پیشینه تحقیق ژیروسکوپ های میکرو الکترومکانیکیMEMS و طراحی کنترلر PD مد تحریک یک ژیروسکوپ MEMS برای تخمین سرعت دورانی دارای ۵۶ صفحه می باشد فایل پیشینه تحقیق به صورت ورد  word و قابل ویرایش می باشد. بلافاصله بعد از پرداخت و خرید لینک دنلود فایل نمایش داده می شود و قادر خواهید بود  آن را دانلود و دریافت نمایید . ضمناً لینک دانلود فایل همان لحظه به آدرس ایمیل ثبت شده شما ارسال می گردد.

فهرست مطالب

۱-ژیروسکوپ های میکرو الکترومکانیکی(میکرو ژیروسکوپها) MEMS    ۴
۱- ۱- مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS    ۴
۲-۱ – گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی    ۷
۳-۱- تعریف مفاهیم بایاس، ضریب تبدیل، ضریب کیفیت و پهنای باند    ۱۰
۴-۱- اصول عملکرد میکرو ژیروسکوپ ارتعاشی    ۱۱
۵-۱- ساختارهای معمول میکروجایروها    ۱۵
۶-۱- تقسیم بندی ساختاری میکروجایروها:    ۱۶
۱-۶-۱- میکروجایروی ارتعاشی نقطه‌ای (جرم متمرکز)    ۱۶
۲-۶-۱- میکروجایروی ارتعاشی دیسکی    ۱۷
۳-۶-۱- میکروجایروی موجی حلقوی    ۱۹
۴-۶-۱- میکرو جایروهای ارتعاشی شاخه‌ای    ۲۰
۱-۴-۶-۱) میکروجایرو دیاپازونی    ۲۱
۵-۶-۱- میکروجایروهای اپتیکی (نوری MOEMS1 )    ۲۳
۱-۵-۶-۱- میکروجایروهای نوری (لیزری)    ۲۳
۲-تبیین فرآیند تحریک در ژیروسکوپ های ارتعاشی    ۲۶
۱-۲- مقدمه    ۲۶
۲-۲- تحریک پارامتری    ۲۹
۳-۲- معادله ماتئو    ۳۱
۴-۲- ویژگی های خاص تحریک    ۳۳
۵-۲- اصول مربوط به فرآیند تحریک    ۳۴
۶-۲- اصول مربوط به تحریک در ژیروسکوپ دیاپازونی    ۳۴
۷-۲- طراحی و تفهیم مدار تحریک حلقه بسته    ۳۶
۸-۲- سنسورها و مکانیزم های تحریک    ۴۰
۹-۲- مدل دینامیکی ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS انتخابی    ۴۴
۳-طراحی کنترلر PD مد تحریک یک ژیروسکوپ MEMS برای تخمین سرعت دورانی    ۴۸
۱-۳- مقدمه    ۴۸
۲-۳- کنترلر PID    ۴۸
۳-۳- طراحی کنترلرPD برای کنترل موقعیت دو محوره یک ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS    ۵۰
۴-۳- تخمین پارامتر ها به روش حداقل مربعات بازگشتی    ۵۱
۵- ۳-  قضیه تحریک پایا[۲۷](صفحات ۱۷۷ تا ۱۸۰)    ۵۴
مراجع    ۵۵

مراجع

[۱]Yazdi, N., Ayazi, F., and Najafi, K. “Micro machined inertial sensors”, Proceedings of IEEE, Vol. 86, No. 8. 1998. pp 1640-1659.

[۲]Lefevre, H. “The Fiber Optic Gyroscope”. Norwood, MA: Artech House. 1993.

[۳] Lawrence, A. “Modern Inertial Technology”, Navigation, Guidance, and Control.New York: Springer Verlag. 1993.

[۴]Greiff, P., Boxenhorn, B., King, T. and Niles, L., “Silicon monolithicmicromechanical gyroscope”, Transducers 91 Technical Digest, 1991 InternationalConference on Solid State Sensors and Actuators. June 24. 1991. pp 966-968.

[۵]Weinberg, M., Bernstein, J., Cho, S., King, A. T.,Kourepenis, A., Ward, P., and Sohn, J., “A micro machined comb-drive tuning fork gyroscope for commercial applications”, Proc. Sensor Expo, Cleveland, OH. 1994. pp 187-193.

