تحليل حساسيت ديفرانسيلي ميكروژيروسكوپ ارتعاشي سه درجه آزادي

Differential sensitivity analysis of a 3-DOF vibratory rate micro gyroscope

در اين مقاله رفتار ميكروژيروسكوپ ارتعاشي سه درجه آزادي، كه دو درجه آزادي در راستاي حسگر و يك درجه آزادي در راستاي تحريك دارد، پس از بررسي مدل كامل سيستم شامل بخش­ هاي مكانيكي و الكتريكي، با استفاده از روش تحليل حساسيت گرافيكي و ديفرانسيلي مطالعه و تحليل شده است. براي اين منظور نخست معادلات حاكم بر عملكرد ميكروژيروسكوپ استخراج شده است. در شبيه‌سازي­ ها، بازة فركانسي عملكرد حسگر بررسي و تغييرات ولتاژ خروجي حسگر نسبت به تغيير پارامتر­هاي بخش­ هاي مكانيكي و الكتريكي سيستم تحليل حساسيت شده است. طبق دسته‌بندي نتايج تحليل حساسيت، پارامتر­هاي حساس شامل جرم ثانويه m2، ضريب گذردهي، طول و عرض ساختار، و مؤلفه ­هاي ولتاژ مستقيم و متناوب ولتاژ تحريك اعمالي مي‌باشد. سيستم داراي حساسيت نسبتاً كمتر نسبت به پارامترهاي فاصلة اوليه صفحات خازن و ضريب سختي بوده و نسبت به تغييرات جرم اوليه m1، جرم ساختار دكوپله‌كنندة mf و مدول يانگ غيرحساس است. نمودار تغييرات ولتاژ خروجي نسبت به پارامترهاي جرم m2، ضريب سختي و فاصلة اوليه بين الكترودهاي خازني كاملاً غيرخطي است و در برخي نواحي شيب بسيار تندي دارد كه مي‌توان با طراحي اين متغير­ها در ناحية مناسب، تغييرات خروجي را به‌ نحو مطلوبي كنترل كرد.

In this paper, a capacitive 3-DOF vibratory rate micro gyroscope with 2-DOF oscillator in the sense mode and 1-DOF in the drive mode was studied. A complete model of the micro gyroscope, including mechanical and electrical parts was utilized. Based on the graphical and differential sensitivity analyses methods, variations of the system parameters were analyzed. In the first step, governing equations of the micro gyroscope were derived. In order to simulate the sensor operation, working frequency has been determined and then, output voltage of the sensor versus changes in mechanical and electrical elements is studied. According to the sensitivity analysis results, secondary mass (m2), permittivity, length and width of the electrostatic capacitors, also DC and AC components of the actuation voltage have been clustered as the most sensitive parameters. Initial gap of the electrostatic capacitors and stiffness are fairly sensitive. Primary mass (m1), mass of the decoupling frame (mf), and young module are considered as non-sensitive parameters. Variations of the output voltage based on secondary mass (m2), stiffness and initial gap are completely non-linear and in some areas have severe slopes. Wise choices in selecting appropriate values for these parameters will lead to the better performance and more output voltage of the sensor.