一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及硅微机械陀螺仪的动态标定技术，具体是一种面向闭环检测的微陀螺 批量动态测试方法。
【背景技术】
[0002] 硅微机械陀螺仪是一种采用哥氏效应原理敏感载体输入角速率信息的传感器，其 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，并广 泛应用于诸多领域（比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等）。如图1-图3所示， 工作在闭环检测状态下的硅微机械陀螺仪包括陀螺结构、陀螺测控电路。所述陀螺结构包 括驱动轴向结构、检测轴向结构。所述检测轴向结构包括检测力反馈结构、哥氏质量、检测 位移提取结构。所述陀螺测控电路包括驱动闭环回路、检测闭环回路。所述驱动闭环回路 包括驱动前级放大接口、驱动次级放大器、90°移相器、整流器、驱动低通滤波器、驱动位移 工作点设置装置、驱动比较器、驱动位移控制器、驱动调制器、驱动直流信号叠加装置。所述 检测闭环回路包括检测前级放大接口、检测次级放大器、解调器、第一低通滤波器、检测闭 环控制器。硅微机械陀螺仪的工作模态包含驱动模态和检测模态。工作时，向硅微机械陀 螺仪的哥氏质量施加输入角速率信号，则硅微机械陀螺仪的检测闭环回路产生输出信号。
[0003] 工作在闭环检测状态下的硅微机械陀螺仪的动力方程为：
[0012] 式（Al)中：x为驱动轴向结构的位移；ωχ为硅微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频 率；QX为硅微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；Fdx为驱动轴向结构所受的驱动力；mx为驱 动轴向结构的等效质量；kx为驱动模态等效刚度；cx为驱动模态等效阻尼；Fd为驱动模态驱 动力幅度；为驱动模态驱动力的角频率（通常有ω d= ω x) ;y为检测轴向结构的位移； ?y为硅微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为硅微机械陀螺仪检测模态的品质因数； Ω z为硅微机械陀螺仪的输入角速率；k y为检测模态等效刚度；my为检测轴向结构的等效质 量；cyS检测模态等效阻尼；F。为哥氏力；Ff为检测反馈力。
[0013] 由于硅微机械陀螺仪通常采用真空封装，致使硅微机械陀螺仪检测模态的品质因 数很大（在2000以上），因此对式（Al)进一步求解可得：
[0014] X (t) = Ax cos (ω dt)
[0017] 式（A2)-(A3)中：x为驱动轴向结构的位移；AX为驱动轴向结构的运动幅度；ω d为 驱动模态驱动力的角频率；FdS驱动模态驱动力幅度；mx为驱动轴向结构的等效质量；ω x为硅微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；QX为硅微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；y 为检测轴向结构的位移；Ω z为硅微机械陀螺仪的输入角速率；ω ￥为硅微机械陀螺仪检测 模态的谐振角频率；Qy为硅微机械陀螺仪检测模态的品质因数。根据式（Α1)_(Α3)可知， 哥氏力的相位取决于驱动轴向结构的位移的导数，即哥氏力的相位与驱动轴向结构的位移 的相位相差90°，且驱动轴向结构所受的驱动力的相位与驱动轴向结构的位移的相位相差 90。。
[0018] 由于硅微机械陀螺仪具有批量化生产的特点，其动态标定成为其应用过程中的重 要环节。所述动态标定主要包括：标度因数的标定、带宽的标定、标度因数对称性的标定、 标度因数非线性度的标定、标度因数重复性的标定。目前，硅微机械陀螺仪的动态标定通常 采用转台或角振动台进行。实践表明，此种标定方法存在如下问题：其一，转台或角振动台 在运行中产生的误差和干扰会对标定结果造成直接和间接的影响，由此导致标定结果不准 确。其二，在标定过程中，需要反复进行硅微机械陀螺仪与台面之间的安装和拆卸，由此导 致标定过程费时费力。其三，此种标定方法无法同时对多个硅微机械陀螺仪进行批量化动 态标定，由此导致标定效率低下。
