微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法及系統的製作方法

2023-06-13 08:22:41

專利名稱：微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機械慣性傳感器技術領域，尤其涉及一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法及系統。
背景技術：
微機械陀螺是用微電子工藝加工的特徵尺寸在微米量級的器件，用於測量載體的角速度，其體積小、成本低、適於批量加工及易與ASIC集成，屬於慣性傳感器。有著廣泛的應用前景和迫切的市場需求，目前已成功應用於汽車、消費類電子等工業、民用領域以及慣性制導和戰術飛彈等軍用領域。微機械振動式陀螺一般有兩個軸向驅動軸向和檢測軸向。正常工作時，須保證陀螺在驅動軸向上作恆幅振動，當沿陀螺的敏感軸有角速率輸入時，就會在檢測軸向產生一個正比於外界角速率輸入的科裡奧利力(簡稱科氏力或哥氏力)，陀螺振動質量塊在該科氏力作用下沿檢測軸向振動，其位移變化可以通過電容拾取結構變為電容變化，再通過微小電容讀出電路將電容變化量轉換為電壓變化量，最後通過同步解調以獲得角速率信息。標度因子和帶寬是微機械陀螺性能指標中比較關鍵的兩個指標。標度因子是指單位角速率輸入時所帶來的電壓輸出，單位一般是mV/(° /s)。帶寬是指在測量的針對外界動態角速率的幅頻響應中幅值下降3dB所對應的頻率範圍。現有的測量標度因子和帶寬的方法是利用轉臺產生一系列角速率，然後測量陀螺的輸出電壓，再進行標定，如文獻 Y. Hong,S. Kim,and J. H. Lee, 「 Modeling ofangular-rate bandwidth for a vibrating microgyroscope, 「 MicrosystemTechnologies, vol. 9，pp. 441-448，Sep 2003.該方法適合最終的整機標定。但在調試過程中，為了獲得要求的標度因子和帶寬，需要頻繁上下轉臺，使得調試過程繁瑣，效率低下。此外為了延展陀螺的測量帶寬，提高量程和線性度等，需要對陀螺的檢測模態進行閉環控制，其中最關鍵的是能夠得到陀螺對外界角速率的響應，這個響應相當於控制對象。在實際系統調試時，控制對象的獲得是有難度的，主要是因為轉臺的限制，角振動頻率達到kHz量級比較困難。即使可以通過轉臺掃頻得到控制對象頻響，在系統調試時也需要頻繁上下轉臺操作，使設計過程變得繁瑣而低效。現有方法如文獻董煜茜，高鍾毓，張嶸，"微機械角速率傳感器的性能分析，"傳感技術學報，pp.觀-36，1998;王巍，王巖，「 振動輪式矽微陀螺儀檢測軸的閉環特性，「中國慣性技術學報，pp. 738-742,2007.都是假設陀螺工作在模態匹配模式下，然後通過近似成一階慣性環節來描述控制對象。這種方法適用於模態匹配模式下的陀螺，不適用於模態分離模式下的陀螺，此外對於控制對象的辨識精度不夠。

發明內容
本發明的目的在於提供一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法，以在不使用轉臺的情況下獲得陀螺檢測模態的頻響特性，為工作在開環和閉環檢測條件下微機械陀螺標度因子和帶寬的測量提供簡便途徑，提高測試效率。—方面，本發明公開了一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法，所述微機械陀螺包括檢測軸向結構，其中，該檢測軸向結構包括加力結構、振動質量塊和振動拾取結構；所述方法包括如下步驟步驟1，通過所述加力結構將虛擬科裡奧利力施加在所述振動質量塊上，獲取位移變化量；所述虛擬科裡奧利力為電壓信號與轉化係數的乘積；所述電壓信號為作為虛擬角速率與虛擬驅動模態振動速度信號的乘積，所述轉換係數為該電壓信號施加至所述加力結構時，將電壓轉換為力所對應的比例係數。