CN102519617B - 一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法，属于惯性传感器器件及信号处理领域。本方法通过构建由石英音叉、模拟电路、ADC、DAC和数字信号处理单元组成的闭环驱动模块，采用数字信号处理方法产生谐振频率附近的正弦信号，并驱动石英音叉工作，然后反馈补偿使音叉工作在稳幅状态，检测驱动信号通过音叉的电流电压变换后的电压量，利用电压量的幅度变化因子g反应温度信息。本发明能显著提高石英音叉陀螺温度补偿的精度和灵活性；对于不同性质的音叉，硬件无须变化，只需要在算法中给出不同的标定系数；如用户不需要提供温度，在数字信号处理单元内部可以直接应用幅度变化因子g做温度补偿，不需增加额外器件。

Description

一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法

技术领域

本发明涉及一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法，属于惯性传感器器件及信号处理领域。 

背景技术

石英微机械陀螺是近二十年来逐渐发展起来的一种MEMS惯性测量器件，用于角速度的测量，石英音叉陀螺具有体积小、重量轻、可靠性高、价格低的优点。 

石英微机械陀螺在工程应用中，对环境要求很高，但是温度变化对该器件的性能有很大影响，目前许多产品中都使用温度补偿技术。在温度补偿电路中，温度信息是补偿算法的依据，需要实时精确的获取陀螺敏感元件石英音叉的温度信息。常规的方法是在石英音叉陀螺中装入温度传感器，比如热敏电阻，根据其输出得到温度信息。但由于石英音叉敏感元件结构的特殊性及封装的需要，温度传感器无法封装于敏感元件内部。因此，根据这种温度信息进行补偿的实时性较差。在实际应用中，环境温度是随时变化的，变化方向和变化速率都不能预先确定，当温度变化速率较快时，由于迟滞效应，补偿结果将会严重偏离，导致陀螺测量角速度的误差很大甚至出现错误。在中国电子科技集团第二十六研究所目前公开的名为“石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法及温度补偿电路”的专利中(专利号申请号为201010115583.4)，给出了一种测量幅控电压发生器的输出电压的线性关系Vk＝-aT+b，得到音叉的温度信息。通过该方法有效解决了传统检测温度必须加外部温度传感器的问题以及温度响应的迟滞效应。但是该方法的不足之处在于，基于石英音叉的工作原理，温度和Vk的变化只是近似线性变化，是一个非线性的曲线，在上述申请专利的附图3中也可以看出这个非线性关系。而且，不同的音叉的温度和Vk的关系的性质不完全一致。所以上诉方法的两个局限性为：由于模拟电路无法获取该变化的非线性信息，因此这种方法的线性方法处理，虽然能够获取温度信息，但是精度受到影响；此外，由于不同音叉的性质不完全一致，调试模拟电路需要较大工作量，一致性较差。 

发明内容

基于现有技术存在的不足，本发明提供了一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法。 

本方法的原理为：构建由石英音叉、模拟电路、ADC、DAC和数字信号处理单元组成的闭环驱动模块，通过数字信号处理方法产生谐振频率附近的正弦信号，并驱动石英音叉工作，然后反馈补偿使音叉工作在稳幅状态，检测驱动信号通过音叉的电流电压变换后的电压量，利用电压量的幅度变化因子g反应温度信息。 

一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法，其具体实现步骤为：

步骤一、在初始工作温度T₀下，生成频率为石英音叉谐振频率的正弦信号，并加载到石英音叉驱动叉指，驱动石英音叉谐振。 

步骤二、经过石英音叉后的正弦信号仍为同频的正弦电压信号，经过数模转换成为数字信号。 

步骤三、对步骤二产生的数字信号进行实时幅度检测，获取电流-电压变换后的电压幅值，通过幅度检测方法，得到幅度变化因子g并输出。 

步骤四、对步骤三得到的幅度变化因子g进行数字信号处理，改变幅度变化因子g，然后反馈加载到石英音叉上，对谐振产生的电压幅值进行补偿，使步骤三检测到的正弦驱动信号稳定在预定值。 

