CN103759722B - 一种环形陀螺仪的静电调整方法及静电调整系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环形陀螺仪的静电调整方法及静电调整系统，该方法包括：计算失调参数λ；计算表征谐振环非理想程度的非理想参数f和g；确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小；以及将得到的调整电压分别施加到对应组的调整电极上，重复前面的步骤，直至两个模态的频率差满足调整要求。通过该方法，可快速精确地确定调整电极上的调整电压，利用该调整电压对谐振环产生的弹性力弥补由于工艺误差造成的谐振环的不理想性。根据本发明的静电调整系统具有同样的技术效果。

Description

一种环形陀螺仪的静电调整方法及静电调整系统

技术领域

本发明属于MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystem）传感器技术领域，具体地，涉及一种用于检测物体角速率的谐振环式陀螺仪（或称环形陀螺仪）的静电调整方法及静电调整系统。

背景技术

近年来，随着现代制导和控制系统对可靠性、控制精度、小型化、低能耗、质量轻等的要求的日益提高，对系统传感器部件的要求也越来越高。传统的压电陀螺、光纤陀螺已经远远不能满足系统的要求。这样，MEMS硅微陀螺以它体积小，质量轻，低功耗，低成本等优点得到了广泛的应用。

谐振环式硅微陀螺仪（环形陀螺仪）具有加工工艺简单，环路控制方便，检测灵敏度高的特点。然而，在环形陀螺仪的谐振环的加工过程中，不可避免地会存在不同程度的加工误差，该加工误差造成了环形结构的不对称性。这样就会引起谐振环工作模态之间的自然谐振频率不匹配，从而严重影响系统的测试精度，甚至使系统不能正常工作。然而，短时间内又很难在一定程度上进一步提高加工工艺的精度。比较传统的方法是采用激光平衡法，对谐振环上不均匀处进行激光打平和粘附的方法来修补，但是这种方法需要在谐振环封装之前进行，对工艺要求相对也比较高，且在费用上比较昂贵，而且最小单位材料的消除和粘附都会引起谐振频率很大程度上的改变，所以调整精度不是很高，有时还会对谐振环造成永久性的破坏。

在申请号为200580023586.2、名称“角速度传感器”的中国专利申请中介绍了一种谐振环结构不完整的调整方法，并给出了施加在调整电极上的电压表达式。然而，此专利申请中并没有给出得到调整参数的方法，而且，通过测试方法得到这些参数相对复杂，难以在较短的时间内完成谐振环的调整工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种环形陀螺仪的静电调整方法及其静电调整系统，以克服由于加工工艺误差造成的谐振环非理想性，使得能够大量生产特性一致的角速率产品。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括：

根据本发明的一个方面，其提供了一种环形陀螺仪的静电调整方法，包括以下步骤：

S1、在环形陀螺仪的谐振环的内侧均匀分布八个电极，即，依次布置第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极以及第八电极，其中，第一电极和第五电极为第一模态的驱动电极，第三电极和第七电极为第一模态的检测电极；第二电极和第六电极为第二模态的驱动电极，第四电极和第八电极为第二模态的检测电极；并且在谐振环的外侧依次且均匀地布置16个静电调整用的调整电极，即，第九电极、第十电极、第十一电极、第十二电极、第十三电极、第十四电极、第十五电极、第十六电极、第十七电极、第十八电极、第十九电极、第二十电极、第二十一电极、第二十二电极、第二十三电极以及第二十四电极，其中，第九电极、第二十一电极、第十七电极、以及第十三电极为一组，施加的偏置电压记为V₁；第二十四电极、第二十电极、第十六电极、以及第十二电极为一组，施加的偏置电压记为V₂；第二十三电极、第十九电极、第十五电极、以及第十一电极为一组，施加的偏置电压记为V₃；第二十二电极、第十八电极、第十四电极、以及第十电极为一组，施加的偏置电压记为V₄；

S2、测量第一模态的谐振频率ω₁和第二模态的谐振频率ω₂，通过公式计算谐振环的失调参数λ；并判断两个模态的频率差是否满足要求，如果满足要求，则结束调整；如果不满足，则继续执行后续的步骤；

S3、给谐振环的第一模态施加驱动力，使得驱动力的频率在第一模态的谐振频率ω₁上，测量两个模态的振动q₀₁和q₀₂，然后根据下面的公式计算表征谐振环非理想程度的非理想参数f和g：

