陀螺仪自校准和陀螺仪质量块摆幅测量装置、方法与流程

本发明属于智能传感器的技术领域，更具体地涉及一种陀螺仪自校准和陀螺仪质量块摆幅测量装置、方法。

背景技术：

陀螺仪是一种能够测量载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。陀螺仪已有100多年的发展史，其发展过程大致可分为四个阶段：第一个阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二个阶段是40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三个阶段是60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺(70年代)、光纤陀螺(80年代)和微陀螺仪(90年代)。研究人员从20世纪80年代起就开始开发硅微型机械陀螺仪，它的发展是伴随着硅微机械加工技术的发展而发展起来的，微机械加工技术的产生和发展是基于ic工艺的。

传统的机械陀螺仪由于体积大、成本高、不适合批量生产等因素制约了其在很多方面的应用。mems陀螺仪具有光、机、电一体化、体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。微机械陀螺仪按振动结构可分为旋转振动结构陀螺仪和线振动结构陀螺仪；按材料可以分为硅材料陀螺仪和非硅材料陀螺仪；按驱动方式可以分为压电式驱动陀螺仪、静电式驱动陀螺仪和电磁式驱动陀螺仪；按工作模式可以分为速率陀螺和速率积分陀螺；按检测方式可以分为压电性检测陀螺仪、电容性检测陀螺仪、光学检测陀螺仪、压阻型检测陀螺仪和隧道效应检测陀螺仪；按加工方式分为体硅机械加工陀螺仪、表面微机械加工陀螺仪和liga技术陀螺仪。

传统陀螺仪的标定校准需要高精度转台以及其他外部设备做支撑，操作相对复杂，成本较高；再者陀螺仪只在出厂时进行一次出厂标定校准，但在运行过程中环境因素、器件老化、温度变化等都会引起陀螺仪系统参数的改变，从而影响陀螺仪的测量精度，很显然传统的标定校准不能消除这些因素对陀螺仪精度的影响；此外传统质量块摆幅测量是利用电容检测模块输出的电流信号中主瓣峰值的大小来测量质量块的摆幅，由于电流信号峰值的大小与跨阻放大器增益、电容、电阻、电压摆幅以及频率等电学参量有关，因此测量的摆幅并不精确。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种陀螺仪自校准装置及方法、以及陀螺仪质量块摆幅测量装置及方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种陀螺仪自校准装置，包括：

信号发生器，用于产生调制信号，该调制信号包括：

驱动信号，用于驱动陀螺仪谐振运动；

电激励信号，用于激励陀螺仪中的质量块产生摆幅；

检测及分析电路，用于检测摆幅得到摆幅信号，将摆幅信号转换为电压信号，并分析得到电压信号中的边频带比值；

其中，陀螺仪基于电激励信号的角速度与电压信号中的边频带比值之间存在的非线性关系，得到校准的外界环境的旋转角速度。

在本发明的一些实施例中，上述检测及分析电路包括：

检测电容，用于检测摆幅得到摆幅信号，输出与摆幅信号相关的电流信号；

跨阻放大器，用于将与摆幅信号相关的电流信号转换为电压信号；

频谱分析仪，用于分析得到电压信号中的边频带比值。

在本发明的一些实施例中，上述检测电容为平板电容。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪为mems陀螺仪；该mems陀螺仪为mems梳齿状陀螺仪。

在本发明的一些实施例中，上述信号发生器包括乘法器、移相器和加法器，所述调制信号是由所述驱动信号和电激励信号经由所述的乘法器、移相器和加法器整合得到。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明还提出一种陀螺仪质量块摆幅测量装置，采用上述的陀螺仪自校准装置，其中：

陀螺仪质量块的摆幅与所电压信号中的边频带比值存在非线性关系；

通过调节信号发生器，得到包括不同角速度电激励信号的多个调制信号、多个不同的摆幅信号及相对应的多个不同的边频带比值，推导得到摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系；

当陀螺仪中的质量块在除电激励信号外的其他外界环境作用下产生摆幅时，根据此时分析得到的电压信号中的边频带比值、以及摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系，即可得到此时陀螺仪中质量块的摆幅值。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪质量块的摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系为：

其中，y为陀螺仪质量块的摆幅，r为电压信号中的边频带比值。

为了实现上述目的，作为本发明的另一方面，本发明提出一种陀螺仪自校准方法，包括以下步骤：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号；陀螺仪在驱动信号的作用下谐振，陀螺仪中的质量块在电激励信号的作用下产生摆幅；

