一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及硅微机械陀螺领域，具体涉及一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误 差刚度校正方法。
【背景技术】
[0002] 娃微机械陀螺是一种用 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统） 技术加工而成的惯性测量传感器，其采用哥氏效应原理测量载体角速率信息，具有体积小、 功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点。目前在很多领域都 有应用，比如：惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等。其最初诞生在上世纪80年代 末，随着加工工艺和测控技术的不断发展，硅微机械陀螺的精度也逐渐提高，目前国际上硅 微机械陀螺较高精度已经可达r /h(零偏稳定性）以内，已经可满足战术级陀螺仪的精度 需求。硅微机械线振动式陀螺作为硅微机械陀螺的一种，近年来得到各科研机构和公司的 推崇，相比与其他工作方式的硅微机械陀螺（角振动式，转子式等），线振动式陀螺结构具 有加工结构简单，检测信号线性度好等优点。目前，国际主流的精度较高的硅微机械陀螺大 部分都采用了线振动结构。
[0003] 图1为典型的硅微机械陀螺仪组成结构示意图，在理想的陀螺结构中，存在陀螺 系统的动力方程为：
【主权项】
1. 一种娃微机械线振动式巧螺，包括巧螺结构（1)、巧螺测控电路（2)和巧螺封装（3)， 其特征在于， 所述的巧螺结构（1)包括驱动轴向结构（11)、检测轴向结构（12)、禪合刚度模块（13) 和正交校正负刚度产生结构（14); 所述的驱动轴向结构（11)包括驱动激励结构（111)、驱动质量（112)和驱动位移提取 结构（113)，所述的驱动轴向结构（11)用于保证哥式质量在驱动方向的稳定振动；其中，所 述的驱动激励结构（111)用于将外接电压转化为静电力，所述驱动激励结构（111)包括驱 动固定梳齿和驱动活动梳齿；所述的驱动质量（112)包括驱动框架和哥式质量；所述驱动 框架用于连接驱动活动梳齿、驱动模态支撑梁和哥式质量，所述驱动活动梳齿分散排布在 驱动框架上用于增大电容面积提高单位面积的静电力转换效率，所述驱动模态支撑梁用于 连接错点和驱动框架并起支撑作用，驱动框架产生的位移为XM，所述哥式质量用于产生哥 式效应；所述的驱动位移提取结构（113)用于将驱动框架位移XM转换为驱动电容信号XV 输出，所述的驱动位移提取结构（113)包括驱动检测固定梳齿和驱动检测活动梳齿； 所述的检测轴向结构（12)由检测质量（121)和检测位移提取结构（122)组成，用于提 取由哥式力产生的检测模态位移； 所述的禪合刚度模块（13)由驱动模态禪合到检测模态的禪合刚度（131)和检测模态 禪合到驱动模态的禪合刚度（132)组成； 所述的正交校正负刚度产生机构（14)包括四组正交校正负刚度产生梳齿，所述正交 校正负刚度产生梳齿沿哥式质量的中屯、框架两边交叉对称排列，用于产生静电负刚度W抵 消禪合刚度； 所述的巧螺测控电路（2)包括驱动闭环回路（21)、检测回路（22)和正交校正闭环回路 (23);所述的驱动闭环回路（21)用于保证所述驱动轴向结构（11)沿驱动方向恒幅度振动 且振动频率为驱动模态固有谐振频率；所述的检测回路（22)用于将检测电容变化量YV - 部分调节为YSE输出，另一部分W驱动激励信号XS为基准解调并滤波后作为巧螺输出。
2. 根据权利要求1所述的娃微机械线振动式巧螺，其特征在于，所述的检测回路（22) 包括前级放大接口（221)、次级放大器（222)、哥式解调器（223)和低通滤波器，其中，所述 前级放大接口（221)用于将检测电容变化量YV转化为电压信号并进行初步放大；所述次级 放大器（222)将前级放大接口（221)输出信号进一步放大，并输出信号YSE ;所述哥式解调 器（223) W驱动激励信号XS为基准解调YSE得到哥氏信号和二倍频信号；所述低通滤波器 包含第一低通滤波器（224)和第二滤波器（225)，其中，第一滤波器（224)用于滤除解调器 输出的二倍频信号W得到纯净的哥氏信号幅值，第二低通滤波器（225)用于输出低通滤波 作为巧螺仪最终输出。
3. 根据权利要求1所述的娃微机械线振动式巧螺，其特征在于，所述的禪合刚度模块 (13)包括驱动模态禪合到检测模态的禪合刚度kyy (131)和检测模态禪合到驱动模态的禪 合刚度kq (132)，其中，所述的ky, (131)可将驱动框架位移XM转换为禪合力巧Q施加到检 巧。质量（121)上；所述的kq(13。可将检测框架位移YM转换为禪合力FYQ施加到驱动质量 (121)上。