$f=\mathrm{\λ}\left[\frac{1-R^2}{1+R^2}\right],$

$g=\frac{f+\mathrm{\λ}}{R}{e}^{\mathrm{i\σ}},$

其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ＝180度或0度；

S4、根据步骤S3中得到的非理想参数f和g的正负，判断对四组调整电极中的哪两组调整电极的电压进行调整，不做调整的两组调整电极的偏置电压设为零，然后，根据下面的平衡判据确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小：

$f=\mathrm{\Γ}(V_1^2-V_3^2-V_2^2+V_4^2),$

$g=0.5\mathrm{\Γ}(V_1^2-V_3^2+V_2^2-V_4^2),$

其中，ε₀为介电常数，a为谐振环的半径，d为谐振环的厚度，h₀为谐振环与调整电极之间的间隙，k₀为谐振环的理想弹性力，V₁、V₂、V₃、V₄分别为施加到四组调整电极上的四组偏置电压；

S5、将步骤S4中得到的调整电压V₁、V₂、V₃、V₄分别施加到对应组的调整电极上，继续执行步骤S2，直至两个模态的频率差满足要求。

可替换地，在步骤S3中，还可以通过下面的方式计算两个非理想参数f和g：

给谐振环的第二模态施加驱动力，并使得驱动力的频率在第二模态的谐振频率ω₂上，由此测量两个模态的振动q₀₁和q₀₂,并根据下面的公式计算表征谐振环非理想程度的非理想参数f和g：

$f=\mathrm{\λ}\left[\frac{1-R^2}{1+R^2}\right],$

g＝-R(f+λ)e^iσ，

其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度或0度。

根据本发明的另一方面，其提供了一种环形陀螺仪的静电调整系统，环形陀螺仪的谐振环的内侧均匀分布有八个电极，即，顺次布置的第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极、第六电极、第七电极以及第八电极，其中，第一电极和第五电极为第一模态的驱动电极，第三电极和第七电极为第一模态的检测电极；第二电极和第六电极为第二模态的驱动电极，第四电极和第八电极为第二模态的检测电极；并且谐振环的外侧均匀分布有16个静电调整用的调整电极，即，第九电极、第十电极、第十一电极、第十二电极、第十三电极、第十四电极、第十五电极、第十六电极、第十七电极、第十八电极、第十九电极、第二十电极、第二十一电极、第二十二电极、第二十三电极以及第二十四电极，其中，第九电极、第二十一电极、第十七电极、以及第十三电极为一组，施加的偏置电压记为V₁；第二十四电极、第二十电极、第十六电极、以及第十二电极为一组，施加的偏置电压记为V₂；第二十三电极、第十九电极、第十五电极、以及第十一电极为一组，施加的偏置电压记为V₃；第二十二电极、第十八电极、第十四电极、以及第十电极为一组，施加的偏置电压记为V₄；

该静电调整系统包括检测放大器、驱动放大器、检测切换开关、驱动切换开关、检测解调模块、锁相环、压控振荡器、调制器、MCU处理器、驱动环路、以及频率计，其中，

检测放大器为两个，分别连接至谐振环内侧的第三电极和第四电极，并且驱动放大器为两个，分别连接至谐振环内侧的第一电极和第六电极；

检测切换开关选择性地连接至两个检测放大器中的一个，将来自相应检测放大器的检测信号输出给检测解调模块；并且驱动切换开关选择性地连接至两个驱动放大器中的一个，以将调制器输出的驱动电压信号施加到对应模态的驱动电极上；

检测解调模块对来自检测放大器的检测信号进行采样和解调，解调后的检测信号分为两路信号，即，第一路信号和第二路信号，第一路信号输出给所述锁相环，另一路信号输出给驱动环路；锁相环比较压控振荡器施加到相应模态的驱动电极第一电极或第六电极上的驱动信号的相位与第一路信号的相位，并根据比较结果调整压控振荡器的频率，使得施加到谐振环上的驱动信号的相位与谐振环的振动相位始终保持90度的相差；同时，驱动环路比较相应模态的第三电极或第四电极上的振幅电压与MCU处理器给定的振幅电压，并据以调整其施加到对应模态的第一电极或第六电极上的驱动电压的大小，使得谐振环能够克服阻尼稳幅振动，驱动环路的输出信号经调制器调制到压控振荡器的频率上，然后经驱动切换开关和驱动放大器将频率与压控振荡器的频率相同的驱动电压信号施加到对应模态的驱动电极上；频率计监测所述压控振荡器的频率，以得到两个模态的谐振频率，并将得到的谐振频率值ω₁和ω₂输入到所述MCU处理器中；并且