步骤2、检测及分析电路检测摆幅得到摆幅信号，将摆幅信号转换为电压信号，并分析得到电压信号中的边频带比值；

步骤3、重复步骤1至步骤2，得到包含不同角速度电激励信号的至少两个调制信号及相对应的至少两个不同的边频带比值；

步骤4、根据至少两个调制信号中电激励信号的角速度及相对应的至少两个不同的边频带比值，得到电激励信号的角速度与所述电压信号中的边频带比值的非线性关系；

陀螺仪基于电激励信号的角速度与电压信号中的边频带比值之间存在的非线性关系，得到校准的外界环境的旋转角速度。

为了实现上述目的，作为本发明的另一方面，本发明还提出一种陀螺仪质量块摆幅测量方法，包括以下步骤：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号；陀螺仪在驱动信号的作用下谐振，陀螺仪中的质量块在电激励信号的作用下产生摆幅；

步骤2、检测及分析电路检测摆幅并转换为电压信号，频谱分析仪分析得到电压信号中的边频带比值；

步骤3、重复步骤1至步骤2，产生包括不同角速度电激励信号的调制信号、至少两个不同的摆幅及相对应的至少两个不同的边频带比值；

步骤4、根据至少两个不同的摆幅及相对应的至少两个不同的边频带比值，得到摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系；

当陀螺仪中的质量块在除电激励信号外的其他外界环境作用下产生摆幅时，根据此时分析得到的电压信号中的边频带比值、以及步骤2-4中得到的摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系，即可得到此时陀螺仪中质量块的摆幅值。

本发明提出的陀螺仪自校准及陀螺仪质量块摆幅测量装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用电激励信号进行校准，无需使用高精度物理转台，从而简化了陀螺仪在出厂时标定的过程，降低了标定校准成本；

2、采用电激励信号进行自校准，因此校准的实施只需要常用的信号发生器即可，在陀螺仪的使用过程中，用户可实时进行陀螺仪的自校准，因此避免了陀螺仪在使用过程中，由于器件老化、环境温度变化、系统噪声等产生的器件参数变化，从而避免了陀螺仪精度的下降；

3、本发明采用平板电容检测陀螺仪中质量块的摆幅，且采用推导得到的电压值的边频带比值与摆幅的非线性关系，来测量陀螺仪在其他外界环境作用下产生的摆幅大小，因此能够消除系统中运算放大器、电容、电阻等对摆幅的影响，使得测量结果更加灵敏。

附图说明

图1是陀螺仪在采用高精度物理转台进行标定校准时的整体电路图；

图2是本发明一实施例提出的陀螺仪自校准装置的整体电路图；

图3是本发明一实施例提出的陀螺仪自校准装置中信号发生器的电路结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明为了克服现有微机械陀螺仪精度较低、校准需要高精度转台系统，操作复杂成本较高而且传统摆幅测量技术容易受其他电学原件影响的缺点，设计提出了一种陀螺仪自校准及质量块摆幅测量装置及方法，其中设计相应的电信号作为系统输入信号，分别在陀螺仪处于工作模态和校准模态时给予不同的电信号，其中的电激励信号的作用于陀螺仪得到的输出与实际的高精度物理转台旋转作用于陀螺仪得到的结果基本相同，即用电激励信号就可以代替高精度物理转台，实现对陀螺仪的自校准，及对陀螺仪质量块摆幅的测量。这样陀螺仪的校准工作就摆脱了高精度物理转台系统，简化了陀螺仪校准过程和成本。

本发明公开了一种陀螺仪自校准装置，包括：

信号发生器，用于产生调制信号，该调制信号包括：

驱动信号，用于驱动陀螺仪谐振运动；

电激励信号，用于激励陀螺仪中的质量块产生摆幅；

检测及分析电路，用于检测摆幅得到摆幅信号，将摆幅信号转换为电压信号，并分析得到电压信号中的边频带比值；

其中，陀螺仪基于电激励信号的角速度与所述电压信号中的边频带比值之间存在的非线性关系，得到校准的外界环境的旋转角速度。

在陀螺仪需要处于工作状态时，只需通过调节信号发生器，使信号发生器产生的调制信号仅包括驱动信号，就可进行陀螺仪的正常工作。

在本发明的一些实施例中，上述检测及分析电路包括：

检测电容，用于检测摆幅得到摆幅信号，输出与摆幅信号相关的电流信号；

跨阻放大器，用于将与摆幅信号相关的电流信号转换为电压信号；

频谱分析仪，用于分析得到电压信号中的边频带比值。

在本发明的一些实施例中，上述检测电容为平板电容。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪为mems陀螺仪；该mems陀螺仪为mems梳齿状陀螺仪。