[۶]Titterton, D.H. and Weston, J.L. “Strapdown inertial navigation technology”, secondedition The American institute of aeronautics and astronautics, 2004

[۷]Boxenhorn, B. “A vibratory micromechanical gyroscope”, AIAA Guidance andControl Conference, Minneapolis, MN. Aug. 15-17. 1988. pp 10-33.

[۸] Bernstein, J., Cho, S., King, A.T., Kourepenis, A., Maciel, P., and Weinberg, M. “Amicro machined comb-drive tuning fork rate gyroscope.” in Proc. IEEE MicroElectro Mechanical Systems Workshop (MEMS’۹۳), Fort Lauderdale, FL. Feb.1993. pp 143-148.

[۹]Nayfeh,A. H. and Mook, D. T., “Nonlinear Oscillations”, Wiley-Interscience. NewYork. 1979.

[۱۰]Evan-Ivanowski , R.M. “ Resonance oscillations in Mechanical systems”, Elsevier Scientific Publishing Company. Oxford, New York.1976.

[۱۱]Butikov,E.I., “Parametric Resonance in a Linear Oscillator at Square wave modulation”, Institute of Physic Publishing, Eur. J. Phys. 26. 2005,pp 157-174.

[۱۲] Park, S., Horowitz, R. “New Adaptive Mode of Operation for MEMS Gyroscopes”, Transactions of the ASME 126, 800–۸۱۰,۲۰۰۴٫

[۱۳]Chao, W.G., Yan, S., Rong, W.S.“Research on Self-Excited Driving of the Silicon Micromachined Vibratory Gyroscope Driver”, Chinese Journal of Sensors and Actuators 19,364–۳۶۶٫ ۲۰۰۶٫

[۱۴]Leland, R.P., Lipkin,Y., and Highsmith,A., “ADAPTIVE OSCILLATOR CONTROL FOR A VIBRATIONAL GYROSCOPE,”in Proc. ACC, vol. 4, Denver, CO, June 4-6 2003,pp. 3347–۳۳۵۲٫

[۱۵]Seshia,A.A., “INTEGRATED MICROMECHANICAL RESONANT SENSORS FOR INERTIAL MEASUREMENT SYSTEMS,”Ph.D. dissertation, Univ. of California, Berkeley,2002.

[۱۶] Robert, P.L.“Adaptive Control of a MEMS Gyroscope Using Lyapunov Methods” IEEE Transactions on Control Systems Technology 14, 278–۲۸۳ (۲۰۰۶).

۱-ژیروسکوپ های میکرو الکترومکانیکی(میکرو ژیروسکوپها) MEMS

۱- ۱- مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS

میکروژیروسکوپها، ژیروسکوپ های بسیار کوچک یک و یا دو محوره هستند که با تکنولوژی نیمه هادی ها و مدارات مجتمع ساخته می شوند. از لحاظ ساختاری شامل تراشه هائی هستند با زیر لایه کوارتزی با ابعاد از چند میلیمتر مربع تا میکرون، که به روش فتولیتوگرافی و روش های مشابه آن به صورت سازه های ارتعاشی صفحه ای تهیه می شوند.

به دلیل عدم امکان استفاده از ساختارهای یاتاقانی و موتورهای محرک از نوع ژیروسکوپ های کلاسیک (به خاطر ابعاد و اندازه های کوچک)، در ژیروسکوپ های MEMS از ساختارهای ارتعاشی با تکیه گاههای الاستیک یک سرگیردار یا دو سرگیردار استفاده می گردد. وجه مشترک این نوع ژیروسکوپ ها با اسلاف خود، استفاده از اندازه حرکت المان حساس(proof mass) و نیروی کوریولیس برای آشکار سازی سرعت زاویه ای پایه حامل ژیروسکوپ می باشد. در سالهای اخیر توجه بسیاری به میکروژیروسکوپها معطوف شده و کارهای علمی و فنی فراوانی توسط محققین در این زمینه انجام پذیرفته است و اصولا زمینه ژیروسکوپ های MEMS زمینه علمی جوانی محسوب می شود. آنچه که توجه گسترده ای را به ژیروسکوپ های MEMS جلب کرده نه تنها رسیدن به دقت بهتر و کاربردهای هوا- فضایی آن،  بلکه قیمت فوق العاده پائین آنها و درجه بعدی ابعاد و اندازه های کوچک آنها می باشد. همین پایین بودن قیمت است که زمینه های کاربرد جدید بسیاری برای میکروژیروسکوپها مهیا کرده که از جمله آنها می توان به کاربرد آن در صنایع خودروسازی و کنترل خودرو، روباتیک، کنترل دوربین های فیلم برداری و دوربین های دو چشمی، تلسکوپ ها و دسته های بازی های کامپیوتری و حتی اسباب بازی ها اشاره کرد.