[0019] 基于此，有必要针对工作在闭环检测状态下的硅微机械陀螺仪发明一种全新的硅 微机械陀螺仪动态标定方法，以解决现有硅微机械陀螺仪动态标定方法存在的上述问题。
【发明内容】
[0020] 本发明为了解决现有硅微机械陀螺仪动态标定方法标定结果不准确、标定过程费 时费力、标定效率低下的问题，提供了一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方法。
[0021] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方 法，该方法是采用如下步骤实现的：
[0022] 1)各个硅微机械陀螺仪均采用单独的驱动闭环回路；驱动轴向结构产生驱动位 移信号，并将驱动位移信号输出至驱动闭环回路；驱动闭环回路根据驱动位移信号产生驱 动模态激励信号，并将驱动模态激励信号输出至驱动轴向结构，使得驱动位移信号的频率 与驱动模态的谐振角频率相等，并使得驱动位移信号的幅值保持恒定；驱动模态激励信号 的具体产生步骤如下：
[0023] 驱动前级放大接口对驱动位移信号进行提取和初步放大；
[0024] 驱动次级放大器对驱动前级放大接口的输出信号进行进一步放大；
[0025] 90°移相器对驱动次级放大器的输出信号进行转换；具体转换公式如下：
[0026] XDEM = Vdac sin (codt) (A4)；
[0027] 式（A4)中：XDEM为90°移相器的输出信号；Vda。为驱动次级放大器的输出信号； ?,为驱动模态驱动力的角频率；
[0028] 整流器对90°移相器的输出信号进行整流；
[0029] 驱动低通滤波器对整流器的输出信号的幅值信号进行提取；
[0030] 驱动比较器对驱动低通滤波器的输出信号和驱动位移工作点设置装置的输出信 号进行比较；
[0031] 驱动位移控制器根据驱动比较器的输出信号产生控制信号；
[0032] 驱动调制器以90°移相器的输出信号为基准，对驱动位移控制器的输出信号进行 调制；
[0033] 驱动直流信号叠加装置对驱动调制器的输出信号进行叠加；
[0034] 驱动直流信号叠加装置的输出信号作为驱动模态激励信号；
[0035] 2)各个硅微机械陀螺仪共同配备一个外接信号源；各个硅微机械陀螺仪均配备 单独的闭环式哥氏力等效信号发生装置；
[0036] 所述闭环式哥氏力等效信号发生装置包括调制器、检测直流信号叠加装置、反相 器、反相加法器；
[0037] 所述调制器包括AD633乘法器、第一电阻、第二电阻；
[0038] 所述检测直流信号叠加装置包括第一电容、第五电阻；
[0039] 所述反相器包括第一运算放大器、第七电阻、第八电阻；
[0040] 所述反相加法器包括第二运算放大器、第九电阻、第十电阻、第十一电阻；
[0041] AD633乘法器的1号引脚与90°移相器的输出端连接；AD633乘法器的2号引脚接 地；AD633乘法器的3号引脚与负供电电压连接；AD633乘法器的4号引脚通过第一电阻接 地；AD633乘法器的5号引脚依次通过第二电阻、第一电阻接地；AD633乘法器的5号引脚通 过第一电容与检测力反馈结构的输入端连接;AD633乘法器的5号引脚依次通过第一电容、 第五电阻与直流电压基准连接；AD633乘法器的6号引脚与正供电电压连接；AD633乘法器 的7号引脚依次通过第十一电阻、第九电阻、第八电阻、第七电阻与外接信号源的输出端连 接；AD633乘法器的7号引脚依次通过第十一电阻、第九电阻、第八电阻与第一运算放大器 的负输入端连接;AD633乘法器的7号引脚依次通过第十一电阻、第九电阻与第一运算放大 器的输出端连接；第一运算放大器的正输入端接地；AD633乘法器的7号引脚依次通过第 十一电阻、第十电阻与检测闭环控制器的输出端连接；AD633乘法器的7号引脚通过第十一 电阻与第二运算放大器的负输入端连接；AD633乘法器的7号引脚与第二运算放大器的输 出端连接；第二运算放大器的正输入端接地；AD633乘法器的8号引脚接地；
[0042] 闭环式哥氏力等效信号发生装置根据90°移相器的输出信号、外接信号源的输出 信号、检测闭环控制器的输出信号产生哥氏力等效信号，并将哥氏力等效信号输出至检测 力反馈结构；哥氏力等效信号的具体产生公式如下：
[0043] Vf= V fAC+VfDC (A5);
[0044] VfAC= XDEM*V