在本发明的一些实施例中，上述信号发生器包括乘法器、移相器和加法器，调制信号是由驱动信号和电激励信号经由乘法器、移相器和加法器整合得到。

本发明还公开了一种陀螺仪质量块摆幅测量装置，该陀螺仪质量块摆幅测量装置与上述的陀螺仪自校准装置相同，其中：

陀螺仪质量块的摆幅与所电压信号中的边频带比值存在非线性关系；

通过调节信号发生器，得到包括不同角速度电激励信号的多个调制信号、多个不同的摆幅信号及相对应的多个不同的边频带比值，推导得到摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系；

当陀螺仪处于工作状态时，其中的质量块在除电激励信号外的其他外界环境作用下产生摆幅时，根据工作状态下分析得到的电压信号中的边频带比值、以及上述推导得到的摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系，即可得到此时陀螺仪中质量块的摆幅值。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪质量块的摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系为：

其中，y为陀螺仪质量块的摆幅，r为电压信号中的边频带比值。

本发明还公开了一种陀螺仪自校准方法，包括以下步骤：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号；陀螺仪在驱动信号的作用下谐振，陀螺仪中的质量块在电激励信号的作用下产生摆幅；

步骤2、检测及分析电路检测摆幅得到摆幅信号，将摆幅信号转换为电压信号，并分析得到电压信号中的边频带比值；

步骤3、重复步骤1至步骤2，得到包含不同角速度电激励信号的至少两个调制信号及相对应的至少两个不同的边频带比值；

步骤4、根据至少两个调制信号中电激励信号的角速度及相对应的至少两个不同的边频带比值，得到电激励信号的角速度与所述电压信号中的边频带比值的非线性关系；

陀螺仪基于电激励信号的角速度与所述电压信号中的边频带比值之间存在的非线性关系，得到校准的外界环境的旋转角速度。

本发明还公开了一种陀螺仪质量块摆幅测量方法，包括以下步骤：

步骤1、调节信号发生器，使信号发生器产生包括驱动信号和电激励信号的调制信号；陀螺仪在驱动信号的作用下谐振，陀螺仪中的质量块在电激励信号的作用下产生摆幅；

步骤2、检测及分析电路检测摆幅并转换为电压信号，频谱分析仪分析得到电压信号中的边频带比值；

步骤3、重复步骤1至步骤2，产生包括不同角速度电激励信号的调制信号、至少两个不同的摆幅及相对应的至少两个不同的边频带比值；

步骤4、根据至少两个不同的摆幅及相对应的至少两个不同的边频带比值，得到摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系；

当陀螺仪中的质量块在除电激励信号外的其他外界环境作用下产生摆幅时，根据此时分析得到的电压信号中的边频带比值、以及步骤4中得到的摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系，即可得到此时陀螺仪中质量块的摆幅值。

在本发明的一些实施例中，提出一种陀螺仪中质量块摆幅的测量装置，该装置的电路包括：

mems梳齿状振动陀螺仪的输入电信号，该输入电信号包括驱动信号和电激励信号。本方案采用两自由度的硅基微机械梳齿状陀螺仪，在忽略结构误差、频率失调、外部环境变化的前提下可以推导出适用于两自由度陀螺仪的动力学运动方程，采用本实施例设计的电激励信号作用于陀螺仪得到的摆幅与高精度转台作用于陀螺仪得到的摆幅相同，即用电激励信号可以代替高精度转台用于陀螺仪标定校准。

平板电容检测模块：本实施例针对梳齿状陀螺仪的结构设计了平板电容检测模块，利用平行板电容的非线性来消除跨阻放大器、电阻以及增益对摆幅测量精度的影响。在平板电容输出信号中有多重谐波，每一个谐波都包含机械运动信息，理论推导发现各个谐波之间的比值与质量块的摆幅直接相关，因此可以采用各个谐波之间的比值来测量摆幅。

信号处理电路主要包括跨阻放大器和频谱分析仪。跨阻放大器将平板电容检测模块的输出电流转化为输出电压，并进行放大；频谱分析仪主要是分析输出电压信号的频谱特性并计算相邻边频带的比值。

通过调节输入电信号中电激励信号的角速度，可得到多个陀螺仪中质量块的摆幅与边频带比值的组合，根据该多个组合即可推导得出陀螺仪中质量块的摆幅与边频带比值的函数关系。在陀螺仪在工作模态时，分析得到该工作模态下的边频带比值，再根据陀螺仪中质量块的摆幅与边频带比值的函数关系，即可推算出当前工作模态下，陀螺仪中质量块的摆幅大小，完成陀螺仪中质量块摆幅的测量。