MCU处理器执行以下操作：

第一，MCU处理器控制检测切换开关和驱动切换开关，使得检测切换开关和驱动切换开关均切换到第一模态或第二模态上，同时，MCU处理器输出一个与陀螺仪正常工作时大小相当的给定的振幅电压给驱动环路，通过静电调整系统使谐振环的第一模态或第二模态稳幅振动在它的谐振频率点上，然后MCU处理器通过所述频率计获得第一模态的谐振频率ω₁和第二模态的谐振频率ω₂，并根据公式计算失调参数λ，并判断两个模态的频率差是否满足要求，如果满足要求，则结束调整；如果不满足，则继续执行后续的操作；

第二，MCU处理器控制检测切换开关和驱动切换开关切换到第一模态上，同时MCU处理器给第一模态施加驱动力，使得驱动力的频率在第一模态的谐振频率ω₁上，并从检测解调模块获得第一模态的振动q₀₁,然后，MCU处理器控制检测切换开关切换到第二模态上，驱动切换开关不动，驱动力仍施加在第一模态上，并通过检测解调模块读入第二模态的振动q₀₂，之后通过公式和计算谐振环的非理想参数f和g，其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度或0度；

第三，MCU处理器根据非理想参数f和g的正负，判断对四组调整电极中的哪两组调整电极的电压进行调整，不做调整的两组调整电极的偏置电压设为零，然后，根据平衡判据和确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小，其中，ε₀为介电常数，a为谐振环的半径，d为谐振环的厚度，h₀为谐振环与调整电极之间的间隙，k₀为谐振环的理想弹性力，V₁、V₂、V₃、V₄分别为施加到四组调整电极上的四组偏置电压；

第四，MCU处理器将得到的调整电压V₁、V₂、V₃、V₄分别施加到对应组的调整电极上，并并继续执行第一步的操作，直至两个模态的频率差满足调整要求。

与现有技术相比，根据本发明的环形陀螺仪的静电调整方法及其静电调整系统具有以下有益效果：

同现有技术相比，本发明涉及的环形陀螺仪的静电调整方法能够在电路封装后进行，这样就避免了圆片级操作所需要的精密仪器和设备的昂贵费用。并且这种封装后的静电调整方法实施方便，可以对同一谐振环反复进行多次调整，并且不会对其造成损坏。与对谐振环本身的激光平衡法相比，该方法调整的精度和可调范围要高的多，能够将两个模态的频率差从出厂后的十几赫兹调整到一赫兹以内。本发明的方法容易通过自动化软件平台和硬件平台实现，且能够在几分钟内完成整个平衡调整的过程。该方法简化了陀螺仪电路的圆片极工作，大大加速了角速率产品的工程化进度，使得能够大量生产特性一致的角速率产品。由于根据本发明的环形陀螺仪的静电调整系统用于执行上述的方法，因此，具有与根据本发明的方法相同的技术效果。

附图说明

图1为本发明涉及的谐振环的结构示意图；

图2为根据本发明的静电调整方法的流程示意图；以及

图3为根据本发明的环形陀螺仪的静电调整系统示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的环形陀螺仪的静电调整方法和静电调整系统作进一步详细的描述。

