专利名称：一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统及方法，尤其是指一种基于作差消除电容式微机械陀螺同相误差系统及方法。
背景技术：
陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运动物体自身姿态和状态变化的传感器，其功能是敏感运动体的角速度。基于MEMS技术的第三代微机械陀螺仪，具有体积小、重量轻、带宽大、功耗低及抗冲击强度高等优点，被广泛应用于军事及民用领域。现有技术中，电容式微机械陀螺仪的敏感结构采用体硅或者表面硅工艺加工制作而成，由于尺寸极其微小，通常为微米量级，在现有的工艺条件下，很难控制加工精度。因此，敏感结构在制造过程中存在着工艺误差。该误差直接影响硅微机械陀螺零点输出的稳定性、标度因子的非线性度及工作带宽等关键技术指标。同时，制约微机械陀螺在宇航、精确制导、精密仪器及深海探测等需要精确测量角速度信号领域的应用。敏感结构的各种工艺误差，会在微机械陀螺提取角速度信号的处理过程中转变成正交误差和同相误差两种误差信号。正交误差和同相误差是角速度信号提取过程中的两种主要干扰信号，是制约微机械陀螺整体性能的主要因素。其中，同相误差来源于微机械陀螺仪传感器结构的驱动轴与检测轴的不完全垂直，加载驱动电压时，驱动力在检测方向存在着分力，这个力与要检测的Coriolis力(科氏力)方向一致，相位也一致，导致在信号处理过程中很难区分角速度信号与此同相误差信号。由于同相误差与Coriolis加速度信号的频率及相位都相同，对于该误差信号的分离和抑制都比较困难，现有技术中，关于抑制同相误差的信号处理方案非常少，缺乏通用的，且能有效消除或抑制同相误差的信号处理方案。如
图1所示，传统的微机械陀螺角速度信号提取信号处理电路系统。由微机械陀螺的工作原理可知，要得到输入角速度信号的数值，必须测出敏感结构检测电容的变化量。然而，电容的变化量极其微弱，通常都淹没在低频的1/f噪声里，为了抑制Ι/f噪声，如图1所示，角速度提取电路一般都采用高频载波调制的方法，利用积分器构成电荷放大器，将检测电容的变化值转变成电压信号，然后经过两次相敏解调过程，第一次解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号；第二次解调得到与输入角速度信号成正比的电压信号。所述提取的最终输出信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号。以下分析不存在相位误差时，考虑正交误差及同相误差时的输出信号:
由图1可知，第一次相敏解调后，得到的信号ViJt)是与检测电容的变化量成正比的电压信号，存在正交误差及同相误差时，VjJt)是角速度信号、正交误差信号及同相误差信号三者之和，可表示如下:
I>411: Γ,-12 - Co Si mt + #)+ F-P cos( ./*#) + I si n( !.* + # I {I)
其中，Vcor表不Coriolis加速度信号的幅度'Vin_p表不同相误差信号的幅度'V卿表不正交误差信号的幅度；胃表不输入的角速度信号； ω表不微机械陀螺驱动信号的角频率'Φ表示驱动信号的相位。从式(I)中可以看出同相误差信号与CorioliS加速度信号频率及相位都相等，而正交误差信号与Coriolis加速度信号频率相等，相位相差90 。若不存在相位误差信号，则第二次相敏解调的参考信号Vref(t)就是驱动信号，它匕“」与进行乘法运算，运算如下:
权利要求
1.一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于:包括峰值检测电路、第一相敏解调模块、第二相敏解调模块、移相器、90°移相器、数据存储器、受控开关以及作差电路；移相器输入端接驱动信号，输出端接90°移相器及第一相敏解调模块；第一相敏解调模块输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端同时接作差电路及受控开关，受控开关输出端接数据存储器，数据存储器输出端接作差电路； 90°移相器输出端接第二相敏解调模块，第二相敏解调模块的输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端接接峰值检测电路，峰值检测电路输出端接移相器。
2.如权利要求1所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于:第一相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接移相器及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器；低通滤波器同时接作差电路及受控开关。
3.如权利要求1所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于:第二相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接90°移相器及微机械陀螺角速度提取信号，输出端接低通滤波器；低通滤波器接峰值检测电路。
4.如权利要求1所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于:还包括高频载波器、电荷放大器、滤波放大器、第三相敏解调模块及信号放大器；高频载波器的输入端接微机械陀螺的电容，输出端接电荷放大器及第三相敏解调模块；电荷放大器接滤波放大器，滤波放大器接第三相敏解调模块的输入端，第三相敏解调模块的输出端接信号放大器，而信号放大器分别接第一相敏解调模块及第二相敏解调模块。
5.如权利要求4所述的一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，其特征在于:第三相敏解调模块由低通滤波器及相敏解调电路组成，相敏解调电路的输入端同时接滤波放大器及高频载波器，输出端接低通滤波器；低通滤波器接信号放大器。
6.一种基于作差消除微机械陀螺同相误差方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一，提取输入信号，所述输入信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号; 步骤二，将输入信号输入第一相敏解调模块及第二相敏解调模块；同时，驱动信号一路经移相器输入第一相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波；驱动信号另一路经依次移相器及90°移相器输入第二相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波后，将信号输入峰值检测电路；当峰值检测电路检测到输入信号的相位误差为零时，反馈控制移相器，使驱动信号与角速度信号相位相等，驱动信号经移相器输入第一相敏解调模块，与输入信号作乘法运算及低通滤波后的信号为角速度信号及同相误差信号； 步骤三，将经第一相敏解调模块后的信号同时输入作差电路及受控开关；当无角速度信号输入时受控开关闭合，信号中剩下同相误差信号，经受控开关被数据存储器保存；有角速度信号输入时受控开关打开，将含有同相误差信号与角速度信号的信号输入作差电路，与数据存储器输出的同相误差信号作差，作差后的信号为角速度信号并作为最终输出信号。
全文摘要
本发明公开一种基于作差消除微机械陀螺同相误差系统，移相器输入端接驱动信号，输出端接90o移相器及第一相敏解调模块；第一相敏解调模块输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端同时接作差电路及受控开关，受控开关输出端接数据存储器，数据存储器输出端接作差电路；90o移相器输出端接第二相敏解调模块，第二相敏解调模块的输入端接微机械陀螺角速度提取信号，输出端接接峰值检测电路，峰值检测电路输出端接移相器。本发明还公开一种基于作差消除微机械陀螺同相误差方法。本发明有效消除同相误差，从而提高微机械陀螺的测量精度。
文档编号G01C19/5776GK103148847SQ20131007102
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月6日 优先权日2013年3月6日
发明者莫冰, 端志勤 申请人:莫冰, 端志勤