[논문 리뷰] A novel nonlinear amplitude-modulation gyroscope incorporating internal resonance

S. Amir Mousavi Lajimi, Navid Noori외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 07.

Geophysics and Sensor Technology참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 구동 모드(두 번째 구조 모드)와 감지 모드(기본 모드) 사이의 두 배 주기 내부 공진을 이용한 새로운 비선형 진폭 변조 기구를 제안하며, 더 넓은 대역폭과 민감도를 달성한다. 이중 H자 또는 T자 형상 설계를 통해 비선형 모드 결합을 활용함으로써, 감지 응답의 안정성과 노이즈 내성을 향상시키는 포화 현상이 발생하며, 복잡한 피드백 제어 없이도 오픈 루프 작동에서 높은 성능을 실현한다.

ABSTRACT

We are presenting the design and the preliminary numerical and experimental analyses of two mismatched Coriolis vibratory gyroscopes incorporating nonlinear modal interaction. A novel double-H design includes two clamped-clamped beams and a suspended mass in the middle connected to the base beams via four short cantilevers. Another design is a T-shaped gyro including a primary doubly-clamped beam and a secondary sense beam. A combination of analytical, finite element, and experimental analyses are employed to study the characteristics of the nonlinear gyro. The drive mode matches the structure's second mode, while the sense mode matches the fundamental mode of the structure. Our preliminary study indicates that the bandwidth and the sensitivity of the rotation rate sensor are improved by employing the nonlinear modal interaction.

연구 동기 및 목표

• 기존의 진폭 변조 코리olis 진동 기구의 민감도 제한성과 좁은 대역폭 문제를 해결하기 위해.
• 내부 공진을 통한 비선형 모드 상호작용을 활용하여 센서 성능을 향상시키기 위해.
• 구동 모드와 감지 모드 사이에 주파수를 일치시킨 2:1 내부 공진을 갖는 이중 H자 및 T자 형상 MEMS 기구를 설계하고 검증하기 위해.
• 감지 응답의 포화 현상을 통해 안정성과 노이즈 내성을 향상시키는 것을 입증하기 위해.
• 비선형 역학을 활용한 고성능, 저복잡도의 오픈 루프 기구를 위한 길을 제시하기 위해.

제안 방법

• 구동 모드가 두 번째 모드 주파수에서 작동하고 감지 모드가 기본 모드에서 작동하도록 이중 H자 및 T자 형상의 MEMS 구조를 설계하여 2:1 내부 공진을 유도하기 위해.
• 소형 T-기구의 정적, 모드, 조화 및 일시적 응답 시뮬레이션을 위해 유한요소 분석(Ansys Mechanical APDL)을 사용하기 위해.
• SOIMUMPs 공정을 이용해 프로토타입을 제작하고, SEM 영상 촬영 및 레이트 테이블에서의 거시적 테스트를 통해 검증하기 위해.
• 코리olis 및 비선형 스프링 계수를 포함한 비선형 운동 방정식을 포함한 등가질량 모델을 개발하여 시스템 동역학을 기술하기 위해.
• 직접 수치 적분과 이변수 섭동 방법을 사용하여 비선형 방정식을 풀고 포화 행동을 예측하기 위해.
• 피에조 전기 액추에이터, 레이저 변위 센서 및 MATLAB/Simulink 제어를 사용하여 거시적 T-기구에서 실험적 주파수 응답 측정을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비일치된 빔-질량 시스템에서의 내부 공진이 진폭 변조 기구의 민감도와 대역폭을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 두 번째 모드의 구동과 기본 모드의 감지 응답 간의 비선형 결합이 동적 안정성과 신호 대 노이즈 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 감지 모드의 포화 현상이 다양한 구동 진폭에서 측정 안정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 2:1 내부 공진 구성이 오픈 루프 기구에서 복잡한 피드백 제어의 필요성을 줄일 수 있는가?
• RQ5 감지 빔의 주파수 응답 곡선은 증가하는 구동 진폭에 따라 어떻게 변화하며, 이는 운영 대역폭에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• T자 형 거시적 기구는 여러 구동 진폭에서 대역폭과 감지 진폭이 유의미하게 증가했으며, 주파수 응답 곡선의 평탄한 영역이 안정된 작동을 나타내었다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 감지 모드 진폭이 임계 구동 진폭을 초과한 후 급격히 증가하여 비선형 포화 행동을 보였다.
• FFT 분석을 통해 구동 모드의 2차 고조파(구동 주파수)가 내부 공진과 코리olis 결합을 통해 감지 모드로 에너지를 전달하며, 감지 모드의 기본 주파수에서 주요 응답을 생성하는 것으로 확인되었다.
• 내부 공진 덕분에 감지 방향에서 고진폭, 넓은 대역폭 응답이 달성되어 신호 탐지 가능성 향상과 주파수 이격에 대한 민감도 감소를 실현하였다.
• 2:1 주파수 비율을 사용함으로써 감지 모드의 자연 주파수 근처의 노이즈를 걸러내어 장기적 안정성 향상과 전자적 노이즈 영향 감소를 달성하였다.
• 이중 H자 설계가 추가 질량을 통해 감지 신호를 증폭시키는데 성공했으며, 두 설계 모두 비선형 진폭 변조 기구 응용 분야에서의 실현 가능성을 입증하였다.