图1所示为本发明涉及的谐振环的结构示意图，利用MEMS技术在硅晶片38上形成谐振环25。谐振环25由在圆周方向八等分配置延伸的支撑梁26支撑。在谐振环的内侧均匀分布有8个静电驱动用电极和电容检测用电极，外侧均匀分布有16个静电调整用电极。即，在谐振环的内侧顺次布置第一电极1、第二电极、第三电极3、第四电极4、第五电极、第六电极6、第七电极以及第八电极。其中，第一电极和第五电极为第一模态的驱动电极，第三电极和第七电极为第一模态的检测电极；第二电极和第六电极为第二模态的驱动电极，第四电极和第八电极为第二模态的检测电极。在谐振环的外侧均匀分布的16个静电调整用的调整电极即：第九电极9、第十电极10、第十一电极11、第十二电极12、第十三电极13、第十四电极14、第十五电极15、第十六电极16、第十七电极17、第十八电极18、第十九电极19、第二十电极20、第二十一电极21、第二十二电极22、第二十三电极23以及第二十四电极24。其中，第九电极、第二十一电极、第十七电极、以及第十三电极为一组，施加的偏置电压记为V₁;第二十四电极、第二十电极、第十六电极、以及第十二电极为一组，施加的偏置电压记为V₂；第二十三电极、第十九电极、第十五电极、以及第十一电极为一组，施加的偏置电压记为V₃；第二十二电极、第十八电极、第十四电极、以及第十电极为一组，施加的偏置电压记为V₄。通过给外环16个静电调整电极施加不同的调整电压的方式，改变其与谐振环之间的静电弹力来弥补由于工艺误差造成的谐振环的不理想性。

图1所示方向为陀螺仪封装时的摆放方向，X轴方向为本发明中在做静电力学分析时的参考方向。本发明中不赘述根据静电力的分析过程，只阐述分析结果。通过上面对驱动和检测电极的位置布置，可以使得驱动电极在本模态上产生的静电驱动力最大，又不会对另一个模态造成影响，产生驱动力。

依据图1所示调整电极的分布情况，通过对调整电极对谐振环产生的弹性力矩阵的分析可知，每相隔的两个电极，产生的弹性力矩阵相同，所以通过上面对谐振环外侧16个调整电极的布置，每组电极对谐振环的调整力度可达到单个电极调整的四倍。

由此，如图2所示，根据本发明的环形陀螺仪的静电调整方法，包括以下步骤：

S1、如上所述，在环形陀螺仪的谐振环的内侧沿顺时针方向均匀分布八个电极，即，依次布置第一电极1，第二电极，第三电极3，第四电极4，第五电极，第六电极6，第七电极以及第八电极。其中，第一电极和第五电极为第一模态的驱动电极，第三电极和第七电极为第一模态的检测电极；第二电极和第六电极为第二模态的驱动电极，第四电极和第八电极为第二模态的检测电极。同时，在谐振环的外侧沿顺时针方向依次且均匀地布置16个静电调整用的调整电极，即，第九电极9、第十电极10、第十一电极11、第十二电极12、第十三电极13、第十四电极14、第十五电极15、第十六电极16、第十七电极17、第十八电极18、第十九电极19、第二十电极20、第二十一电极21、第二十二电极22、第二十三电极23以及第二十四电极24。其中，第九电极、第二十一电极、第十七电极、以及第十三电极为一组，施加的偏置电压记为V₁；第二十四电极、第二十电极、第十六电极、以及第十二电极为一组，施加的偏置电压记为V₂；第二十三电极、第十九电极、第十五电极、以及第十一电极为一组，施加的偏置电压记为V₃；第二十二电极、第十八电极、第十四电极、以及第十电极为一组，施加的偏置电压记为V₄。

S2、测量第一模态的谐振频率ω₁和第二模态的谐振频率ω₂，通过公式计算谐振环的失调参数λ；并判断两个模态的频率差是否满足要求，如果满足要求，则结束调整；如果不满足，则继续执行后续的步骤。

S3、给谐振环的第一模态施加驱动力，使得驱动力的频率在第一模态的谐振频率ω₁上，测量两个模态的振动q₀₁和q₀₂，然后根据下面的公式计算表征谐振环非理想程度的非理想参数f和g：

$f=\mathrm{\λ}\left[\frac{1-R^2}{1+R^2}\right],$

$g=\frac{f+\mathrm{\λ}}{R}{e}^{\mathrm{i\σ}},$

其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度或0度（本实施例中为180度）。f和g分别是由于质量和弹性力微扰造成的两模态运动方程的矩阵对角线和反对角线上的非理想结构参数。由于驱动电极上的驱动力对谐振环也可造成一定程度的扰动，该扰动也应由静电调整电极来平衡，所以测非理想参数f和g时，驱动电极上应加入与陀螺仪正常运动时大小相当的驱动力。f和g也可称直接扰动项和耦合扰动项。

