CN102353384B - 微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统。该方法在微机械振动陀螺检测轴向的振动质量块上施加一个由虚拟角速率和虚拟驱动模态振动速度所构造的虚拟科氏力，将微机械陀螺检测轴向的振动信号拾取结构中的检测电极连接至微小电容读出电路，使电容变化量转换为电压变化量以获得振动结构的振动信息，用解调参考信号对振动信息进行解调并通过低通滤波器得到陀螺的输出，通过改变虚拟角速率的频率对陀螺进行扫频操作得到陀螺对虚拟角速率的频率响应，再通过一定的增益调节得到陀螺对真实角速率的响应，从而测量出陀螺的标度因子和带宽。本发明在不使用转台的情况下获得检测模态的频响特性，测量简便，测试效率高。

Description

微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及微机械惯性传感器技术领域，尤其涉及一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统。

背景技术

微机械陀螺是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的器件，用于测量载体的角速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，属于惯性传感器。有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用领域以及惯性制导和战术导弹等军用领域。

微机械振动式陀螺一般有两个轴向：驱动轴向和检测轴向。正常工作时，须保证陀螺在驱动轴向上作恒幅振动，当沿陀螺的敏感轴有角速率输入时，就会在检测轴向产生一个正比于外界角速率输入的科里奥利力(简称科氏力或哥氏力)，陀螺振动质量块在该科氏力作用下沿检测轴向振动，其位移变化可以通过电容拾取结构变为电容变化，再通过微小电容读出电路将电容变化量转换为电压变化量，最后通过同步解调以获得角速率信息。

标度因子和带宽是微机械陀螺性能指标中比较关键的两个指标。标度因子是指单位角速率输入时所带来的电压输出，单位一般是mV/(°/s)。带宽是指在测量的针对外界动态角速率的幅频响应中幅值下降3dB所对应的频率范围。现有的测量标度因子和带宽的方法是利用转台产生一系列角速率，然后测量陀螺的输出电压，再进行标定，如文献Y.Hong，S.Kim，and J.H.Lee，″Modeling ofangular-rate bandwidth for a vibrating microgyroscope，″MicrosystemTechnologies，vol.9，pp.441-448，Sep 2003.该方法适合最终的整机标定。但在调试过程中，为了获得要求的标度因子和带宽，需要频繁上下转台，使得调试过程繁琐，效率低下。

此外为了延展陀螺的测量带宽，提高量程和线性度等，需要对陀螺的检测模态进行闭环控制，其中最关键的是能够得到陀螺对外界角速率的响应，这个响应相当于控制对象。在实际系统调试时，控制对象的获得是有难度的，主要是因为转台的限制，角振动频率达到kHz量级比较困难。即使可以通过转台扫频得到控制对象频响，在系统调试时也需要频繁上下转台操作，使设计过程变得繁琐而低效。现有方法如文献：董煜茜，高钟毓，张嵘，″微机械角速率传感器的性能分析，″传感技术学报，pp.28-36，1998；王巍，王岩，″振动轮式硅微陀螺仪检测轴的闭环特性，″中国惯性技术学报，pp.738-742，2007.都是假设陀螺工作在模态匹配模式下，然后通过近似成一阶惯性环节来描述控制对象。这种方法适用于模态匹配模式下的陀螺，不适用于模态分离模式下的陀螺，此外对于控制对象的辨识精度不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法，以在不使用转台的情况下获得陀螺检测模态的频响特性，为工作在开环和闭环检测条件下微机械陀螺标度因子和带宽的测量提供简便途径，提高测试效率。

一方面，本发明公开了一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法，所述微机械陀螺包括检测轴向结构，其中，该检测轴向结构包括加力结构、振动质量块和振动拾取结构；所述方法包括如下步骤：

步骤1，通过所述加力结构将虚拟科里奥利力施加在所述振动质量块上，获取位移变化量；所述虚拟科里奥利力为电压信号与转化系数的乘积；所述电压信号为作为虚拟角速率与虚拟驱动模态振动速度信号的乘积，所述转换系数为该电压信号施加至所述加力结构时，将电压转换为力所对应的比例系数。

