一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法
【專利摘要】本發(fā)明一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法，陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)一路經(jīng)移相器后成一路解調(diào)參考信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行第二次相敏解調(diào)后，經(jīng)低通濾波作為最終的輸出信號(hào)輸出，另一路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)與相同的移相器和90°移相器后，變成與第一路解調(diào)參考信號(hào)正交的解調(diào)參考信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行第二次相敏解調(diào)后，再經(jīng)低通濾波作為微分電路的輸入信號(hào)Vout7；微分電路輸出作為移相器的控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)為零時(shí)，移相器停止工作且其移相值不變；當(dāng)控制信號(hào)不為零時(shí)，移相器將繼續(xù)工作直到微分電路的輸出為零為止；本發(fā)明能有效減小靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀在檢測(cè)角速度時(shí)由于工藝誤差而引起的正交誤差，大大提高其測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法，能在很大程度上消除正交誤差對(duì)有用角速度的影響，使陀螺儀的測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，微機(jī)械陀螺儀正交誤差的抑制方法存在諸多不足。陀螺是一種即使無(wú)外界參考信號(hào)也能探測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體自身姿態(tài)和狀態(tài)變化的傳感器，其功能是感知運(yùn)動(dòng)體的角速度。90年代初期，隨著微機(jī)械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的第三代微機(jī)械陀螺儀誕生了，該陀螺儀具有體積小、重量輕、帶寬大、功耗低、抗沖擊強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用領(lǐng)域。
[0003]微機(jī)械陀螺儀的敏感結(jié)構(gòu)米用娃或者表面娃工藝加工制作而成，由于尺寸極其微小，通常為微米量級(jí)，在現(xiàn)有的工藝條件下，很難控制加工精度。因此，敏感結(jié)構(gòu)在制造過(guò)程中存在著工藝誤差。這些誤差將直接影響硅微機(jī)械陀螺儀零點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性、標(biāo)度因子的非線性度、工作帶寬等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。這也制約了微機(jī)械陀螺在宇航、精確制導(dǎo)、精密儀器、深海探測(cè)等需要精確測(cè)量角速度信號(hào)領(lǐng)域的應(yīng)用。敏感結(jié)構(gòu)的各種工藝誤差，會(huì)在微機(jī)械陀螺儀提取角速度信號(hào)的處理過(guò)程中轉(zhuǎn)變成兩種誤差信號(hào)，即正交誤差和同相誤差。
[0004]微機(jī)械陀螺儀的正交誤差和同相誤差是角速度信號(hào)提取過(guò)程中的兩種主要干擾信號(hào)，它們來(lái)源于微機(jī)械陀螺敏感結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程，是制約微機(jī)械陀螺整體性能的主要因素。在信號(hào)處理過(guò)程中減小或消除這兩種誤差信號(hào)不受加工工藝的制約，通用性強(qiáng)，是一種非常有效的技術(shù)方法。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面的研究取得了一定的成果，但是也存在著不少缺憾，主要表現(xiàn)在:
[0005]1、利用同步解調(diào)技術(shù)消除正交誤差時(shí)，實(shí)際信號(hào)在處理過(guò)程中必然會(huì)因傳輸延時(shí)而產(chǎn)生相位誤差，因此要求參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)相位完全相等非常難實(shí)現(xiàn)，這也導(dǎo)致了在實(shí)際應(yīng)用中，正交誤差信號(hào)并不能被同步解調(diào)方法完全消除。