此外，作为一个替代实施步骤，若利用在第二模态的驱动电极上施加驱动力得到两个模态的振动q₀₁和q₀₂,那么非理想参数f和g可以通过下面表达式得到：

$f=\mathrm{\λ}\left[\frac{1-R^2}{1+R^2}\right]$

g＝-R(f+λ)e^iσ

其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，本实施例中为180度（也可为0度）。

S4、根据步骤S3中得到的非理想参数f和g的正负，判断对四组调整电极中的哪两组调整电极的电压进行调整，不做调整的两组调整电极的偏置电压设为零，然后，根据下面的平衡判据确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小：

$f=\mathrm{\Γ}(V_1^2-V_3^2-V_2^2+V_4^2),$

$g=0.5\mathrm{\Γ}(V_1^2-V_3^2+V_2^2-V_4^2),$

其中，ε₀为介电常数，a为谐振环的半径，d为谐振环的厚度，h₀为谐振环与调整电极之间的间隙，k₀为谐振环的理想弹性力，V₁、V₂、V₃、V₄分别为施加到四组调整电极上的四组偏置电压。

从平衡判据可以看出，四组调整电极对直接扰动项f的调整力度是耦合扰动项g的两倍。在本实施例中，四组调整电极两两一对，V₁、V₃为一对，V₂、V₄为一对，每对调整电极中只可调其中一组。例如，当调整第一组调整电极V₁时，第三组调整电极上的调整电压V₃应为零，即谐振环和调整电极之间的偏置电应为零，本实施例中谐振环上的电压为35V，那么未做调整的调整电极上的电压也应为35V。

得到非理想参数f和g后，首先根据它们的符号（或正负）判定哪两组电极进行调整，那么不做调整的两组调整偏置电压设为零，代入平衡判据中，解方程组可以得到两组调整电极的调整电压。

S5、将步骤S4中得到的调整电压V₁、V₂、V₃、V₄分别施加到对应组的调整电极上，继续执行步骤S2，直至两个模态的频率差满足要求。

由于测试过程带来的误差以及平衡判据中参数Γ的精确度的原因，一次调整可能难以达到调整要求，需要进行多次调整，逐次逼近，直至达到调整要求。

通过本发明涉及的静电调整方法，可在几秒钟内确定调整电极上的调整电压，快速将两个模态的频差从出厂后的十几赫兹，调整到一赫兹以内。调整的精度相比以前的方法也得到了大幅提高。

依据图2所示，根据本发明的环形陀螺仪的静电调整方法所采用的静电调整系统包括检测放大器27、驱动放大器37、检测切换开关28、驱动切换开关36、检测解调模块29、锁相环30、压控振荡器31、调制器32、MCU处理器33、驱动环路34、以及频率计35。为画图方便，图2中没有将所有的16个调整电极全部给出，只画了一个电极作为示意。通过锁相环30和压控振荡器31，可以将两个模态锁频到各自的谐振频率点，并利用频率计35，实时监测压控振荡器31的频率并将其输入到MCU处理器中，这样避免了对两个模态进行扫频得到两个模态的谐振频率而造成的时间消耗和误差。驱动环路中包含自动增益控制环节，可使谐振环在MCU处理器给定的振动幅度上稳幅振动，由于驱动电极上施加的驱动电压也会造成谐振环一定程度的不平衡，所以16个静电调整电极同时也要平衡掉驱动电极带来的扰动，故在测试得到两模态谐振频率和谐振环非理想参数f和g时，驱动电极上施加的电压应尽可能接近陀螺仪正常工作时候的驱动电压，这可以通过控制MCU处理器给定的稳幅振动电压来实现。

具体地，检测放大器27为两个，分别连接至谐振环内侧的检测电极第三电极3和第四电极4。并且驱动放大器37也为两个，分别连接至谐振环内侧的驱动电极第一电极1和第六电极6。

检测切换开关28选择性地连接至两个检测放大器27中的一个，将来自相应检测放大器27的检测信号输出给检测解调模块29。即，在MCU处理器的控制下，检测切换28连接至与第三电极3连接的检测放大器27或者与第四电极4连接的检测放大器27。驱动切换开关36选择性地连接至两个驱动放大器37中的一个，以将调制器32输出的驱动电压信号施加到对应模态的驱动电极第一电极1或第六电极6上。