步驟2，將所述位移變化量通過所述振動拾取結構轉變為電容變化量；然後，由前置讀出電路將該電容變化量轉換為電壓變化量，所述電壓變化量表徵所述振動質量塊的振動信息。步驟3，用解調參考信號對所述電壓變化量進行解調，並將解調後的電壓變化量進行低通濾波，獲得陀螺對該虛擬角速率的頻率響應。步驟4，改變虛擬角速率的頻率，對陀螺進行掃頻操作，得到陀螺對一系列不同頻率虛擬角速率的頻率響應。步驟5，對所述虛擬角速率的頻率響應進行增益調節，獲取陀螺對真實角速率的響應，從而測量出陀螺的標度因子和帶寬。上述測量方法中，所述虛擬角速率由網絡分析儀產生，幅值恆定。上述測量方法中，虛擬驅動模態振動速度由信號發生器產生，其頻率與微機械陀螺驅動模態的固有諧振頻率相等。上述測量方法中，所述步驟3中的解調參考信號由虛擬驅動模態振動速度信號通過移相得到。上述測量方法中，所述步驟5中的增益調節由所述虛擬驅動模態振動速度信號的幅值大小、所述轉換係數、所述振動質量塊的質量和驅動模態振動速度大小確定。另一方面，本發明還公開了一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量系統，微機械陀螺包括檢測軸向結構，該檢測軸向結構包括依次連接的加力結構、振動質量塊和振動拾取結構，所述測量系統包括虛擬科裡奧利力產生裝置、前置讀出電路、解調模塊和低通濾波器；其中所述虛擬科裡奧利力產生裝置與所述加力結構相連接，所述振動拾取結構、所述前置讀出電路、所述解調模塊和所述低通濾波器順序連接。上述測量系統中，所述虛擬科裡奧利力產生裝置包括網絡分析儀、信號發生器和乘法器，所述網絡分析儀的輸出和所述信號發生器的輸出均與所述乘法器的輸入相連接； 並且，所述乘法器的輸出與所述加力機構相連接；所述網絡分析儀產生恆定幅值的掃頻信號作為虛擬角速率，通過所述乘法器與由所述信號發生器所產生的虛擬驅動模態振動速度信號相乘得到電壓信號，該電壓信號通過加力結構產生虛擬科氏力作用在所述振動質量塊上，其位移變化通過所述拾取結構變為電容變化，通過所述前置讀出電路將電容變化量轉換為電壓變化量，再通過解調參考信號和所述低通濾波器提取陀螺的輸出並送回網絡分析儀，得到陀螺對虛擬角速率的頻率響應。上述測量系統中，所述解調模塊為包括移相器，用於對所述虛擬驅動模態振動速度信號進行移相，產生解調參考信號。
相對於現有技術而言，本發明的方法可以在不使用轉臺的情況下獲得陀螺檢測模態的頻響特性，為開環和閉環條件下測量標度因子和帶寬提供了一個簡便途徑，提高了測試效率。同時，由於可以快速評估陀螺系統對外界角速率的頻響特性，為陀螺檢測模態閉環控制系統的設計提供控制對象辨識，擺脫了轉臺的性能限制，方便了控制系統設計和調試環節，且對模態分離和模態匹配模式下的陀螺都適用。


圖1為本發明所適用的微機械陀螺檢測軸向結構示意圖；圖2為本發明微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法實施例的步驟流程圖；圖3為基於虛擬科氏力的測量微機械陀螺帶寬與標度因子的方法實現方案示意圖；圖4為微機械陀螺對實際外加角速率響應的信號流示意圖；圖5為本發明微機械陀螺帶寬與標度因子的測量系統實施例的結構框圖；圖6為虛擬科裡奧利力產生裝置的結構框圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法實施例如圖1所示，本發明所適用的微機械陀螺檢測軸向結構1 一般由加力結構3，振動質量塊5和振動拾取結構6構成。振動拾取結構6通常採用差分式電容式結構，主要有梳齒型電容結構和平行板型電容結構。參照圖2，圖2為本發明微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法實施例的步驟流程圖，包括如下步驟步驟S210，通過加力結構將虛擬科裡奧利力施加在振動質量塊上，獲取位移變化量；虛擬科裡奧利力為電壓信號與轉化係數的乘積；電壓信號為虛擬角速率與虛擬驅動模態振動速度信號的乘積，轉換係數為該電壓信號施加至加力結構時，將電壓轉換為力所對應的比例係數。