一种基于谐振式MEMS陀螺的模态频率快速检测方法

一种基于谐振式mems陀螺的模态频率快速检测方法
技术领域
1.本发明涉及微电子机械系统技术领域，具体涉及一种基于谐振式mems陀螺的模态频率快速检测方法。


背景技术：

2.谐振式mems陀螺的结构会极大地影响其工作性能，由于生产加工过程中可能导致微机械结构产生误差，从而降低陀螺的工作性能，对于陀螺中不规范的微结构，可利用机器视觉技术及飞秒级激光器进行激光修调，从机械结构上优化其惯性测量工作性能。模态频率是谐振式mems陀螺的重要特性之一，改变陀螺的微机械结构将影响陀螺的模态频率值，反观模态频率值，即为衡量谐振式mems陀螺工作性能最为重要的参考参数。mems陀螺通常采用真空封装技术进行包装，保证芯片密封性的同时，也为芯片提供了高q值的真空环境，其模态频率检测工作更加容易，检测结果更为精准，并且模态频率检测工作一般用于谐振式mems陀螺测控系统中驱动模态和检测模态的谐振频率检测，便于整个测控系统的后续工作进行，所以对频率检测次数和频率检测时间的要求并没有那么严格。
3.在激光修调系统中，模态频率是衡量谐振式mems陀螺结构修调前后最重要的性能参考标准，陀螺芯片为裸片形式，这就要求模态频率检测系统工作在大气环境即q值更低的环境下，这将在一定程度上影响陀螺模态频率的检测效率，并且激光修调芯片的次数频繁，导致陀螺模态频率检测次数随之增多，频率检测时间会极大地影响整个激光修调系统的工作效率，这就要求在保证检测精度的条件下，需要更加快速高效的谐振式mems陀螺模态频率检测方法。目前常用的两种谐振式mems陀螺模态频率检测方法为扫频检测法和振动检测法，扫频检测法检测结果直观精准，较为常用，但在保证检测精度的条件下扫频检测法速度非常慢，甚至可达20分钟；振动检测法检测速度极快，但当正弦驱动信号的频率过于远离谐振式mems陀螺模态频率时，通过振动检测法得出的结果可能会存在很大的误差，需要人工重复多次测量，对检测人员有一定的经验要求，所以两种谐振式mems陀螺模态频率检测方法均存在局限性。