步骤2，将所述位移变化量通过所述振动拾取结构转变为电容变化量；然后，由前置读出电路将该电容变化量转换为电压变化量，所述电压变化量表征所述振动质量块的振动信息。

步骤3，用解调参考信号对所述电压变化量进行解调，并将解调后的电压变化量进行低通滤波，获得陀螺对该虚拟角速率的频率响应。

步骤4，改变虚拟角速率的频率，对陀螺进行扫频操作，得到陀螺对一系列不同频率虚拟角速率的频率响应。

步骤5，对所述虚拟角速率的频率响应进行增益调节，获取陀螺对真实角速率的响应，从而测量出陀螺的标度因子和带宽。

上述测量方法中，所述虚拟角速率由网络分析仪产生，幅值恒定。

上述测量方法中，虚拟驱动模态振动速度由信号发生器产生，其频率与微机械陀螺驱动模态的固有谐振频率相等。

上述测量方法中，所述步骤3中的解调参考信号由虚拟驱动模态振动速度信号通过移相得到。

上述测量方法中，所述步骤5中的增益调节由所述虚拟驱动模态振动速度信号的幅值大小、所述转换系数、所述振动质量块的质量和驱动模态振动速度大小确定。

另一方面，本发明还公开了一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量系统，微机械陀螺包括检测轴向结构，该检测轴向结构包括依次连接的加力结构、振动质量块和振动拾取结构，所述测量系统包括虚拟科里奥利力产生装置、前置读出电路、解调模块和低通滤波器；其中所述虚拟科里奥利力产生装置与所述加力结构相连接，所述振动拾取结构、所述前置读出电路、所述解调模块和所述低通滤波器顺序连接。

上述测量系统中，所述虚拟科里奥利力产生装置包括：网络分析仪、信号发生器和乘法器，所述网络分析仪的输出和所述信号发生器的输出均与所述乘法器的输入相连接；并且，所述乘法器的输出与所述加力机构相连接；所述网络分析仪产生恒定幅值的扫频信号作为虚拟角速率，通过所述乘法器与由所述信号发生器所产生的虚拟驱动模态振动速度信号相乘得到电压信号，该电压信号通过加力结构产生虚拟科氏力作用在所述振动质量块上，其位移变化通过所述拾取结构变为电容变化，通过所述前置读出电路将电容变化量转换为电压变化量，再通过解调参考信号和所述低通滤波器提取陀螺的输出并送回网络分析仪，得到陀螺对虚拟角速率的频率响应。

上述测量系统中，所述解调模块为包括移相器，用于对所述虚拟驱动模态振动速度信号进行移相，产生解调参考信号。

相对于现有技术而言，本发明的方法可以在不使用转台的情况下获得陀螺检测模态的频响特性，为开环和闭环条件下测量标度因子和带宽提供了一个简便途径，提高了测试效率。同时，由于可以快速评估陀螺系统对外界角速率的频响特性，为陀螺检测模态闭环控制系统的设计提供控制对象辨识，摆脱了转台的性能限制，方便了控制系统设计和调试环节，且对模态分离和模态匹配模式下的陀螺都适用。

附图说明

图1为本发明所适用的微机械陀螺检测轴向结构示意图；

图2为本发明微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法实施例的步骤流程图；

图3为基于虚拟科氏力的测量微机械陀螺带宽与标度因子的方法实现方案示意图；

图4为微机械陀螺对实际外加角速率响应的信号流示意图；

图5为本发明微机械陀螺带宽与标度因子的测量系统实施例的结构框图；

图6为虚拟科里奥利力产生装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法实施例

如图1所示，本发明所适用的微机械陀螺检测轴向结构1一般由加力结构3，振动质量块5和振动拾取结构6构成。振动拾取结构6通常采用差分式电容式结构，主要有梳齿型电容结构和平行板型电容结构。

参照图2，图2为本发明微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法实施例的步骤流程图，包括如下步骤：