其中，虛擬角速率幅值恆定，具體實施時可以由網絡分析儀產生；虛擬驅動模態振動速度由信號發生器產生，其頻率與微機械陀螺驅動模態的固有諧振頻率相等。步驟S220，將位移變化量通過振動拾取結構轉變為電容變化量；然後，由前置讀出電路(微小電容讀出電路)將該電容變化量轉換為電壓變化量，電壓變化量表徵振動質量塊的振動信息。步驟S230，用解調參考信號對電壓變化量進行解調，並將解調後的電壓變化量進行低通濾波，獲得陀螺對該虛擬角速率的頻率響應。其中，解調參考信號可以由虛擬驅動模態振動速度信號通過移相得到。步驟S240，改變虛擬角速率的頻率，對陀螺進行掃頻操作，得到陀螺對一系列不同頻率虛擬角速率的頻率響應。步驟S250，對虛擬角速率的頻率響應進行增益調節，獲取陀螺對真實角速率的響應，從而測量出陀螺的標度因子和帶寬。
在一個更為具體的實施例中，如圖3所示，用網絡分析儀產生一恆定幅值的掃頻信號作為虛擬角速率8，通過乘法器10與由信號發生器所產生的虛擬驅動模態振動速度信號相乘得到電壓信號2，電壓信號2通過加力結構3產生虛擬科氏力4作用在振動質量塊5 上，其位移變化可以通過拾取結構6變為電容變化7，通過前置讀出電路11將電容變化量 7轉換為電壓變化量以獲得振動質量塊的振動信息，再將電壓變化量通過解調參考信號12 和低通濾波器13，提取出陀螺的輸出14並送回網絡分析儀，得到陀螺對虛擬角速率的頻率響應。作用在振動質量塊5上的虛擬科氏力可表示為Fvir = 2VacVfaKvf [cos ( ω nd+ ω E) t+cos ( ω nd- ω E) t](1)方程⑴中Fvir為產生的虛擬科氏力，Kvf是電壓到力的轉換係數，Vac, ωκ分別為虛擬角速率信號的幅值和頻率，Vfa, nd分別為虛擬驅動模態振動速度信號的幅值和頻率。 通過本發明，由該虛擬科氏力所帶來的最終輸出，即低通濾波後產生的輸出可表示為U0 = VacVfaKvfB0Cos (ω Kt_ θ )(2)方程⑵中，B0, θ分別為由陀螺結構及後續處理電路所帶來的增益和相位的改
變。因此陀螺針對虛擬角速率的頻率響應可以表示為
~ U (ω )gK) = Tfj^ = VfaKvfBo{oR)Z-0
νΛωκ)(3)圖4為陀螺對實際外加角速率響應的信號流。如圖4所示，用網絡分析儀產生一恆定幅值的掃頻信號送入轉臺產生角速率信號16，該角速率信號16被實際驅動模態振動速度信號17調製，產生真實的科氏力15直接作用在振動質量塊5上，其位移變化可以通過拾取結構6變為電容變化7，通過前置讀出電路11將電容變化量轉換為電壓變化量以獲得振動質量塊的振動信息，再通過解調參考信號12和低通濾波器13提取陀螺的輸出14並送回網絡分析儀，得到陀螺對真實角速率的頻率響應。實際科氏力可表示為Fc = mVd Ω E [cos (ω nd+ ω E) t+cos (ω nd- ω E) t](4)方程⑷中F。為產生的真實科氏力，m是振動質量塊質量，Ωκ、ω κ分別為實際角速率信號的幅值和頻率，Vd、《nd分別為實際驅動模態振動速度信號的幅值和頻率。通過如圖4所示的信號處理過程，由該實際科氏力所帶來的最終輸出14可表示為U。=、mVdnRB0 cos(aRt - Θ)
2(5)方程(5)中，B0, θ分別為由陀螺結構及後續處理電路所帶來的增益和相位的改變。因此陀螺針對真實角速率16的頻率響應可以表示為= ^T = \ητν Β0(ωκ)Ζ-θ
Ω(ωΛ) 2(6)通過對比虛擬科氏力響應[方程(3)]和實際科氏力響應[方程(6)]可以看到，兩者相頻響應相同，區別僅是幅頻增益有所不同，這可以通過後續增益調節來修正。具體地， 虛擬科氏力幅頻響應和實際科氏力幅頻響應之比為
權利要求