[0006]2、若采用靜電力反饋形成閉環(huán)系統(tǒng)以抑制正交誤差，由于正交誤差的提取是建立在參考信號(hào)與待解調(diào)信號(hào)的相位正好相差90°的情況下，而要滿足這個(gè)條件十分困難，如何提取純凈的正交誤差信號(hào)或者盡可能地消除相位誤差是技術(shù)難點(diǎn)，目前還沒(méi)有相應(yīng)的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀在信號(hào)處理時(shí)消除或有效抑制正交誤差的方法，作為微機(jī)械陀螺角速度信號(hào)提取方法的有益補(bǔ)充，指導(dǎo)接口電路設(shè)計(jì)，能夠在完成角速度信號(hào)提取的同時(shí)，補(bǔ)償正交誤差信號(hào)對(duì)有用Coriolis加速度信號(hào)的影響，從而改善微機(jī)械陀螺零點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性、標(biāo)度因子的非線性度、工作帶寬等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，大幅度地提高硅微機(jī)械陀螺儀的整體性能，達(dá)到利用信號(hào)處理過(guò)程補(bǔ)償工藝誤差的目的。
[0008]本發(fā)明一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法，具體包括如下步驟:
[0009]步驟1、角速度提取電路利用由積分器構(gòu)成的電荷放大器，將電容式微機(jī)械陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)電容的變化值轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)濾波放大后經(jīng)第一次相敏解調(diào)得到與檢測(cè)電容的變化量成正比的電壓信號(hào)，再經(jīng)低通濾波與放大后獲得輸入信號(hào)Vin ⑴;
[0010]步驟2、陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)一路經(jīng)移相器后直接變成第一路解調(diào)參考信號(hào)VMf3 (t)，對(duì)輸入信號(hào)Vin(t)進(jìn)行第二次相敏解調(diào)后，再經(jīng)低通濾波作為最終的輸出信號(hào)Vwt8輸出；
[0011]步驟3、陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)另一路經(jīng)與步驟2相同的移相器和一個(gè)90 °移相器后，變成與第一路解調(diào)參考信號(hào)vref3(t)正交的解調(diào)參考信號(hào)Vref4⑴，對(duì)輸入信號(hào)vin(t)進(jìn)行第二次相敏解調(diào)后，再經(jīng)低通濾波輸出至微分電路，作為微分電路的輸入信號(hào)Vwt7 ；
[0012]步驟4、微分電路輸出作為所述移相器的控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)為零時(shí)，移相器停止工作且其移相值不變；當(dāng)控制信號(hào)不為零時(shí)，所述移相器將繼續(xù)工作直到微分電路的輸出為零時(shí)為止，即由微分電路和移相器構(gòu)成的反饋系統(tǒng)穩(wěn)定于Λ φ = 0，該Λ φ為信號(hào)處理過(guò)程引入的相位誤差，只有當(dāng)相位誤差Λ φ = O時(shí)，輸出信號(hào)Vrat8中的正交誤差由于相位誤差Δ φ = O而被消除。
[0013]采用本發(fā)明一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法，能有效減小靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀在檢測(cè)角速度時(shí)由于工藝誤差而引起的正交誤差。根據(jù)理論分析當(dāng)相位誤差為零時(shí)，若第二次相敏解調(diào)的參考信號(hào)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，則解調(diào)后的信號(hào)將不包括正交誤差信號(hào)；若第二次相敏解調(diào)的參考信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)正交，則解調(diào)后的信號(hào)將含有純凈的正交誤差信號(hào)而不包含角速度及同相誤差信號(hào)。本發(fā)明根據(jù)以上情況設(shè)計(jì)出相應(yīng)的抑制正交誤差的信號(hào)處理方法，能有效減小其對(duì)有用角速度的影響，大大提高靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀的測(cè)量精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明抑制正交誤差的(相位誤差為O)原理圖；
[0015]圖2是本發(fā)明微機(jī)械陀螺儀角速度信號(hào)的提取原理圖。