步骤S210，通过加力结构将虚拟科里奥利力施加在振动质量块上，获取位移变化量；虚拟科里奥利力为电压信号与转化系数的乘积；电压信号为虚拟角速率与虚拟驱动模态振动速度信号的乘积，转换系数为该电压信号施加至加力结构时，将电压转换为力所对应的比例系数。其中，虚拟角速率幅值恒定，具体实施时可以由网络分析仪产生；虚拟驱动模态振动速度由信号发生器产生，其频率与微机械陀螺驱动模态的固有谐振频率相等。

步骤S220，将位移变化量通过振动拾取结构转变为电容变化量；然后，由前置读出电路(微小电容读出电路)将该电容变化量转换为电压变化量，电压变化量表征振动质量块的振动信息。

步骤S230，用解调参考信号对电压变化量进行解调，并将解调后的电压变化量进行低通滤波，获得陀螺对该虚拟角速率的频率响应。其中，解调参考信号可以由虚拟驱动模态振动速度信号通过移相得到。

步骤S240，改变虚拟角速率的频率，对陀螺进行扫频操作，得到陀螺对一系列不同频率虚拟角速率的频率响应。

步骤S250，对虚拟角速率的频率响应进行增益调节，获取陀螺对真实角速率的响应，从而测量出陀螺的标度因子和带宽。

在一个更为具体的实施例中，如图3所示，用网络分析仪产生一恒定幅值的扫频信号作为虚拟角速率8，通过乘法器10与由信号发生器所产生的虚拟驱动模态振动速度信号相乘得到电压信号2，电压信号2通过加力结构3产生虚拟科氏力4作用在振动质量块5上，其位移变化可以通过拾取结构6变为电容变化7，通过前置读出电路11将电容变化量7转换为电压变化量以获得振动质量块的振动信息，再将电压变化量通过解调参考信号12和低通滤波器13，提取出陀螺的输出14并送回网络分析仪，得到陀螺对虚拟角速率的频率响应。

作用在振动质量块5上的虚拟科氏力可表示为：

F_vir＝2V_acV_faK_vf[cos(ω_nd+ω_R)t+cos(ω_nd-ω_R)t]        (1)

方程(1)中F_vir为产生的虚拟科氏力，K_vf是电压到力的转换系数，V_ac、ω_R分别为虚拟角速率信号的幅值和频率，V_fa、ω_nd分别为虚拟驱动模态振动速度信号的幅值和频率。通过本发明，由该虚拟科氏力所带来的最终输出，即低通滤波后产生的输出可表示为：

U_o＝V_acV_faK_vfB₀cos(ω_Rt-θ)                            (2)

方程(2)中，B₀、θ分别为由陀螺结构及后续处理电路所带来的增益和相位的改变。因此陀螺针对虚拟角速率的频率响应可以表示为：

$\tilde{G}\left({\mathrm{\ω}}_R\right)=\frac{U_o\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}{V_{\mathrm{ac}}\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}=V_{\mathrm{fa}}{K}_{\mathrm{vf}}{B}_0\left({\mathrm{\ω}}_R\right)\∠-\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

图4为陀螺对实际外加角速率响应的信号流。如图4所示，用网络分析仪产生一恒定幅值的扫频信号送入转台产生角速率信号16，该角速率信号16被实际驱动模态振动速度信号17调制，产生真实的科氏力15直接作用在振动质量块5上，其位移变化可以通过拾取结构6变为电容变化7，通过前置读出电路11将电容变化量转换为电压变化量以获得振动质量块的振动信息，再通过解调参考信号12和低通滤波器13提取陀螺的输出14并送回网络分析仪，得到陀螺对真实角速率的频率响应。

实际科氏力可表示为：

F_c＝mV_dΩ_R[cos(ω_nd+ω_R)t+cos(ω_nd-ω_R)t]          (4)

方程(4)中F_c为产生的真实科氏力，m是振动质量块质量，Ω_R、ω_R分别为实际角速率信号的幅值和频率，V_d、ω_nd分别为实际驱动模态振动速度信号的幅值和频率。通过如图4所示的信号处理过程，由该实际科氏力所带来的最终输出14可表示为：