技术实现要素：

4.本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于谐振式mems陀螺的模态频率快速检测方法，将扫频检测技术和振动检测技术两种方法的优点相结合，能有效且快速地对谐振式mems陀螺模态频率进行高精度检测工作。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种一种基于谐振式mems陀螺的模态频率快速检测方法，所述方法包括：基于cordic算法输出数字正弦驱动信号，经dac转换为模拟正弦驱动信号后驱动谐振式mems陀螺起振并进入稳态响应状态；利用lms算法获取经adc转换为数字正弦信号的谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值信息；基于扫频检测法得到谐振式mems陀螺的伪模态频率；使用伪模态频率再次驱动谐振式mems陀螺起振，待谐振式mems陀螺进入稳态响应状态后撤销正弦驱动信号；基于振动检测法获取谐振式mems陀
螺瞬态响应衰减信号的频率信息，此频率即为谐振式mems陀螺的模态频率。
6.在其中一个实施案例中，基于cordic算法输出数字正弦驱动信号，经dac转换为模拟正弦驱动信号后驱动谐振式mems陀螺起振并进入稳态响应状态，是指cordic算法是只需进行位移和加法的反复迭代操作便可输出分辨率较高的数字正弦信号，非常适用于通过fpga控制正弦驱动信号的输出，谐振式mems陀螺的起振条件即为正弦驱动信号。
7.在其中一个实施案例中，利用lms算法获取经adc转换为数字正弦信号的谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值信息，是指lms算法为一种自适应滤波器，将cordic算法产生的数字正弦信号作为输入信号，把得到的经adc转换为数字正弦信号的谐振式mems陀螺稳态响应信号作为参考信号，将输出信号的两个正交分量进行运算后，可得到谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值信息。
8.在其中一个实施案例中，所述基于扫频检测法得到谐振式mems陀螺的伪模态频率，指的是通过cordic算法输出驱动频率由低到高有规律变化的数字正弦驱动信号，经dac转换为模拟正弦驱动信号后依次驱动谐振式mems陀螺起振后进入稳态响应状态，并通过lms算法依次获取每个驱动频率下经adc转换为数字正弦信号的谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值信息，幅值最大处对应的驱动频率即为扫频检测法得到的谐振式mems陀螺伪模态频率，由于大幅减少扫频检测过程的扫频步数，大大提高了扫频检测速度，但扫频精度非常低，所以得出的结果为谐振式mems陀螺的伪模态频率。
9.在其中一个实施案例中，所述使用伪模态频率再次驱动谐振式mems陀螺起振，待谐振式mems陀螺进入稳态响应状态后撤销正弦驱动信号，是指通过cordic算法输出驱动频率为伪模态频率的数字正弦驱动信号，转换为模拟正弦驱动信号后再次驱动谐振式mems陀螺起振，等待谐振式mems陀螺进入稳态响应状态后撤销正弦驱动信号，此时谐振式mems陀螺将进入瞬态响应输出状态。
10.在其中一个实施案例中，所述基于振动检测法获取谐振式mems陀螺瞬态响应衰减信号的频率信息，此频率即为谐振式mems陀螺的模态频率，是指撤销正弦驱动信号后谐振式mems陀螺进入瞬态响应输出状态，输出的波形为欠阻尼衰减形式，通过adc采集到衰减波形后传输至labview端进行周期检测，得出衰减波形的频率即为谐振式mems陀螺的模态频率，由于在振动检测法中当正弦驱动信号与谐振式mems陀螺模态频率的差值在一定范围内时，得出的衰减波形频率仍非常接近谐振式mems陀螺的模态频率，所以通过伪谐振频率得到的结果就是谐振式mems陀螺的模态频率。
11.实施本发明实施例，具有如下有益效果：
12.1.保留了扫频检测法检测结果直观的优点，将扫频检测法得出的伪谐振频率控制在振动检测法中正弦驱动信号的合理误差范围内的情况下，大幅提高了扫频检测速度。
13.2.保留了振动检测法检测速度极快的优点，由于伪谐振频率在合理误差范围内，所以避免了当正弦驱动信号的频率过于远离谐振式mems陀螺模态频率时通过振动检测法中得出的结果可能会存在很大的误差，保证了检测精度。
附图说明
14.图1为本技术的基于谐振式mems陀螺的模态频率快速检测方法的流程示意图。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
16.本发明提供一种基于谐振式mems陀螺的模态频率快速检测方法，所述检测方法如图1所示，包含步骤：
17.s1：基于cordic算法驱动谐振式mems陀螺起振并进入稳态响应状态；具体包括：
18.s11：cordic算法在fpga中占用资源较少，且只需进行移位和加法的反复迭代操作便可输出分辨率较高的数字正弦信号，非常适合在fpga中控制正弦驱动信号的输出。在fpga中设计cordic算法模块，通过cordic算法中的迭代运算可计算出数字正弦信号中每个角度对应的数字正弦值，将待计算的角度从0
°
到360
°