检测解调模块29对来自检测放大器27的检测信号进行采样和解调，解调后的检测信号分为两路信号，即，第一路信号和第二路信号，第一路信号输出给锁相环30，另一路信号输出给驱动环路34。锁相环30比较压控振荡器31施加到相应模态的驱动电极第一电极1或第六电极6上的驱动信号的相位与第一路信号的相位，并根据比较结果调整压控振荡器31的频率，使得施加到谐振环上的驱动信号的相位与谐振环的振动相位始终保持90度的相差。同时，驱动环路34比较相应模态的第三电极3或第四电极4上的振幅电压与MCU处理器33给定的振幅电压，并据以调整其施加到对应模态的第一电极1或第六电极6上的驱动电压的大小，使得谐振环能够克服阻尼稳幅振动。驱动环路34的输出信号经调制器32调制到压控振荡器31的频率上，然后经驱动切换开关36和驱动放大器37将频率与压控振荡器31的频率相同的驱动电压信号施加到对应模态的驱动电极上。由于压控振荡器的频率最终会被锁定到谐振环的谐振频率上，引入频率计35来监测压控振荡器31的频率，以得到两个模态的谐振频率，并将得到的谐振频率值ω₁和ω₂输入到MCU处理器33中。MCU处理器33控制检测切换开关28、驱动切换开关36，使得两个模态的检测信号分时进入检测解调模块，调制器32输出的驱动信号分时施加到两个模态的驱动电极上。MCU处理器33接收频率计35和检测解调模块29的信号，进行静电平衡计算，得到静电调整值，然后输出到16个静电调整电极。

具体地，MCU处理器33执行以下操作：

第一，MCU处理器33控制检测切换开关28和驱动切换开关36，使二者均切换到第一模态上。同时，MCU处理器33输出一个与陀螺仪正常工作时大小相当的给定的振幅电压给驱动环路34，通过整个静电调整系统使谐振环的第一模态稳幅振动在它的谐振频率点上，然后MCU处理器33通过频率计35获得第一模态的谐振频率ω₁。然后，MCU处理器33控制检测切换开关28和驱动切换开关36切换到第二模态上，利用同样的方法可以得到第二模态的谐振频率ω₂。之后，MCU处理器33根据公式计算失调参数λ，并判断两个模态的频率差是否满足要求，如果满足要求，则结束调整；如果不满足，则继续执行后续的操作。

第二，MCU处理器33控制检测切换开关28和驱动切换开关36切换到第一模态上，同时给第一模态施加驱动力，使得驱动力的频率在第一模态的谐振频率ω₁上，并从检测解调模块29获得第一模态的振动q₀₁。然后，MCU处理器33控制检测切换开关28切换到第二模态上，驱动切换开关不动，驱动力仍施加在第一模态上，并通过检测解调模块29读入第二模态的振动q₀₂。之后，MCU处理器33通过公式和计算谐振环的非理想参数f和g，其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度（或者为0度）。

第三，MCU处理器33根据非理想参数f和g的正负，判断对四组调整电极中的哪两组调整电极的电压进行调整，不做调整的两组调整电极的偏置电压设为零，然后，根据平衡判据和确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小，其中，ε₀为介电常数，a为谐振环的半径，d为谐振环的厚度，h₀为谐振环与调整电极之间的间隙，k₀为谐振环的理想弹性力，V₁、V₂、V₃、V₄分别为施加到四组调整电极上的四组偏置电压。