بعضی مزایای مهم ژیروسکوپهای MEMS که باعث شده محققین در زمینه های موشکی و هوا- فضایی به دنبال عملیاتی کردن این ژیروسکوپها در زمینه کاری خود باشند عبارتند از :

۱- دارای زمان کوتاه راه اندازی هستند.

۲- بدلیل نداشتن محور گردنده نیاز به یاتاقان ندارند.

۳- نیاز به موتور ندارند.

۴- در صورت طراحی موثر طول عمر بسیار طولانی داشته و به نگهداری وتعمیرات نیاز ندارند.

۵- بسیار کوچکتر و سبکتر از ژیروسکوپها ی سنتی می باشند.

۶- ارزان بودن از مزایای بسیار مهم این ژیروسکوپهاست.

۷- پروسه ساخت راحت تری دارند.

۸- مصرف انرژی بسیار کمی دارند.

همانطور که اشاره شد، ژیروسکوپ های MEMS داری مزایای متعددی از جمله هزینه پائین، اندازه کوچک و وزن ناچیز در مقایسه با ژیروسکوپ های میکروماشینی رایج هستند. بعضی از اشکالات ژیروسکوپ MEMS شامل دقت پایین به علت دامنه ارتعاش خیلی کوچک، پهنای باند باریک و مسائل ساخت چالش های باقیمانده ای هستند که می بایست بر طرف گردد. یزدی، ایاذی و نجفی [۱]جزء اولین محققانی بودند که تحقیقاتی را در مورد ژیروسکوپ های ارتعاشی میکرو ماشینی ارائه داده اند.

ژیروسکوپ از نظر ساختمان به دو دسته یک درجه آزادی و دو درجه آزادی تقسیم می شود که منظور از درجه آزادی قابلیت اندازه گیری سرعت زاویه ای یا زاویه حول یک محور می باشد. اکثر ژیروسکوپ های MEMS یک درجه و از نوع سرعتی ( Rate ) هستند، ولی انواع دو محوره نیز وجود دارند، که دارای دو محور اندازه گیری هستند.

ژیروسکوپ عضو اصلی سیستم های هدایت اینرسی است ، وعمدتا برای اندازه گیری مقدار دوران، سرعت دوران و ایجاد محورهای مختصات مرجع در وسایل نقلیه هوایی، فضایی، دریایی و زمینی مورد استفاده قرار می گیرد. محور مطالعه در بسیاری ازگروه های تحقیقاتی(که روی مکانیزم های پرنده کار می کنند)

مکانیزم هایی با ابعاد یک تا پنج سانتی متر است. بنابراین مشکلی که طراحان با آن مواجه اند پایداری پرواز است. وسایل پرنده بزرگ (نظیر هواپیما) به طور آیرودینامیکی پایدارند و به علت حجم زیاد امکان بهره مندی از سیستم های تعیین موقعیت را دارند، اما زمانی که مکانیزم پرنده کوچک و نیازمند توقف درفضا باشد (مشابه پرواز بالگرد، ولی در ابعاد بسیار کوچکتر) خاصیت مذکور کارایی خود را از دست می دهد. در طبیعت، حشرات الگوی واقعی این مکانیزم هستند. این موجودات که باتوجه به جثه، چالاکی ،سرعت و مصرف انرژی عملکرد موثری از خود نشان می دهند، از اصولی بهره می برند که با اکثر ساخته های دست بشر تفاوت اساسی دارد. آنها دوران بدنشان را در فضا بوسیله ارگان های مخصوصی موسوم به هالتر حس می کنند. این ارگان یک جفت زائده صلب است که در دو طرف بدن حشره با فرکانسی درحدود ۱۳۰Hz در فاز مقابل بال ها ارتعاش می کند. هنگام دوران در فضا، یک نیروی کوریولیس تناوبی به نوک هالترها اعمال می شود که حشره آنرا حس می کند. مکانیزم مذکور، الگوی طبیعی ژیروسکوپ های ارتعاشی است. این نوع ژیروسکوپ ها ابزار اندازه گیری سرعت زاویه ای هستند که اساس عملکردشان (مشابه ژیروسکوپ های مکانیکی با جرم دوار) اصل کوریولیس است. اما تفاوت اصلی در آن است که به جای جرم دوار (اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای) از اندازه حرکت یک جسم الاستیک مرتعش (اصل بقای اندازه حرکت خطی) استفاده می شود. ماهیت عملکرد این دسته از ژیروسکوپ ها، ویژگی منحصر به فردی را ممکن می سازد. به عنوان مثال به علت نداشتن قطعه متحرک بی نیاز از موتور و یاتاقانند و بنابراین نسبت به اکثر متغیرهای تاثیرگذار محیطی غیر حساس و دارای کارکرد طولانی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستند. از امتیازات دیگر، می توان به زمان کوتاه پاسخگویی (کمتر از یک ثانیه)، دریفت و نویز کم ( ۰٫۱^o/h ) دقت و حساسیت عالی، مصرف ناچیز انرژی ( ۳Watt>) و کاهش فوق العاده حجم با استفاده از فن آوری میکروماشین کاری اشاره کرد.