在本发明的一些实施例中，提出一种mems梳齿状陀螺仪自校准方法，该方法采用输入电信号中的电激励信号代替高精度物理转台，来对陀螺仪进行自校准，并采用边频带比值的方法精确测量质量快的摆幅。陀螺仪在驱动信号作用下处于驱动模态，质量块在竖直方向上没有摆幅，将陀螺仪放置在高精度物理转台上时陀螺仪的质量块由于受到科里奥利力的作用会在竖直方向上产生一个摆幅。实验发现在没有高精度转台时对陀螺仪施加合适的电激励信号，也会使陀螺仪来竖直方向上产生一个基本相同摆幅，该偏移量与高精度转台下产生的偏移量仅相差一个与陀螺仪振动模态相关的常数。因此可以采用电激励信号对陀螺仪进行自校准，为了对陀螺仪的摆幅信号进行精确测量，本实施例采用平行板电容进行测量，利用平行板电容的非线性消除跨阻放大器、电压、电阻对摆幅测量的影响。平行板电容器的输出信号先要经过跨阻放大器转化为电压信号，最后用频谱分析仪测量边频带之间的比值。通过不断改变电激励信号的角速度的大小，并记录不同角速度下系统输出的边频带比值的大小，绘制出角速度与边频带比值的关系曲线，根据此非线性关系，即可对陀螺仪测量得到的外界环境的旋转角速度进行校准。

为了说明本发明公开的陀螺仪自校准及陀螺仪质量块摆幅测量装置及方法，完成陀螺仪自校准和陀螺仪质量块摆幅测量的可行性，以下通过具体电路进行说明。

1、采用高精度物理转台进行标定校准

如图1所示，是mems陀螺仪在在采用高精度物理转台进行标定校准时的整体电路图，该电路由信号发生器1、mems梳齿状陀螺仪2、高精度转台系统3、电容检测模块4、跨阻放大器5和频谱分析仪6组成。信号发生器1产生作用于mems梳齿状陀螺仪2的驱动信号，使陀螺仪产生正弦谐振运动；高精度转台3产生一定旋转角速度作用于mems梳齿状陀螺仪2，电容检测模块4用于精确检测陀螺仪中质量块在竖直方向上的摆幅，并输出电流信号；跨阻放大器5用于将电流信号转化为电压信号，而频谱分析仪6是用来分析电压信号中相邻边频带之间的比值。在此状态下，mems梳齿状陀螺仪2处于高阶谐振模态，其竖直方向上的动力学方程为：

方程中y是陀螺仪中的质量块在竖直方向上的摆幅，w是正弦驱动信号的频率，q是陀螺仪的品质因数，λ是与陀螺仪类型相关的常量，λ的关系式为λ＝2n/(n²+1)，n为陀螺仪包含的简并对的个数。ω为高精度物理转台的旋转角速度，f是常量。解上述微分方程组得：

其中θ1表示采用高精度物理转台进行标定校准时检测到的摆幅信号的相移；a1是一个与旋转角速度ω相关的量。

2、采用电激励信号进行自校准

如图2所示，是mems陀螺仪采用电激励信号进行自校准时的整体电路图，该电路包括：信号发生器7，mems梳齿状陀螺仪2，平板电容8、跨阻放大器5以及频谱分析仪6。

其中，信号发生器7的电路结构如图3所示，信号发生器7产生的调制信号为fsin(w+ω′)t，以此调制信号作为陀螺仪系统的输入。如图3所示，此调制信号由两路信号经加法器8整合得到，其中一路由经由第一移相器9的驱动信号fcos(wt)和电激励信号cos(ω′t)经第一乘法器10相乘得到；其中另一路由驱动信号fcos(wt)和经由第二移相器11的电激励信号cos(ω′t)经第二乘法器12相乘得到。在此状态下，mems梳齿状陀螺仪2的动力学微分方程为：

其中，方程中y是陀螺仪中的质量块在竖直方向上的摆幅，w是正弦驱动信号的频率，q是陀螺仪的品质因数，λ是与陀螺仪类型相关的常量，λ的关系式为λ＝2n/(n²+1)，n为陀螺仪包含的简并对的个数。ω′为电激励信号的角速度，f是常量。解上述微分方程，得到如下表达式：

从上式可以看出，陀螺仪中质量块的摆幅大小与电激励信号的角速度直接相关，其中，θ2表示采用电激励信号进行自校准时检测到的摆幅信号的相移；a2是一个与电激励信号的角速度ω′相关的量：