周期性叠加，当叠加到360
°
时刷新为0
°
再次叠加，便可产生随时间变化的数字正弦信号，控制角度周期性叠加的时间，便可控制数字正弦信号的频率，进而控制模拟正弦信号的频率。
19.s12：将cordic算法产生的频率为ω的数字正弦信号传递至12位分辨率的dac，通过dac输出幅值为v
ac
的模拟正弦信号v
ac
sin(ωt)。
20.s13：谐振式mems陀螺的起振信号为正弦驱动信号，且为差分信号形式。将dac输出的模拟正弦信号传递至差分放大电路，引入直流电压v
dc
得到差分正弦驱动信号v
dc
+v
ac
sin(ωt)和v
dc-v
ac
sin(ωt)，将差分正弦驱动信号加载至谐振式mems陀螺的驱动输入端口，驱动端口将差分正弦驱动信号传递至固定梳齿结构产生静电驱动力，从而驱动可动梳齿结构起振并进入稳态响应状态做简谐运动，再加载5mhz的高频三角载波信号到谐振式mems陀螺的载波输入端口，以增大可动梳齿结构的位移量。
21.s2：利用lms算法获取谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值信息；具体包括：
22.s21：当谐振式mems陀螺起振并进入稳态响应状态后，谐振式mems陀螺的固定梳齿微结构将检测可动梳齿位移产生的电容变化量，以差分电容形式传递电容变化信息至谐振式mems陀螺的检测输出端口，通过环型二极管c/v转换电路将随可动梳齿位移变化的差分电容差值转换为正弦电压信号，并通过放大器放大为可通过adc检测的模拟正弦信号。
23.s22：通过12位分辨率的adc检测经放大器放大后的模拟正弦信号，并转换为数字正弦信号传回fpga进行处理。
24.s23：谐振式mems陀螺的稳态响应信号为与正弦驱动信号频率一致的正弦信号，lms算法作为一种自适应滤波器，能够提取出谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值信息。在fpga中，因正弦信号均为数字信号，而数字正弦信号为离散时间信号，所以将cordic算法产生的正弦余弦信号作为输入信号r(k)，由adc模块转换得到的谐振式mems陀螺稳态响应信号作为参考信号u(ωk)，输出信号为w(k)，则可得到：
25.r(k)＝[sin(ωk) cos(ωk)]
[0026][0027][0028]
其中k为离散时间，a
x
为稳态响应信号的幅值，ω为正弦驱动信号的频率，为稳态响应信号的相位。
[0029]
则当前条件下输出的误差e(k)为：
[0030][0031]
其中t表示矩阵转置。最终输出信号w(k+1)为：
[0032][0033]
令w(k)＝[w
1 w2]，其中对两个正交分量进行运算后，得到谐振式mems陀螺稳态响应信号的幅值为：
[0034][0035]
s3：基于扫频检测法得到谐振式mems陀螺的伪模态频率；
[0036]
通过labview可视化界面确定扫频起始频率、扫频终止频率和扫频步数，为加快扫频速度，将扫频步数设置为20步，陀螺起振后将在0.1s内进入稳态响应，将每步的扫频时间设置为0.2s，所以扫频检测所花费的总时间为4s。通过串口通信将扫频数据传输至fpga，在fpga中通过扫频模块计算每个时刻的频率并通过cordic算法产生对应频率的数字正弦信号，经由dac和差分放大电路转换为差分正弦驱动信号依次驱动谐振式mems陀螺起振，通过环型二极管c/v转换电路、放大器和adc采集谐振式mems陀螺稳态响应信号并传到fpga经lms提取出幅值信息后，将每个步数下对应的正弦驱动信号频率和谐振式mems陀螺稳态响应信号幅值通过串口通信传回labview，通过labview处理后显示幅值图和最大幅值处对应的伪谐振频率ω'
x
。
[0037]
s4：使用伪模态频率再次驱动谐振式mems陀螺起振，待谐振式mems陀螺进入稳态响应状态后撤销正弦驱动信号；具体包括：
[0038]
labview将扫频检测法得到的伪谐振频率ω'
x
再次通过串口与fpga通信，通过cordic算法、dac和差分放大电路输出差分正弦驱动信号v
dc
+v
ac sin(ω'
x
t)和v
dc-v
ac sin(ω'
x
t)至谐振式mems陀螺的驱动输入端口，待0.2s后谐振式mems陀螺进入稳态响应状态，fpga自动撤销正弦驱动信号，谐振式mems陀螺将进入瞬态响应状态，此时输出的信号为
[0039]
s5:基于振动检测法获取谐振式mems陀螺瞬态响应衰减信号的频率信息，即谐振式mems陀螺的模态频率；
[0040]
在fpga自动撤销正弦驱动信号的同时，通过环型二极管c/v转换电路、放大器和adc采集到的谐振式mems陀螺瞬态响应衰减信号将通过usb高速传输至labview，在labview中通过周期检测功能得到谐振式mems陀螺瞬态响应衰减信号的频率ω
t
，经多次实验验证得到的ω
t
与实际的谐振式mems陀螺模态频率ω
x
误差在3hz以内，保证了该谐振式mems陀螺模态频率检测方法的检测精度。整个振动检测时间在1s以内，谐振式mems陀螺模态频率检测的总时间控制在5s以内，在保证检测精度的条件下大幅提升了检测速度。
[0041]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。