步骤五、改变工作温度，重新进行步骤二至步骤四，得到新的幅度变化因子g。 

步骤六、在石英音叉工作于谐振频率，且稳幅驱动的情况下，石英音叉的输出经电流-电压变化后，通过步骤五在不同温度下获得的不同幅度变化因子g来标定音叉本身的温度。 

所述的标定音叉温度的第一种方法为：在石英音叉陀螺工作的全温范围的上、下极限温度之间分别对驱动信号幅值进行测量，然后通过拟合建立工作温度T和幅度变化因子g的关系式 

T＝a₀+a₁g+a₂g²+L+a_ngⁿ

a₀，a₁，...a_n分别表示最小二乘法拟合系数。在经过多次测量得到T和g的对应关系后通过最小二乘法解算出来。 

解算出a₀，a₁，...a_n后，便可直接利用上式实时获取石英音叉的温度信息T。 

所述标定音叉温度的第二种方法为：在石英音叉陀螺工作的全温范围的上、下极限温度之间以一定步长，分别对不同温度点的驱动信号幅值进行测量，建立温度和驱动幅度对应表。对应表建立后，通过查表的方法根据石英陀螺工作时幅度变化因子g，获得石英音叉当前的工作温度。 

有益效果 

与原有模拟电路线性评估温度的方法相比，本发明能显著提高石英音叉陀螺温度补偿的精度和灵活性。温度和音叉输出经过电流电压变换后的电压幅度之间呈非线性关系，本方法通过拟合或者查表的方法获取温度信息，能准确获得实时温度，有利于提高温度补偿的实时性和精度；对于不同性质的音叉，硬件无须变化，只需要在算法中给出不同的标定系数；如用户不需要提供温度，在数字信号处理单元内部可以直接应用幅度变化因子g做温度补偿，不需增加额外器件。 

附图说明

图1是具体实施方式中的音叉电学等效模型； 

图2是具体实施方式中的电流电压变换模型；其中(a)为石英音叉等效为电学模型，(b)为石英音叉等效为串联谐振频率点的电学模型； 

图3是具体实施方式中的石英音叉的动态电阻随温度变化关系； 

图4是具体实施方式中的数字闭环驱动电路结构示意图； 

图5是具体实施方式中的数字处理单元内部结构示意图； 

图6是具体实施方式中的角速度检测系统的结构示意图； 

图7是具体实施方式中应用测量结果进行幅度变化因子g和温度进行一阶拟合的关系图； 

图8是具体实施方式中应用测量结果进行幅度变化因子g和温度进行二阶拟合的关系图； 

图9是具体实施方式中应用测量结果进行幅度变化因子g和温度进行三阶拟合的关系图。 

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

本发明的石英音叉陀螺驱动幅度随温度变化原理如下： 

任何固体都可以用许多不同方式振动，即它有许多谐振频率。石英晶体压电谐振器也可以进行各种类型的振动，在每种振动中，都存在基频(一次谐波)、二次谐波、三次谐波等等。当只考虑基频时，石英晶体的电学等效模型可以表示为如图1所示。C₀为静电电容，由石英晶体的介电常数和电极尺寸所决定。串联支路中的L₁和C₁是动态电感和动态电容，由石英晶体的尺寸、密度、压电常数和弹性常数决定。R₁是动态电阻，反映了石英晶体机械损耗的大小。 

当在石英音叉一端加载电压信号，为获得流经音叉的电流信号，可以通过电流电压变换单元，通过电流电压变换单元的输出电压表示，当驱动信号频率等于石英音叉串联谐振频率时，石英音叉相当于一个电阻和一个电容的并联，这样，电流电压变换单元和石英音叉的示意图可由图2(a)简化为图2(b)。所示电路的电压放大倍数为 

$A_{V-V}=\frac{\mathrm{Vout}}{\mathrm{Vin}}=\frac{R_f}{|R_1//\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_0}|}\≈\frac{R_f}{R_1}---\left(1\right)$

