析

孫麗艷，張帥，楊亮，張承亮

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

MEMS慣性測量單元使用MEMS儀表作為角速度和加速度傳感器，該傳感器對振動和沖擊敏感，會引起慣性測量單元的測量誤差。MEMS慣性測量單元多用于飛機、炸彈、導(dǎo)彈等振動環(huán)境惡劣的地方，因此減振器的設(shè)計尤為重要。減振器設(shè)計首先要明確慣性測量單元所處的振動環(huán)境，其次要明確MEMS慣性測量單元敏感的頻點，最后明確慣性測量單元的質(zhì)量、安裝形式。設(shè)計了一種用于MEMS慣性測量單元的減振器，減振效率達(dá)75%，對振動和沖擊均起到衰減的作用，衰減頻帶展寬，且在峰值的放大倍數(shù)低于3.5。

MEMS慣性測量單元；振動；沖擊；減振器

0　引言

市場上小型化慣性測量組合的需求越來越大，MEMS慣性測量單元基于小型化的MEMS儀表在小型化方面有著無可替代的優(yōu)勢，然而，慣性測量單元多用于如飛機、炸彈、導(dǎo)彈等環(huán)境惡劣的場合。MEMS儀表內(nèi)部為機械結(jié)構(gòu)，對外部振動環(huán)境敏感，在振動環(huán)境下，MEMS儀表會有很大的測量誤差，由此影響到慣性測量單元的精度。減振器的設(shè)計能夠隔離外界振動環(huán)境，提高信噪比及傳感器精度。減振器設(shè)計首先需確認(rèn)慣性測量單元所處的振動環(huán)境，其次應(yīng)使減振器頻率避開MEMS儀表的采樣頻率，最終依據(jù)慣性測量單元的整體結(jié)構(gòu)形式確定減振器的安裝方式及變形量。

基于MEMS儀表的特性，多個文獻(xiàn)中對于MEMS IMU減振器頻率一般設(shè)置為大于200Hz小于300Hz［1-4］，該頻率范圍既能保證MEMS儀表在振動環(huán)境下的精度，又能保證MEMS IMU靜態(tài)標(biāo)定的精度，并且減振器設(shè)計多是按壓橡膠減振圈形式。該種形式減振器無法保證減振器位于系統(tǒng)質(zhì)心位置，起不到很好的減振效果，且裝配過程較復(fù)雜。本文提出的減振器是外減振形式，結(jié)合專用的對外安裝螺釘，由上、下兩個減振墊組成。

1　減振器設(shè)計參數(shù)

1.1外界振動環(huán)境

減振器設(shè)計首先需考慮IMU所處的振動、沖擊環(huán)境。減振器變形量的理論公式為［1］：

其中，Xs為減振器的變形量；A為外界加速度量值，單位為g；g為地球重力加速度值。外界振動量級一定時，減振器變形量越小，減振器頻率越高；減振器頻率一定時，外界g值越大，變形量越大。已知IMU所處的外界振動、沖擊環(huán)境如表1所示。

表1　IMU所處外界振動、沖擊環(huán)境量值Table 1　Exterior vibration environment

其次，減振器的阻尼比也是比較重要的參數(shù)，振動傳遞率的理論公式為［1］：

綜合以上分析可知，減振器頻率的確定需綜合考慮減振器的變形量，外界g值、減振器的衰減量及峰值的放大倍數(shù)。

1.2MEMS傳感器的參數(shù)

減振器的本征頻率的確定需確保不影響傳感器的工作頻率，需避開其測量范圍和帶寬，而且需小于1/2的傳感器的采樣頻率。該IMU選用的MEMS儀表的指標(biāo)為：

陀螺儀測量范圍：≥±300（o）/s，帶寬：≥50Hz。加速度計帶寬：≥500Hz。

1.3IMU固定方式

為提高減振效果，IMU固定方式擬采用空間三點腰部安裝的方式，減振系統(tǒng)采用外減振方式，且減振器位于系統(tǒng)質(zhì)心位置，為保證靜態(tài)標(biāo)定的精度，減振器的變形量擬控制在0.5mm以內(nèi)。