[0016]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如圖2所示，由微機(jī)械陀螺儀的工作原理可知，要得到輸入角速度信號(hào)的數(shù)值，必須測(cè)出敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)電容的變化量。然而，檢測(cè)電容的變化量極其微弱，通常都淹沒(méi)在低頻的ι/f噪聲里，為了抑制ι/f噪聲，角速度提取電路采用高頻載波調(diào)制的方法，利用由積分器構(gòu)成的電荷放大器，將檢測(cè)電容的變化值轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)兩次相敏解調(diào)過(guò)程，第一次相敏解調(diào)得到與檢測(cè)電容的變化量成正比的電壓信號(hào)；第二次解調(diào)得到與輸入角速度信號(hào)成正比的電壓信號(hào)。
[0018](I)在不存在相位誤差的前提下考慮正交誤差及同相誤差時(shí)的輸出信號(hào)分析:
[0019]如圖1所示，第一次相敏解調(diào)后，得到的電壓信號(hào)Vin(t)與檢測(cè)電容的變化量成正t匕，理想情況下，該電壓信號(hào)Vin(t)中只包含角速度信號(hào)；若存在正交誤差及同相誤差時(shí)，該Vin(t)則是角速度/[目號(hào)、正交誤差及同相誤差二者之和，可表不如下:
[0020]Vin (t) =Vcor.Ω.cos (ω t+ Φ) +Vin_p.cos (ω t+ Φ) +Vquc.sin (ω t+ Φ) (I)
[0021]其中，V.表不Coriolis加速度信號(hào)的幅度；Vin_p表不同相誤差的幅度；Vque表不正交誤差的幅度；Ω表不輸入的角速度信號(hào)；ω表不微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)的角頻率；Φ表示驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位。從式(I)中可以看出同相誤差與Coriolis加速度信號(hào)頻率及相位都相等，而正交誤差與Coriolis加速度信號(hào)頻率相等，相位相差90°。
[0022]若不存在相位誤差，則第二次相敏解調(diào)的參考信號(hào)Vref (t)就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它與Vin (t)進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算如下:
【權(quán)利要求】
1.一種靜電驅(qū)動(dòng)電容式微機(jī)械陀螺儀有效抑制正交誤差的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1、角速度提取電路利用由積分器構(gòu)成的電荷放大器，將電容式微機(jī)械陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)電容的變化值轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，將該電壓信號(hào)濾波放大后經(jīng)第一次相敏解調(diào)得到與檢測(cè)電容的變化量成正比的電壓信號(hào)，再經(jīng)低通濾波與放大后獲得輸入信號(hào)Vin(t)；步驟2、陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)一路經(jīng)移相器后直接變成第一路解調(diào)參考信號(hào)VMf3(t)，對(duì)輸入信號(hào)Vin(t)進(jìn)行第二次相敏解調(diào)后，再經(jīng)低通濾波作為最終的輸出信號(hào)Vwt8輸出； 步驟3、陀螺儀驅(qū)動(dòng)信號(hào)另一路經(jīng)與步驟2相同的移相器和一個(gè)90°移相器后，變成與第一路解調(diào)參考信號(hào)Ut)正交的解調(diào)參考信號(hào)VMf4 (t)，對(duì)輸入信號(hào)Vin⑴進(jìn)行第二次相敏解調(diào)后，再經(jīng)低通濾波輸出至微分電路，作為微分電路的輸入信號(hào)Vwt7 ； 步驟4、微分電路輸出作為所述移相器的控制信號(hào)，當(dāng)控制信號(hào)為零時(shí)，移相器停止工作且其移相值不變；當(dāng)控制信號(hào)不為零時(shí)，所述移相器將繼續(xù)工作直到微分電路的輸出為零時(shí)為止，即由微分電路和移相器構(gòu)成的反饋系統(tǒng)穩(wěn)定于Λ φ = 0，該Λ φ為信號(hào)處理過(guò)程引入的相位誤差，只有當(dāng)相位誤差Λ φ = O時(shí)，輸出信號(hào)Vtjut8中的正交誤差由于相位誤差Δ φ = O而被消除。
【文檔編號(hào)】G01C19/5628GK103983260SQ201410187593
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】莫冰, 鄭琦, 凌朝東, 蔡鈞, 鄧淼文 申請(qǐng)人:華僑大學(xué), 福州曲直電子科技有限公司