当温度变化时，动态电阻R₁由于音叉的阻尼变化会发生改变，对音叉在不同温度下测量阻抗特性，可以获得音叉的动态电阻和温度关系曲线如图3，图中可以看出动态电阻和温度是近似线性关系。 

可以看出，如果如图2中的激励石英音叉的输入信号Vin幅度稳定，Vout的电压幅值是和R₁成反向关系。而这个幅值是和温度成近似线形关系。 

但是模拟电路驱动幅度不能完全保持一致，另外由于R₁变化，尽管闭环驱动环路可以在温度变化下重新达到平衡，但是驱动幅值变化了，并且这个变化是非线性的，要想用模拟电路无法精确表示温度。 

数字电路通过DA变换可以产生和模拟电路一样任意频率的正弦波，并且可以控制驱动幅值，通过AD变换，检测通过如图2b所示的电流电压变换单元后的Vout，可以准确获取幅度变化，从而准确确定温度。 

因此，需要采用数字化方法用驱动幅度来反映温度信息。数字化方法涉及到电路设计和数字信号处理方法。 

为实现本发明方法而设计的数字闭环驱动电路如图4所示，包括电流电压变换单元、ADC单元、数字处理单元、DAC单元。其中，电流电压变换单元的输出经ADC单元输入到数字处理单元，数字处理单元的输出经DAC单元后，驱动石英音叉。 

数字处理单元产生一个频率在谐振频率附近的数字正弦波，该正弦波通过DAC单元后变成模拟信号。该模拟信号加在石英音叉驱动叉指上，由于石英晶体的阻抗很高，要用一个电流电压变换单元将通过石英音叉的微弱电流信号转换成电压信号，将这个电压信号再通过ADC单元变成数字信号用数字处理单元进行处理，形成了驱动电路的闭环控制。 

本实施例的数字处理单元内部结构如图5所示，包括正弦波发生器、频率控制、自动增益控制、相位检测、幅度检测自适应控制单元和温度标定单元；其中，频率控制和自动增益控制的输出连接正弦波发生器，自适应控制单元的输出分别连接频率控制和自动增益控制，相位检测和幅度检测的输出分别输入自适应控制单元。正弦波发生器连接DAC单元和温度标定单元，ADC单元的输出分别作为相位检测和幅度检测的输入。 

本实施例中温度测量的数字闭环驱动电路工作过程为： 

如图5所示，正弦波发生器产生频率在谐振频率附近的正弦信号，其频率和幅度由频率控制和自动增益控制决定，正弦信号经过驱动信号DAC单元转换成模拟正弦信号加载到石英音叉驱动叉指电极，驱动信号经过石英音叉外围电路后经过驱动信号检测ADC单元转换成数字信号，通过相位检测和幅度检测进入自适应控制单元，自适应控制单元产生谐振频率的参数和增益调节后的参数送入正弦波发生器，同时产生幅度变化因子g，温度标定单元根据幅度变化因子g标定温度后作为温度输出。具体实施中，可以使用多种幅度检测方法实现对幅度变化因子g的求解。 

本实施例中要得到通过石英音叉的正弦波的频率和幅度，需要获得通过石英音叉陀螺驱动检测信号相对于原驱动信号的相位延迟。本实施例中采用的相位检测方法为：采用正交信号做相关运算后的关系求得。正弦波发生器产生一个V_D(t)信号，需要获取一个正交信号V_Q(t)，则在此单元需要产生一个假设两路正交的参考信号分别为： 

V_D(t)＝cos(ω_dt)        (2) 

V_Q(t)＝sin(ω_dt)                 (3) 