第四，MCU处理器33将得到的调整电压V₁、V₂、V₃、V₄分别施加到对应组的调整电极上，并继续执行第一步的操作，直至两个模态的频率差满足调整要求。

本发明公开的静电调整方法不仅仅局限于本发明涉及的谐振环结构，大部分环形陀螺仪都是适用的。

需要说明的是，本领域技术人员能够理解的是，在上面的描述中未详细描述的内容是本领域技术人员结合本说明书公开的内容以及现有技术能够容易地实现的，因此，在本说明书中不做详细描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非用来限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，可以对本发明做出若干的修改和替换，所有这些修改和替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种环形陀螺仪的静电调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在环形陀螺仪的谐振环的内侧沿顺时针方向均匀分布八个电极，即，依次布置第一电极（1）、第二电极、第三电极（3）、第四电极（4）、第五电极、第六电极（6）、第七电极以及第八电极，其中，第一电极和第五电极为第一模态的驱动电极，第三电极和第七电极为第一模态的检测电极；第二电极和第六电极为第二模态的驱动电极，第四电极和第八电极为第二模态的检测电极；并且在谐振环的外侧沿顺时针方向依次且均匀地布置16个静电调整用的调整电极，即，第九电极（9）、第十电极（10）、第十一电极（11）、第十二电极（12）、第十三电极（13）、第十四电极（14）、第十五电极（15）、第十六电极（16）、第十七电极（17）、第十八电极（18）、第十九电极（19）、第二十电极（20）、第二十一电极（21）、第二十二电极（22）、第二十三电极（23）以及第二十四电极（24），其中，第九电极、第二十一电极、第十七电极、以及第十三电极为一组，施加的偏置电压记为V₁;第二十四电极、第二十电极、第十六电极、以及第十二电极为一组，施加的偏置电压记为V₂；第二十三电极、第十九电极、第十五电极、以及第十一电极为一组，施加的偏置电压记为V₃；第二十二电极、第十八电极、第十四电极、以及第十电极为一组，施加的偏置电压记为V₄；

S2、测量第一模态的谐振频率ω₁和第二模态的谐振频率ω₂，通过公式计算谐振环的失调参数λ；并判断两个模态的频率差是否满足要求，如果满足要求，则结束调整；如果不满足，则继续执行后续的步骤；

S3、给谐振环的第一模态施加驱动力，使得驱动力的频率在第一模态的谐振频率ω₁上，测量两个模态的振动q₀₁和q₀₂，然后根据下面的公式计算表征谐振环非理想程度的非理想参数f和g：

其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度或0度；

S4、根据步骤S3中得到的非理想参数f和g的正负，判断对四组调整电极中的哪两组调整电极的电压进行调整，不做调整的两组调整电极的偏置电压设为零，然后，根据下面的平衡判据确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小：

其中，ε₀为介电常数，a为谐振环的半径，d为谐振环的厚度，h₀为谐振环与调整电极之间的间隙，k₀为谐振环的理想弹性力，V₁、V₂、V₃、V₄分别为施加到四组调整电极上的四组偏置电压；

S5、将步骤S4中得到的调整电压V₁、V₂、V₃、V₄分别施加到对应组的调整电极上，继续执行步骤S2，直至两个模态的频率差满足要求。

2.根据权利要求1所述的环形陀螺仪的静电调整方法，其特征在于，在步骤S3中，还可以通过下面的方式计算两个非理想参数f和g：

给谐振环的第二模态施加驱动力，并使得驱动力的频率在第二模态的谐振频率ω₂上，由此测量两个模态的振动q₀₁和q₀₂，并根据下面的公式计算表征谐振环非理想程度的非理想参数f和g：

g＝-R(f+λ)e^iσ，

其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度或0度。

3.一种环形陀螺仪的静电调整系统，其特征在于，所述环形陀螺仪的谐振环的内侧沿顺时针方向均匀分布有八个电极，即，顺次布置的第一电极（1）、第二电极、第三电极（3）、第四电极（4）、第五电极、第六电极（6）、第七电极以及第八电极，其中，所述第一电极和第五电极为第一模态的驱动电极，第三电极和第七电极为第一模态的检测电极；第二电极和第六电极为第二模态的驱动电极，第四电极和第八电极为第二模态的检测电极；并且所述谐振环的外侧沿顺时针方向均匀分布有16个静电调整用的调整电极，即，第九电极（9）、第十电极（10）、第十一电极（11）、第十二电极（12）、第十三电极（13）、第十四电极（14）、第十五电极（15）、第十六电极（16）、第十七电极（17）、第十八电极（18）、第十九电极（19）、第二十电极（20）、第二十一电极（21）、第二十二电极（22）、第二十三电极（23）以及第二十四电极（24），其中，第九电极、第二十一电极、第十七电极、以及第十三电极为一组，施加的偏置电压记为V₁；第二十四电极、第二十电极、第十六电极、以及第十二电极为一组，施加的偏置电压记为V₂；第二十三电极、第十九电极、第十五电极、以及第十一电极为一组，施加的偏置电压记为V₃；第二十二电极、第十八电极、第十四电极、以及第十电极为一组，施加的偏置电压记为V₄；

所述静电调整系统包括检测放大器（27）、驱动放大器（37）、检测切换开关（28）、驱动切换开关（36）、检测解调模块（29）、锁相环（30）、压控振荡器（31）、调制器（32）、MCU处理器（33）、驱动环路（34）、以及频率计（35），其中，

