仪器仪表学报

作者：东泽源，尚文海，赵剑，刘蓬勃，霍慧

单位：东泽源,大连理工大学机械工程学院大连116024,,尚文海,大连理工大学机械工程学院大连116024,,赵剑,大连理工大学机械工程学院大连116024,,刘蓬勃,大连理工大学机械工程学院大连116024,pengboliu@dlut.edu.cn,霍慧,大连理工大学机械工程学院大连116024,

关键词：微陀螺;机械热噪声;电路噪声;机电一体化;信噪比

基金：国家自然科学基金项目（52575612）、国家自然科学基金项目（12302255）资助

针对微机电（MEMS）陀螺敏感结构参数与接口电路参数相互耦合、输出信噪比（SNR）难以提升的问题，提出了全解耦音叉谐振微陀螺机电一体化建模与力-电参数协同优化设计方法。建立了双质量反相驱动与差分检测的全解耦微结构力电耦合动力学模型和电容检测接口电路噪声计算模型，推导了解耦梁等效刚度与结构模态频率的解析表达式，分析了结构尺寸参数和电路阻抗参数对信号噪声的影响规律，并以结构关键梁尺寸、接口电路电容/电阻组合参数为优化变量，以提升输出信号信噪比为优化目标，采用移动渐近线算法（MMA）对微陀螺系统机电参量进行协同优化，实现信噪比由17.70dB至37.45dB的性能提升。根据优化结果设计印制电路板（PCB）对微陀螺样件进行性能参数测试与实车路跑验证，结果表明，所研制的微陀螺驱动模态频率和检测模态频率分别为8750.47和8828.63Hz，与理论计算相比误差约为2.9%；利用半带宽法计算微陀螺驱动模态和检测模态品质因子（Q值）分别为1008.1和1027.8；采用单轴转台测得微陀螺灵敏度为0.4869mV/(°/s)，信噪比为36.31dB，与理论计算相比误差约为3%；采用Allan标准差计算得到微陀螺零偏不稳定性为28.26(°)/h；在车辆转向与环岛绕行等典型动态工况下，其角速度输出与高精度参考传感器保持良好一致性，从系统应用角度验证了所提出的机电一体化协同优化设计方法的有效性。

来源：2026年第2期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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