其中，ω_d为正弦波工作的频率。 

经过石英音叉后的信号为 

式中A₀为驱动检测信号的幅值， 

为驱动检测信号相对于原驱动信号的相位延迟。 

用正交的两路参考信号分别与V_D2作相关运算可得： 

式(5)式(6)等式右边是一个带有相位信息的直流项和一个二次谐波项，因此也可以和幅度检测时一样，利用低通滤波器滤除掉二次谐波项，得到： 

令 则 

因此，求出 

的反余切值就得到了经过音叉后的信号相对于驱动信号的相位延迟。 

设定经过石英音叉的相移为 本实施例的频率控制通过检测到的 

和 

的差值去调整驱动信号的频率，使驱动信号的频率锁定在谐振频率附近处。 

本实施例中为了获取正弦信号的实时幅值，采用的幅度检测方法为：设经 过石英音叉后的输出信号为： 

式中A₀为驱动检测信号的幅值， 

为驱动检测信号的相位信息，对其作自相关运算可以得到： 

式中右边第一项是包含有驱动检测信号幅度信息的直流项，第二项为二次谐波项，因此可以通过低通滤波器滤除掉二次谐波项，只保留直流项，也就是保留了驱动检测信号的幅度信息。 

本实施例中的求取幅度变化因子g的方法为：求取驱动检测信号的幅度值后通过公式(12)求取g值。其中h(x)代表函数关系。例如可以根据数值处理方便，采用线性函数h(x)＝ax+b，也可以采用其他函数，如h(x)＝ax²+bx+c等函数。本实施例在实测中采用h(x)＝1000x²+1000x，当产生得正弦波信号的幅度x＝V_D＝2.5V时，g为8750，根据g的数值控制DAC单元输出正弦波的幅值V_D，使得经过音叉和电流电压变换后的 

幅度稳定。 

g＝h(x)L(x＝V_D)             (12) 

自适应控制单元主要包括： 

(1)频率跟踪控制：控制频率参数决定正弦波发生器驱动信号的频率。(2)驱动信号增益控制，实现驱动信号的自动增益控制，满足参考振动的稳幅条件。(3)驱动信号幅度变化因子g，在不同温度下，标定g的变化，此参数作为温度输出。 

通过上述方法，可以实现石英陀螺在下限温度和上限温度范围内的温度实时检测。

温度标定单元根据驱动幅度变化因子g来反应温度信息。具体实施中可采用两种温度标定的方法。 

第一种温度标定方法为：在石英音叉陀螺工作的全温范围的上、下极限温度之间分别对驱动信号幅值进行测量，然后通过拟合建立温度和驱动幅值g的关系式 

T＝a₀+a₁g+a₂g²+L+a_ngⁿ      (13) 获取石英音叉的实时温度信息； 

第二种温度标定方法为：在石英音叉陀螺工作的全温范围的上、下极限温度之间以一定步长，分别对不同温度点的驱动信号幅值进行测量，建立温度和驱动幅度对应查找表，在石英陀螺在不同温度工作时，通过查找表的方法根据不同的幅度变化因子g，获得石英音叉温度。 

本发明在通过上述方法获取在不同温度下的幅度变化因子时，还可以在数字处理单元内部增加敏感输出的解调算法获得石英陀螺的角速度输出，通过幅度变化因子g和温度关系，用g表征温度，对石英陀螺做角速度输出的温度补偿，提高全温范围精度而不需增加额外器件。 

应用上述方法得到正弦波发生器的幅度变化因子来反映温度信号，用温度信息建立石英音叉陀螺零位漂移和温度的关系来对零位输出进行补偿。 

角速度检测电路如图6所示。在数字处理单元加上信号解调模块、温度补偿后输出模块。信号解调模块，根据驱动环路正弦信号再产生一路正交信号，作为参考信号对敏感叉指的输出信号进行相关解调，通过移相器调整参考信号的相位使参考信号和敏感角速度信号的相位同相位，然后通过相关解调检测角速度。温度补偿后输出模块通过大量实验数据建立的温度补偿模型和检测温度提供的温度信息对石英音叉陀螺的零位输出进行全温范围的补偿。 

温度补偿的目的是将全温范围的陀螺零位输出值稳定在一个恒定值，可以不提供温度信息。因此，可以直接建立石英音叉陀螺的零位输出和增益因子的关系式： 

Bias＝b₀+b₁g¹+b₂g²L+b_ngⁿ        (14) 