从上述分析可知，在电激励信号作用下，陀螺仪中的质量块在竖直方向上也会产生一个摆幅，通过对比陀螺仪在采用高精度转台和电激励信号进行校准时的摆幅公式，可以看出在高精度物理旋转和电激励信号作用下，陀螺仪中质量块产生的摆幅大小基本相同，唯一不同点是λ，该值是与陀螺仪的运动状态相关的常数。因此在陀螺仪的标定校准过程中可以用电激励信号代替高精度转台的旋转。

以下对本发明一实施例提出的陀螺仪自校准及陀螺仪质量块摆幅测量装置及方法，进行自校准和摆幅测量的原理进行说明。

本实施例提出一种陀螺仪自校准及陀螺仪质量块摆幅测量装置及方法，其中陀螺仪自校准装置和陀螺仪质量块摆幅测量装置相同，陀螺仪自校准方法和陀螺仪质量块摆幅测量方法采用本实施例提出的装置实施。

其中，如图2所示，陀螺仪自校准装置和陀螺仪质量块摆幅测量装置包括：信号发生器7，mems梳齿状陀螺仪2，平板电容8、跨阻放大器5以及频谱分析仪6。

在正弦驱动信号和电激励信号作用下质量块会在y轴方向上产生摆幅，摆幅大小如公式(2-2)所示。

由于质量的摆幅运动会在平板电容8上产生感测电容cs，感测电容cs与摆幅y的关系可表示为

其中，ε是介电常数，a是平行板电容的面积，g为平行板电容的初始间距。从式(3-1)中可以看出，y(t)的相位在后续计算中没有作用，因此不再考虑相位的影响。将感测电容转换为傅里叶级数得到公式(3-2)，

其中函数pi(y)(即p2k(y)和p2k+1(y))为电容cs中与运动频率相关的多个谐波的振幅，函数pi(y)的几何级数可表示为：

其中，p0(y)为陀螺仪输出电压信号能量谱中主瓣的高度。

则平板电容在输出端产生的电流i(t)为：

其中，is(t)为平板电容因为间距发生变化而引起的电流；vs为平板电容上的感应电压。输出电流经过跨阻放大器5，由于跨阻放大器的电阻为r，则跨阻放大器的输出电压为：

v＝-ri；(3-5)

推导得出输出电压中的多个边频带的振幅由下式表示：

其中，w为电信号的驱动频率也是陀螺仪的谐振频率。ωc和ωd分别表示输出电压能量谱中主瓣对应的频率和第一旁瓣对应的频率。此时将边频带的摆幅进行归一化处理，即将各个边频带的摆幅与函数pi(y)相除得到相邻边频带比值r(y)，该相邻边频带的表达式如下所示：

则相邻边频带比值r(y)与陀螺仪质量块的振幅值还可以表示为：

由公式(3-7)和公式(3-8)可知，陀螺仪质量块的摆幅与边频带比值直接相关。

结合公式(2-2)给出的电激励信号的角速度与陀螺仪质量块摆幅的关系，可以得知电激励信号的角速度与边频带的比值直接相关，结合公式(2-3)，两者关系可表示为：

综合上述描述可知，本实施例的电激励信号能使陀螺仪的质量块产生一个摆幅，而且该摆幅与高精度转台作用下得到的摆幅基本相同，仅相差一个常量。陀螺仪的质量块的摆幅与电激励信号的角速度直接相关，而通过平板电容及频谱分析仪得到的边频带比值又与陀螺仪质量块的摆幅大小成比例关系，因此可得出边频带比值与电激励信号的角速度也存在确定的非线性关系，如公式(3-9)所示，。

本实施例提出的陀螺仪自校准装置，通过不断调整电激励信号的频率(角速度)，并记录不同角速度下频谱分析仪测得的边频带比值，绘制陀螺仪系统输入和输出的关系曲线，即可实现陀螺仪的自校准。在陀螺仪测量未知环境的旋转角速度时，可以根据陀螺仪系统测得的边频带比值，和绘制陀螺仪系统输入和输出的关系曲线，即可得到此时环境的旋转角速度。

本实施例针对mems陀螺仪精度不高，而且校准需要高精度转台系统，操作复杂、成本高的问题，以mems梳齿状陀螺仪为研究对象，提出了适用于mems陀螺仪的基于摆幅测量的自校准方案。本发明采用输入电信号代替高精度转台，简化了校准流程，节省成本；针对电容检测模块本发明采用创新型的平行板电容检测方式结合频谱分析仪来测量摆幅，使测量的摆幅不受电学原件参数改变的影响，测量的结果更精确。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。