綜合考慮以上三個方面，擬確定減振器本征頻率為200Hz，減振器的變形量為0.3mm。

2　減振系統(tǒng)的設(shè)計

2.1本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本體采用三點腰部固定方式，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Sektch of noumenon

模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、模態(tài)振型。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)在某易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)測結(jié)構(gòu)在此頻段外部或內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應(yīng)。同時在振動系統(tǒng)中，系統(tǒng)的固有頻率和固有振型是分析動力學(xué)響應(yīng)和其他動力特性的基礎(chǔ)，因此，模態(tài)分析是動態(tài)設(shè)計重要方法。下面利用有限元對本體進(jìn)行模態(tài)分析，以了解本體的振動特性，所得前6階模態(tài)如圖2所示。

圖2　本體前六階模態(tài)仿真結(jié)果Fig.2　Mode simulation result

由圖2可知，本體固有頻率很高，最低固有頻率都達(dá)到了9062Hz，而IMU試驗頻率范圍為20Hz～2000Hz，不會影響IMU的正常工作，滿足使用要求。

2.2減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用外減振形式，為實現(xiàn)小型化，減振器由上、下橡膠墊和專用螺釘組合而成，其裝配關(guān)系如圖3所示。

圖3　減振器裝配示意圖Fig.3　Sketch of damping instrument

各個分結(jié)構(gòu)的尺寸可通過計算剛度、阻尼等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。綜合考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，減振器結(jié)構(gòu)各組成部分結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4　減振器各組成部分示意圖Fig.4　Sketch of damping component

安裝減振器后對系統(tǒng)振動性能進(jìn)行仿真，模型如圖5所示，施加的隨機振動條件如表1所示。振動方向沿固定螺釘軸向方向，主要關(guān)注印制板處的響應(yīng)，因此響應(yīng)監(jiān)測點如圖5所示，仿真時，三個減振器可用三方向等剛度，頻率為200Hz的彈簧模擬。

圖5　減振器力學(xué)性能仿真模型Fig.5　Simutation model of damping instrument

仿真得出該方向的響應(yīng)譜如圖6所示。從圖6中可以看出，在頻率為194Hz左右出現(xiàn)尖峰即放大點，放大倍數(shù)約為5，在頻率為247Hz左右開始衰減，總均方根加速度為2.05g，對比表1輸入條件，減振效率達(dá)70%。滿足使用要求。仿真結(jié)果表明該減振系統(tǒng)及減振器參數(shù)的設(shè)置是有效的。

3　結(jié)論

對已知的外界振動環(huán)境和總體要求的振動衰減量可以有效地確定減振器的頻率及各項參數(shù)，本文設(shè)計的MEMS慣性測量單元減振系統(tǒng)可以有效地減小外界振動環(huán)境對IMU精度的影響，減振器變形量的合理設(shè)置在保證IMU靜態(tài)標(biāo)定精度的同時又能實現(xiàn)小型化。仿真結(jié)果表明減振器滿足使用要求。

圖6　減振系統(tǒng)監(jiān)測點響應(yīng)譜仿真結(jié)果Fig.6　Simulation result of damping instrument

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Simulation of an Isolation System for MEMS Inertial Measurement Unit

SUN Li-yan，ZHANG Shuai，YANG Liang，ZHANG Cheng-liang
（Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

MEMS inertial navigation measurement unit（IMU）is composed by MEMS instruments，which used as angel and acceleration sensors，these sensors are sensitive to vibration and shock，which will result in output error of the IMU.MEMS IMU is usually used in plane、bomb and missile，whose vibration environment is terrible.As a result，the isolation system is very important.When designing an isolation system for the IMU，we must first acquire a good definition of the shock and vibration environment to which the IMU will be exposed.Then we must determine the frequencies and levels to which the MEMS sensors are sensitive.Finally，we must have knowledge of the IMU properties such as resonant frequencies，mass properties，clock frequencies，fixed format，etc.In this paper，a well designed isolation system is designed，which will be capable of protecting the MEMS sensors while maintaining IMU performance throughout all specified environments.

MEMS inertial navigation measurement units；vibration；shock；vibration isolation system

U666.1

A

1674-5558（2016）01-01049

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.007

2014-12-12

孫麗艷，女，博士，高級工程師，研究方向為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。