从而可以直接对陀螺零位进行补偿。应用该方法，不需要外加传感器，就可以进行温度补偿，大幅减小全温范围的漂移。 

因为在全温范围石英音叉陀螺的零位变化其实很小，而石英音叉陀螺的测试和周围环境又有很大关系，那么在各个温度下测得的陀螺零位输出存在重复性的问题，所以本设计建立温度补偿模型用拟合的方法，采用多项式的最小二乘曲线拟合来建立温度补偿模型。另外，要根据零位输出和温度的曲线特点来确定分成几段来进行补偿，要根据需要陀螺零位的稳定度来确定温度补偿的精 度，即多项式的阶数。 

实施例 

应用本发明所述的测温方法，在-20度-80度温度范围内，对不同温度下的g值进行了测量，应用公式(13)分别通过一阶、二阶、三阶拟合获得温度值。图7，图8，图9分别代表拟合结果。 

其中一阶拟合表示为T(g)＝p1*g+p2；经最小二乘法计算，p1＝15.96，p2＝8241； 

二阶拟合表示为T(g)＝p1*g²+p2*x+p3。经最小二乘法计算，p1＝0.0385，p2＝13.65，p3＝8237； 

三阶拟合表示为T(g)＝p1*g³+p2*g²+p3*g+p4。经最小二乘法计算，p1＝5.436*10^-8，p2＝-0.001437，p3＝12.7，p4＝-3.751*10⁴。 

从测试结果可以看出，三阶拟合的效果比较理想，即通过幅度变化因子g可以实时准确的获得温度信息。在实际应用中，可以根据具体情况来确定拟合阶数。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。 

Claims (3)

1.一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法，其特征在于：其具体实现步骤为：

步骤一、在初始工作温度T₀下，生成频率为石英音叉谐振频率的正弦信号，并加载到石英音叉驱动叉指，驱动石英音叉谐振；

步骤二、经过石英音叉后的正弦信号为同频的正弦电压信号，经过数模转换成为数字信号；

步骤三、对步骤二产生的数字信号进行实时幅度检测，获取电流-电压变换后的电压幅值，通过幅度检测方法，得到幅度变化因子g并输出；

步骤四、对步骤三得到的幅度变化因子g进行数字信号处理，改变幅度变化因子g，然后反馈加载到石英音叉上，对谐振产生的电压幅值进行补偿，使步骤三检测到的正弦驱动信号稳定在预定值；

步骤五、改变工作温度，重新进行步骤二至步骤四，得到新的幅度变化因子g；

步骤六、在石英音叉工作于谐振频率，且稳幅驱动的情况下，石英音叉的输出经电流-电压变化后，通过步骤五在不同温度下获得的不同幅度变化因子g来标定音叉本身的温度；

上述方法的实施电路包括电流电压变换单元、ADC单元、数字处理单元、DAC单元；其中，数字处理单元包括正弦波发生器、频率控制、自动增益控制、相位检测、幅度检测、自适应控制单元和温度标定单元；上述部分的连接关系为：电流电压变换单元的输出经ADC单元输入到数字处理单元，数字处理单元的输出经DAC单元后，驱动石英音叉；频率控制和自动增益控制的输出连接正弦波发生器，自适应控制单元的输出分别连接频率控制和自动增益控制，相位检测和幅度检测的输出分别输入自适应控制单元，正弦波发生器连接DAC单元和温度标定单元，ADC单元的输出分别作为幅度检测和相位检测的输入。

2.根据权利要求1所述的一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法，其特征在于：步骤六所述标定音叉温度本身的方法替换为：在石英音叉陀螺工作全温范围的上、下极限温度之间以一定步长，分别对不同温度点的驱动信号幅值进行测量，建立温度和驱动信号幅值对应表；然后通过查表的方法根据石英陀螺工作时幅度变化因子g，获得石英音叉当前的工作温度。

3.根据权利要求1所述的一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法，其特征在于：在数字处理单元内部增加敏感输出的解调方法获得石英陀螺的角速度输出，通过幅度变化因子g和工作温度关系，用g表征工作温度，对石英陀螺做角速度输出的温度补偿，提高全温范围精度而不需增加额外器件。

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