بنابراین در مقایسه با ژیروسکوپ های مکانیکی و نوری (که گران و حجیم هستند) بسیار ارزان ترند و  حجم  بسیار کمی را  اشغال می کنند. تلاش  اولیه در طراحی این  نوع  ژیروسکوپ در مواردی  نظیر پایداری و هدایت موشک ها و مهمات هوشمند از صنایع نظامی آغاز شد، اما اخیرا در صنایع غیر نظامی نظیر اتومبیل سازی (سیستم ترمز پیشرفته برای جلوگیری از لغزیدن خودرو) و دوربین های دستی (برای پایداری تصویر) و صنعت روباتیک کاربرد پیدا کرده است. در مجموع هر چه تکنولوژی پیشرفت کند امکان ساخت ژیروسکوپ های ارتعاش کوچک تر، ارزانتر و دقیقتر فراهم می شود و استفاده ازآنها گسترش بیشتری می یابد. فصل اول همراه با مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS، سیر تاریخی و تکامل این نوع ژیروسکوپ و کاربرد های مختلف آن را  ارائه می کند و سپس مبانی عملکرد و رفتار رزوناتورهای مختلف را مورد بررسی قرار می دهد. دراین فصل نشان داده خواهد شدکه اصول عملکرد ژیروسکوپ های ارتعاشی با انواع رزوناتورها ، مبتنی براثرکوریولیس است.

۲-۱ – گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی

در سال ۱۸۵۱ فوکو با استفاده از پاندول نوسانی دوران زمین را نشان داد. پاندول فوکو را می توان نمونه اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی دانست. در سال ۱۹۶۴ کوئیک تحلیلی از تار مرتعش بعنوان یک سنسور حرکت زاویه ای را ارائه کرد. ثابت بودن یک سر تار و حرکت طولی طرف دیگر باعث تحریک در مود اول ارتعاش می شد. کوئیک بیان می دارد که اگر تکیه گاه  حول محور تار شروع به دوران کند، صفحه ارتعاش ثابت خواهد ماند. او در مقاله اش به بررسی شرایط پایداری، اثر نواقص، عدم تقارن میرایی و الاستیک پرداخته، اما هیچ گونه توضیح عملی یا نتایج آزمایشگاهی ارائه نداده است. این طرح نیز همانند پاندول فوکو، یک سنسور تعیین زاویه دوران بود. در اوایل دهه ۱۹۸۰، اولین نمونه ژیروسکوپ های ارتعاشی (سنسورهای تعین سرعت زاویه ای) ساخته شد. در این نمونه از ماده پیزوالکتریک کوارتز  استفاده شد که دارای  بازده و ضریب کیفیت  بالا در  فشار اتمسفر بود. در سال