1 .一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法，所述微機械陀螺包括檢測軸向結構， 其中，該檢測軸向結構包括加力結構、振動質量塊和振動拾取結構；其特徵在於，所述方法包括如下步驟步驟1，通過所述加力結構將虛擬科裡奧利力施加在所述振動質量塊上，獲取位移變化量；所述虛擬科裡奧利力為電壓信號與轉化係數的乘積；所述電壓信號為作為虛擬角速率與虛擬驅動模態振動速度信號的乘積，所述轉換係數為該電壓信號施加至所述加力結構時，將電壓轉換為力所對應的比例係數；步驟2，將所述位移變化量通過所述振動拾取結構轉變為電容變化量；然後，由前置讀出電路將該電容變化量轉換為電壓變化量，所述電壓變化量表徵所述振動質量塊的振動信息；步驟3，用解調參考信號對所述電壓變化量進行解調，並將解調後的電壓變化量進行低通濾波，獲得陀螺對該虛擬角速率的頻率響應；步驟4，改變虛擬角速率的頻率，對陀螺進行掃頻操作，得到陀螺對一系列不同頻率虛擬角速率的頻率響應；步驟5，對所述虛擬角速率的頻率響應進行增益調節，獲取陀螺對真實角速率的響應， 從而測量出陀螺的標度因子和帶寬。
2.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於，所述虛擬角速率由網絡分析儀產生， 幅值恆定。
3.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟1中，虛擬驅動模態振動速度由信號發生器產生，其頻率與微機械陀螺驅動模態的固有諧振頻率相等。
4.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟3中的解調參考信號由虛擬驅動模態振動速度信號通過移相得到。
5.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於，所述步驟5中的增益調節由所述虛擬驅動模態振動速度信號的幅值大小、所述轉換係數、所述振動質量塊的質量和驅動模態振動速度大小確定。
6.一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量系統，微機械陀螺包括檢測軸向結構，該檢測軸向結構包括依次連接的加力結構、振動質量塊和振動拾取結構，其特徵在於，所述測量系統包括虛擬科裡奧利力產生裝置、前置讀出電路、解調模塊和低通濾波器； 其中所述虛擬科裡奧利力產生裝置與所述加力結構相連接，所述振動拾取結構、所述前置讀出電路、所述解調模塊和所述低通濾波器順序連接。
7.根據權利要求6所述的測量系統，其特徵在於，所述虛擬科裡奧利力產生裝置包括網絡分析儀、信號發生器和乘法器，所述網絡分析儀的輸出和所述信號發生器的輸出均與所述乘法器的輸入相連接；並且，所述乘法器的輸出與所述加力機構相連接；所述網絡分析儀產生恆定幅值的掃頻信號作為虛擬角速率，通過所述乘法器與由所述信號發生器所產生的虛擬驅動模態振動速度信號相乘得到電壓信號，該電壓信號通過加力結構產生虛擬科氏力作用在所述振動質量塊上，其位移變化通過所述拾取結構變為電容變化，通過所述前置讀出電路將電容變化量轉換為電壓變化量，再通過解調參考信號和所述低通濾波器提取陀螺的輸出並送回網絡分析儀，得到陀螺對虛擬角速率的頻率響應。
8.根據權利要求7所述的測量系統，其特徵在於，所述解調模塊為包括移相器，用於對所述虛擬驅動模態振動速度信號進行移相，產生解調參考信號。
全文摘要
本發明公開了一種微機械陀螺帶寬與標度因子的測量方法及系統。該方法在微機械振動陀螺檢測軸向的振動質量塊上施加一個由虛擬角速率和虛擬驅動模態振動速度所構造的虛擬科氏力，將微機械陀螺檢測軸向的振動信號拾取結構中的檢測電極連接至微小電容讀出電路，使電容變化量轉換為電壓變化量以獲得振動結構的振動信息，用解調參考信號對振動信息進行解調並通過低通濾波器得到陀螺的輸出，通過改變虛擬角速率的頻率對陀螺進行掃頻操作得到陀螺對虛擬角速率的頻率響應，再通過一定的增益調節得到陀螺對真實角速率的響應，從而測量出陀螺的標度因子和帶寬。本發明在不使用轉臺的情況下獲得檢測模態的頻響特性，測量簡便，測試效率高。
文檔編號G01C25/00GK102353384SQ201110137000
公開日2012年2月15日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者何春華, 崔健, 楊振川, 郝一龍, 郭中洋, 閆桂珍 申請人:北京大學