4. 根据权利要求1所述的娃微机械线振动式巧螺，其特征在于，所述的正交校正负刚 度产生梳齿包含第一固定梳齿（141)、第二固定梳齿（142)、第=固定梳齿（143)、第四固 定梳齿（144)和哥式质量，其中，第一固定梳齿（141)和第二固定梳齿（142)之间导通，第 S固定梳齿（143)和第四固定梳齿（144)之间导通；所述的正交校正负刚度产生梳齿采用 不等间距设计W产生静电负刚度；所述的正交校正负刚度产生机构（14)在校正驱动模态 禪合到检测模态的禪合刚度ky,(131)的同时可校正检测模态禪合到驱动模态的禪合刚度 M132)。
5. 根据权利要求1所述的娃微机械线振动式巧螺，其特征在于，所述的正交校正闭环 回路（23)包括驱动位移放大器（231)、正交解调器（232)、正交低通滤波器（233)、比较器 (234)、正交校正基准（235)、正交校正控制器（236)和信号转换装置（237)，其中，所述的 驱动位移放大器（231)在不改变驱动位移XV的前提下将XV放大，W满足解调基准信号的 幅值需求；所述正交解调器（232)将检测通道中次级放大器（222)的输出信号中的正交信 号提取，产生二倍频信号和正交误差幅值信号；所述正交低通滤波器（233)将二倍频信号 滤掉，只保留正交幅值信号；所述比较器（234)将正交幅值信号和所述正交校正基准（235) 比较，产生比较结果；所述正交校正控制器（236)根据所述比较结果产生控制信号；所述信 号转换装置（237)包括直流装置（2371)、反相器（2372)、第一缓冲器（2373)和第二缓冲器 (2374)，用于将控制信号转换后产生QS信号送至正交校正负刚度产生机构（14)。
6. -种娃微机械线振动式巧螺正交误差刚度校正方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 实时获取检测通道中正交信号幅值； (2) 将步骤（1)所述正交信号幅值作为控制量，通过比较其与基准信号关系得到相应 的正交校正控制信号； (3) 将步骤（2)所述正交校正控制信号进行转换，送入巧螺结构，和其中的正交校正负 刚度产生机构配合产生静电负刚度，所述静电负刚度可W平衡正交禪合刚度。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（1)的具体步骤为： 实时获取驱动位移提取结构的输出信号XV和检测位移提取结构的输出信号YV，所述 驱动位移信号应于驱动框架位移同频同相； 将驱动位移提取结构的输出信号XV幅值进行调节使其幅值适合作为解调基准，得到 XSE，在所述处理过程中其频率和相位不变； 将检测位移提取结构的输出信号YV幅值进行调节使其幅值适合被解调，得到YSE，在 所述处理过程中其频率和相位不变； 将XSE作为基准解调YSE ; 将上述解调结果经低通滤波器滤除解调后的高频信号，继而得到正交信号幅值。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（2)的具体步骤为： 将所述步骤（1)得到的正交信号幅值与正交校正基准比较进行判断； 将上述判断结果送入正交校正控制器，进一步得到正交控制信号； 将所述正交控制信号输入至信号转换装置，W获得正交校正负刚度产生机构的有正交 校正控制信号。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤（3)的具体步骤为： 产生的静电负刚度与结构原有的正交禪合刚度叠加后得到新的禪合刚度，继而产生新 的正交误差信号； 根据所述步骤（1)和步骤（2)的结果，重新调整正交校正控制信号，最终使正交信号幅 度与正交校正基准相等； 将上述中正交校正基准设为0,则系统稳定后正交校正负刚度即可完全消除正交禪合 刚度。
【专利摘要】本发明公开了一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差的刚度校正方法，该方法包括：驱动闭环回路激励驱动模态使驱动模态以固定幅值振动在其谐振频率点上；在检测通道内提取信号后经驱动位移信号解调得到正交信号幅值，将正其与基准信号比较后将比较结果送入正交校正控制器；控制器输出信号经电压调整模块输出至陀螺结构中的正交刚度校正梳齿，并产生静电负刚度以校正产生正交误差的耦合刚度。本发明中控制器可根据目标陀螺结构的正交耦合刚度的不同自动调节控制量以达到完全消除正交耦合刚度的目的，从而大幅度减小加工误差对陀螺性能的影响。本发明所述方法具有体积小、易实现、可靠性高、温度性能好、可与陀螺结构集成等优点。
【IPC分类】G01C25-00, G01C19-5733
【公开号】CN104535057
【申请号】CN201410830124
【发明人】李宏生, 曹慧亮, 倪云舫, 黄丽斌, 徐露
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月26日