۱۹۹۱، شرکت ژاپنی موراتا دو طرح بسیار کم هزینه ارائه داد. در یک طرح از تیر فولادی با مقطع مثلثی استفاده کرد که بوسیله المان های پیزوالکتریک متصل به سطوح تیر، تحریک شده و حس می گردید. رزوناتور دوم، یک تیر چهارگوش پیزوالکتریک بود. در هر دو طرح، رزوناتورها در مود اول ارتعاشی یک تیر دوسر آزاد ارتعاش می کردند که تکیه گاه  ها روی نقاط گرهی قرارگرفته بودند. طرح های ژیروسکوپی مبتنی بر رزوناتورهای تار، تیر مرتعش و پاندولی نسبت به شتاب های خطی حساس هستند. در صورتی که از یک رزوناتور متقارن مثل دیازپازون (که شاخک های آن دارای ارتعاش برابر اما مختلف الجهت هستند) استفاده شود، عیب مذکور مرتفع می گردد. طرح اول دیاپازون مرتعش بوسیله هانت و هابس ارائه شد. در این طرح، نیروهای کوریولیس ناشی از دوران شاخک های مرتعش حول محور طولی دیازپازون، باعث نوسان پیچشی پایه می شود که دامنه آن باسرعت زاویه ای اعمال شده ،متناسب است. طرح مذکور پر هزینه و حجیم بود و شاید دلیل اصلی بی نتیجه ماندن طرح های اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی را بتوان همین موضوع عنوان کرد، که با استفاده از فرآیندهای میکروماشین کاری و کوچک شدن ابعاد آنها، این نقیصه برطرف گردید. گام اصلی در این زمینه را شرکت سیسترون دانر برداشت. در طرح این شرکت از یک دیاپازون چهارشاخه استفاده شد که از یک جنس ماده پیزوالکتریک ( کوارتز تک کریستال) بود. دو شاخه اول حرکت نوسانی مختلف الجهت داشته که تحت تاثیر دوران، نیروی کوریولیس باعث تولید اندازه حرکت پیچشی در پایه دیاپازون می شد. در نتیجه، دو شاخه دیگر دیاپازون مطابق پیچش پایه و متناسب با سرعت زاویه ای اعمال شده اما با فرکانس طبیعی متفاوت، خارج از صفحه ارتعاش می کرد. در همین سال، شرکت دراپر دیاپازونی مرتعش از جنس سیلیکون – شیشه ارائه داد که بصورت الکترواستاتیکی تا دامنه حرکت ۱۰μm تحریک می شد.

همچنین نمونه هایی با دامنه ارتعاش زیاد و مکانیزم تحریک الکترومغناطیسی ارائه شده است. درصنعت اتومبیل سازی ،شرکت دایملر – بنز با استفاده ازسیستم تحریک پیزوالکتریک که از قرار دادن یک لایه

نازک نیترید آلومینیوم  روی شاخک ها حاصل می شد، تنش برشی ناشی از دوران پایه  دیازپازون  را

بصورت پیزوالکتریک به عنوان خروجی اندازه گرفت. نمونه ای از رزوناتورهای دیاپازونی نیز بوسیله سودرکویست ارائه شد،که از یک دیاپازون دوشاخه بدون استفاده از پایه پیچشی بهره می برد. استفاده

از رزوناتورهای پوسته ای نیز گسترش چشمگیری یافته است. تحلیل ارتعاش و اثر دوران روی این دسته از رزوناتورها (استوانه ای و ناقوسی شکل) که در سال ۱۸۹۰ توسط برایان انجام  شد، دردهه ۱۹۶۰ مبنای  کار شرکت جنرال موتور برای طراحی موفق یک ژیروسکوپ ارتعاشی با رزوناتور نیم کره ای قرار گرفت. رزوناتور نیم کره ای این رزوناتور، از کوارتز هم جوش ساخته شده بود، که بطور الکترواستاتیکی تحریک و حس می گردید. تعداد زیادی اختراع نیز بر این اساس به ثبت رسیده است. فن آوری HRG (ژیوسکوپ بارزوناتور های نیم کره ای) همراه با هزینه و حجم کم و بازده بالا، امکان رقابت با ژیروسکوپ های دقیق نوری را فراهم کرد. ژیروسکوپ ارتعاشی سیلندری، رزوناتور دیگری است که از ایده برایان ناشی شده است. دراین نوع، از یک استوانه نازک فولادی یک سر گیر دار، با المانهای مجزای پیزوالکتریک به منظور حس و تحریک استفاده شده است. کاربرد اولیه این طرح در موشک ها و بمب های هوشمند بود که توانایی این سنسور را در تست های شوک تا g25000 را به اثبات رساند.

تمامی فایل های پیشینه تحقیق و پرسشنامه و مقالات مربوطه به صورت فایل دنلودی می باشند و شما به محض پرداخت آنلاین مبلغ همان لحظه قادر به دریافت فایل خواهید بود. این عملیات کاملاً خودکار بوده و توسط سیستم انجام می پذیرد. جهت پرداخت مبلغ شما به درگاه پرداخت یکی از بانک ها منتقل خواهید شد، برای پرداخت آنلاین از درگاه بانک این بانک ها، حتماً نیاز نیست که شما شماره کارت همان بانک را داشته باشید و بلکه شما میتوانید از طریق همه کارت های عضو شبکه بانکی، مبلغ  را پرداخت نمایید.