微機電系統（MEMS）陀螺儀是測量旋轉結構角速度的一種重要慣性傳感器，在制導、定位和運動控制等領域有廣泛應用。為了提高陀螺儀系統的靈敏度，近日，揚州大學機械工程學院副教授梁峰帶領的科研團隊對「MEMS陀螺儀的動力學特性」進行了深入分析，研究發現採用壓電薄膜可大大提高陀螺儀的靈敏度。該研究成果將為今後MEMS陀螺儀的理論研究和設計改進提供新的思路和技術儲備。相關成果發表在《國際機械科學》雜誌。
近幾年，國內外學者不斷研究各種微陀螺儀並做了很多改進，但是基於環形陀螺儀的性能提升大多集中在設計、加工工藝和材料改進上。梁峰介紹說：「目前，國際上對環形陀螺儀系統的非線性動力學研究較少，很少有從動力學角度考慮這種系統中非線性對陀螺儀靈敏度的影響。已有的部分文獻雖然對系統的控制方程進行了簡化處理，但是沒能從全耦合方程出發研究陀螺儀感應方向的響應問題。」
針對陀螺儀靈敏度動力學研究的空缺，梁峰及其科研團隊深入研究了陀螺儀系統各種共振情況下的動力學問題。他們通過能量法推導旋轉圓環結構的能量表達式，利用拉格朗日方法建立陀螺儀系統的非線性動力學方程。基於無量綱的動力學方程，他們分別對系統進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值仿真，深入探討其動力學響應問題。團隊成員梁東東表示，「以動力學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，努力填補研究的空白。」
據了解，團隊提出了一種改進的MEMS振動環陀螺儀的設計方案，在環周面上加上一層壓電薄膜，以改善陀螺儀的剛度。他們通過數值算例發現，採用壓電薄膜可以大大提高陀螺儀的靈敏度。
另外，他們還研究了由於周期壓電電壓導致陀螺儀剛度周期變化而引起的參數振動，利用多尺度法得到了系統的穩定性區域，分析了壓電電壓對系統穩定性的影響。結果表明，附加的壓電薄膜還可以通過產生參數共振來提高陀螺儀的靈敏度。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105915
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