所述检测放大器（27）为两个，分别连接至所述谐振环内侧的第三电极（3）和第四电极（4），并且所述驱动放大器（37）为两个，分别连接至所述谐振环内侧的第一电极（1）和第六电极（6）；

所述检测切换开关（28）选择性地连接至两个检测放大器（27）中的一个，将来自相应检测放大器（27）的检测信号输出给所述检测解调模块（29）；并且所述驱动切换开关（36）选择性地连接至两个驱动放大器（37）中的一个，以将所述调制器（32）输出的驱动电压信号施加到对应模态的驱动电极上；

所述检测解调模块（29）对来自所述检测放大器（27）的检测信号进行采样和解调，解调后的检测信号分为两路信号，即，第一路信号和第二路信号，第一路信号输出给所述锁相环（30），另一路信号输出给所述驱动环路（34）；所述锁相环（30）比较所述压控振荡器（31）施加到相应模态的驱动电极第一电极（1）或第六电极（6）上的驱动信号的相位与所述第一路信号的相位，并根据比较结果调整所述压控振荡器（31）的频率，使得施加到谐振环上的驱动信号的相位与谐振环的振动相位始终保持90度的相差；同时，所述驱动环路（34）比较相应模态的第三电极（3）或第四电极（4）上的振幅电压与所述MCU处理器（33）给定的振幅电压，并据以调整其施加到对应模态的第一电极（1）或第六电极（6）上的驱动电压的大小，使得谐振环能够克服阻尼稳幅振动，所述驱动环路（34）的输出信号经所述调制器（32）调制到所述压控振荡器（31）的频率上，然后经所述驱动切换开关（36）和驱动放大器（37）将频率与所述压控振荡器（31）的频率相同的驱动电压信号施加到对应模态的驱动电极上；所述频率计（35）监测所述压控振荡器（31）的频率，以得到两个模态的谐振频率，并将得到的谐振频率值ω₁和ω₂输入到所述MCU处理器（33）中；并且

所述MCU处理器（33）执行以下操作：

第一，所述MCU处理器（33）控制所述检测切换开关（28）和驱动切换开关（36），使得所述检测切换开关（28）和驱动切换开关（36）均切换到第一模态或第二模态上，同时，所述MCU处理器（33）输出一个与陀螺仪正常工作时大小相当的给定的振幅电压给所述驱动环路（34），通过所述静电调整系统使谐振环的第一模态或第二模态稳幅振动在它的谐振频率点上，然后所述MCU处理器（33）通过所述频率计（35）获得第一模态的谐振频率ω₁和第二模态的谐振频率ω₂，根据公式计算失调参数λ，并判断两个模态的频率差是否满足要求，如果满足要求，则结束调整；如果不满足，则继续执行后续的操作；

第二，所述MCU处理器（33）控制所述检测切换开关（28）和驱动切换开关（36）切换到第一模态上，同时所述MCU处理器（33）给第一模态施加驱动力，使得驱动力的频率在第一模态的谐振频率ω₁上，并从所述检测解调模块（29）获得第一模态的振动q₀₁,然后，所述MCU处理器（33）控制所述检测切换开关（28）切换到第二模态上，所述驱动切换开关不动，驱动力仍施加在第一模态上，并通过所述检测解调模块（29）读入第二模态的振动q₀₂，之后通过公式和计算谐振环的非理想参数f和g，其中，r为两个模态的振幅比，σ为两个模态的相差，且σ=180度或0度；

第三，所述MCU处理器（33）根据非理想参数f和g的正负，判断对四组调整电极中的哪两组调整电极的电压进行调整，不做调整的两组调整电极的偏置电压设为零，然后，根据平衡判据和确定需要调整的两组调整电极的调整电压的大小，其中，ε₀为介电常数，a为谐振环的半径，d为谐振环的厚度，h₀为谐振环与调整电极之间的间隙，k₀为谐振环的理想弹性力，V₁、V₂、V₃、V₄分别为施加到四组调整电极上的四组偏置电压；

第四，所述MCU处理器（33）将得到的调整电压V₁、V₂、V₃、V₄分别施加到对应组的调整电极上，并继续执行第一步的操作，直至两个模态的频率差满足调整要求。