$U_o=\frac{1}{2}m{V}_d{\mathrm{\Ω}}_R{B}_0\cos ({\mathrm{\ω}}_{R}t-\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

方程(5)中，B₀、θ分别为由陀螺结构及后续处理电路所带来的增益和相位的改变。因此陀螺针对真实角速率16的频率响应可以表示为：

$G\left({\mathrm{\ω}}_R\right)=\frac{U_o\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}{\mathrm{\Ω}\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}=\frac{1}{2}m{V}_d{B}_0\left({\mathrm{\ω}}_R\right)\∠-\mathrm{\θ}---\left(6\right)$

通过对比虚拟科氏力响应[方程(3)]和实际科氏力响应[方程(6)]可以看到，两者相频响应相同，区别仅是幅频增益有所不同，这可以通过后续增益调节来修正。具体地，虚拟科氏力幅频响应和实际科氏力幅频响应之比为

$z=\left|\frac{\tilde{G}\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}{G\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}\right|=\frac{2V_{\mathrm{fa}}{K}_{\mathrm{vf}}}{m{V}_d}---\left(7\right)$

在测得陀螺针对虚拟角速率的频率响应后，将幅频响应幅值缩小z倍便得到了陀螺针对实际角速率的响应，可以看出该方法可以在无转台条件下，测得陀螺的标度因子和带宽。

上述实施例可以在不使用转台的情况下获得陀螺检测模态的频响特性，为开环和闭环条件下测量标度因子和带宽提供了一个简便途径，提高了测试效率。同时，由于可以快速评估陀螺系统对外界角速率的频响特性，为陀螺检测模态闭环控制系统的设计提供控制对象辨识，摆脱了转台的性能限制，方便了控制系统设计和调试环节，且对模态分离和模态匹配模式下的陀螺都适用。

微机械陀螺带宽与标度因子的测量系统实施例

参照图5，图5为本发明微机械陀螺带宽与标度因子的测量系统实施例的结构框图。其中，微机械陀螺包括检测轴向结构51，该检测轴向结构51包括加力结构510、振动质量块511和振动拾取结构512；测量系统包括虚拟科里奥利力产生装置50、前置读出电路52、解调模块53和低通滤波器54；其中虚拟科里奥利力产生装置50与加力结构510相连接，振动拾取结构512、前置读出电路52、解调模块53和低通滤波器54顺序连接。

在一个实施例中，虚拟科里奥利力产生装置50可以通过下述方式实现，参照图6，该虚拟科里奥利力产生装置包括：网络分析仪501、信号发生器502和乘法器503，网络分析仪501的输出和信号发生器502的输出均与乘法器503的输入相连接；并且，乘法器503的输出与加力机构相连接；网络分析仪501产生恒定幅值的扫频信号作为虚拟角速率，通过乘法器503与由信号发生器502所产生的虚拟驱动模态振动速度信号相乘得到电压信号，该电压信号通过加力结构510产生虚拟科氏力作用在振动质量块511上，其位移变化通过拾取结构512变为电容变化，通过前置读出电路52将电容变化量转换为电压变化量，再通过解调模块53和低通滤波器54提取陀螺的输出并送回网络分析仪501，得到陀螺对虚拟角速率的频率响应。解调模块53包括移相器，用于对所述虚拟驱动模态振动速度信号进行移相，产生解调参考信号。

作用在振动质量块511上的虚拟科氏力可表示为方程(1)，低通滤波后产生的输出可表示为方程(2)，微机械陀螺针对虚拟角速率的频率响应可以表示方程(3)。

微机械陀螺对实际外加角速率响应的信号流与图4相似。

实际科氏力可表示为方程(4)，该实际科氏力所带来的最终输出可表示为方程(5)，陀螺针对真实角速率的频率响应可以表示为方程(6)。

通过对比虚拟科氏力响应[方程(3)]和实际科氏力响应[方程(6)]可以看到，两者相频响应相同，区别仅仅是幅频增益有所不同，这可以通过后续增益调节来修正。具体地，虚拟科氏力幅频响应和实际科氏力幅频响应之比为

$z=\left|\frac{\tilde{G}\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}{G\left({\mathrm{\ω}}_R\right)}\right|=\frac{2V_{\mathrm{fa}}{K}_{\mathrm{vf}}}{m{V}_d}---\left(7\right)$

在测得陀螺针对虚拟角速率的频率响应后，将幅频响应幅值缩小z倍便得到了陀螺针对实际角速率的响应，可以看出该方法可以在无转台条件下，测得陀螺的标度因子和带宽。

上述实施例可以在不使用转台的情况下获得陀螺检测模态的频响特性，为开环和闭环条件下测量标度因子和带宽提供了一个简便途径，提高了测试效率。同时，由于可以快速评估陀螺系统对外界角速率的频响特性，为陀螺检测模态闭环控制系统的设计提供控制对象辨识，摆脱了转台的性能限制，方便了控制系统设计和调试环节，且对模态分离和模态匹配模式下的陀螺都适用。

以上对本发明所提供的一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法，所述微机械陀螺包括检测轴向结构，其中，该检测轴向结构包括加力结构、振动质量块和振动拾取结构；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，通过所述加力结构将虚拟科里奥利力施加在所述振动质量块上，获取位移变化量；所述虚拟科里奥利力为电压信号与转化系数的乘积；所述电压信号为虚拟角速率与虚拟驱动模态振动速度信号的乘积，所述转化系数为该电压信号施加至所述加力结构时，将电压转换为力所对应的比例系数；

步骤2，将所述位移变化量通过所述振动拾取结构转变为电容变化量；然后，由前置读出电路将该电容变化量转换为电压变化量，所述电压变化量表征所述振动质量块的振动信息；

步骤3，用解调参考信号对所述电压变化量进行解调，并将解调后的电压变化量进行低通滤波，获得陀螺对该虚拟角速率的频率响应；

步骤4，改变虚拟角速率的频率，对陀螺进行扫频操作，得到陀螺对一系列不同频率虚拟角速率的频率响应；

步骤5，对所述虚拟角速率的频率响应进行增益调节，获取陀螺对真实角速率的响应，从而测量出陀螺的标度因子和带宽。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述虚拟角速率由网络分析仪产生，幅值恒定。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤1中，虚拟驱动模态振动速度由信号发生器产生，其频率与微机械陀螺驱动模态的固有谐振频率相等。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤3中的解调参考信号由虚拟驱动模态振动速度信号通过移相得到。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤5中的增益调节由所述虚拟驱动模态振动速度信号的幅值大小、所述转化系数、所述振动质量块的质量和驱动模态振动速度大小确定。

6.一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量系统，微机械陀螺包括检测轴向结构，该检测轴向结构包括依次连接的加力结构、振动质量块和振动拾取结构，其特征在于，

所述测量系统包括虚拟科里奥利力产生装置、前置读出电路、解调模块和低通滤波器；其中所述虚拟科里奥利力产生装置与所述加力结构相连接，所述振动拾取结构、所述前置读出电路、所述解调模块和所述低通滤波器顺序连接。

7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述虚拟科里奥利力产生装置包括：

网络分析仪、信号发生器和乘法器，所述网络分析仪的输出和所述信号发生器的输出均与所述乘法器的输入相连接；并且，所述乘法器的输出与所述加力机构相连接；

所述网络分析仪产生恒定幅值的扫频信号作为虚拟角速率，通过所述乘法器与由所述信号发生器所产生的虚拟驱动模态振动速度信号相乘得到电压信号，该电压信号通过加力结构产生虚拟科氏力作用在所述振动质量块上，振动质量块的位移变化通过所述拾取结构变为电容变化，通过所述前置读出电路将电容变化量转换为电压变化量，再通过解调参考信号和所述低通滤波器提取陀螺的输出并送回网络分析仪，得到陀螺对虚拟角速率的频率响应。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述解调模块包括移相器，用于对所述虚拟驱动模态振动速度信号进行移相，产生解调参考信号。

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