CN103983260A - 一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法，陀螺仪驱动信号一路经移相器后成一路解调参考信号对输入信号进行第二次相敏解调后，经低通滤波作为最终的输出信号输出，另一路驱动信号经与相同的移相器和90°移相器后，变成与第一路解调参考信号正交的解调参考信号对输入信号进行第二次相敏解调后，再经低通滤波作为微分电路的输入信号V_out7；微分电路输出作为移相器的控制信号，当控制信号为零时，移相器停止工作且其移相值不变；当控制信号不为零时，移相器将继续工作直到微分电路的输出为零为止；本发明能有效减小静电驱动电容式微机械陀螺仪在检测角速度时由于工艺误差而引起的正交误差，大大提高其测量精度。

Description

一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法

技术领域

本发明涉及一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法，能在很大程度上消除正交误差对有用角速度的影响，使陀螺仪的测量结果更为准确。

背景技术

目前，微机械陀螺仪正交误差的抑制方法存在诸多不足。陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运动物体自身姿态和状态变化的传感器，其功能是感知运动体的角速度。90年代初期，随着微机械加工技术的迅猛发展，基于MEMS技术的第三代微机械陀螺仪诞生了，该陀螺仪具有体积小、重量轻、带宽大、功耗低、抗冲击强度高等优点，因此，被广泛应用于军事、民用领域。

微机械陀螺仪的敏感结构采用硅或者表面硅工艺加工制作而成，由于尺寸极其微小，通常为微米量级，在现有的工艺条件下，很难控制加工精度。因此，敏感结构在制造过程中存在着工艺误差。这些误差将直接影响硅微机械陀螺仪零点输出的稳定性、标度因子的非线性度、工作带宽等关键技术指标。这也制约了微机械陀螺在宇航、精确制导、精密仪器、深海探测等需要精确测量角速度信号领域的应用。敏感结构的各种工艺误差，会在微机械陀螺仪提取角速度信号的处理过程中转变成两种误差信号，即正交误差和同相误差。

微机械陀螺仪的正交误差和同相误差是角速度信号提取过程中的两种主要干扰信号，它们来源于微机械陀螺敏感结构的加工过程，是制约微机械陀螺整体性能的主要因素。在信号处理过程中减小或消除这两种误差信号不受加工工艺的制约，通用性强，是一种非常有效的技术方法。目前国内外学者在这方面的研究取得了一定的成果，但是也存在着不少缺憾，主要表现在：

1、利用同步解调技术消除正交误差时，实际信号在处理过程中必然会因传输延时而产生相位误差，因此要求参考信号与待解调信号相位完全相等非常难实现，这也导致了在实际应用中，正交误差信号并不能被同步解调方法完全消除。

2、若采用静电力反馈形成闭环系统以抑制正交误差，由于正交误差的提取是建立在参考信号与待解调信号的相位正好相差90°的情况下，而要满足这个条件十分困难，如何提取纯净的正交误差信号或者尽可能地消除相位误差是技术难点，目前还没有相应的解决方案。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种静电驱动电容式微机械陀螺仪在信号处理时消除或有效抑制正交误差的方法，作为微机械陀螺角速度信号提取方法的有益补充，指导接口电路设计，能够在完成角速度信号提取的同时，补偿正交误差信号对有用Coriolis加速度信号的影响，从而改善微机械陀螺零点输出的稳定性、标度因子的非线性度、工作带宽等关键技术指标，大幅度地提高硅微机械陀螺仪的整体性能，达到利用信号处理过程补偿工艺误差的目的。

本发明一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、角速度提取电路利用由积分器构成的电荷放大器，将电容式微机械陀螺仪敏感结构检测电容的变化值转变成电压信号，将该电压信号滤波放大后经第一次相敏解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号，再经低通滤波与放大后获得输入信号V_in(t)；

步骤2、陀螺仪驱动信号一路经移相器后直接变成第一路解调参考信号V_ref3(t)，对输入信号V_in(t)进行第二次相敏解调后，再经低通滤波作为最终的输出信号V_out8输出；

步骤3、陀螺仪驱动信号另一路经与步骤2相同的移相器和一个90°移相器后，变成与第一路解调参考信号V_ref3(t)正交的解调参考信号V_ref4(t)，对输入信号V_in(t)进行第二次相敏解调后，再经低通滤波输出至微分电路，作为微分电路的输入信号V_out7；

步骤4、微分电路输出作为所述移相器的控制信号，当控制信号为零时，移相器停止工作且其移相值不变；当控制信号不为零时，所述移相器将继续工作直到微分电路的输出为零时为止，即由微分电路和移相器构成的反馈系统稳定于Δφ＝0，该Δφ为信号处理过程引入的相位误差，只有当相位误差Δφ＝0时，输出信号V_out8中的正交误差由于相位误差Δφ＝0而被消除。

采用本发明一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法，能有效减小静电驱动电容式微机械陀螺仪在检测角速度时由于工艺误差而引起的正交误差。根据理论分析当相位误差为零时，若第二次相敏解调的参考信号是驱动信号，则解调后的信号将不包括正交误差信号；若第二次相敏解调的参考信号与驱动信号正交，则解调后的信号将含有纯净的正交误差信号而不包含角速度及同相误差信号。本发明根据以上情况设计出相应的抑制正交误差的信号处理方法，能有效减小其对有用角速度的影响，大大提高静电驱动电容式微机械陀螺仪的测量精度。

附图说明

图1是本发明抑制正交误差的(相位误差为0)原理图；

图2是本发明微机械陀螺仪角速度信号的提取原理图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

如图2所示，由微机械陀螺仪的工作原理可知，要得到输入角速度信号的数值，必须测出敏感结构检测电容的变化量。然而，检测电容的变化量极其微弱，通常都淹没在低频的1/f噪声里，为了抑制1/f噪声，角速度提取电路采用高频载波调制的方法，利用由积分器构成的电荷放大器，将检测电容的变化值转变成电压信号，然后经过两次相敏解调过程，第一次相敏解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号；第二次解调得到与输入角速度信号成正比的电压信号。

(1)在不存在相位误差的前提下考虑正交误差及同相误差时的输出信号分析：

如图1所示，第一次相敏解调后，得到的电压信号V_in(t)与检测电容的变化量成正比，理想情况下，该电压信号V_in(t)中只包含角速度信号；若存在正交误差及同相误差时，该V_in(t)则是角速度信号、正交误差及同相误差三者之和，可表示如下：

V_in(t)=V_cor·Ω·cos(ωt+φ)+V_in-p·cos(ωt+φ)+V_quc·sin(ωt+φ)   (1)

其中，V_cor表示Coriolis加速度信号的幅度；V_in-p表示同相误差的幅度；V_quc表示正交误差的幅度；Ω表示输入的角速度信号；ω表示微机械陀螺仪驱动信号的角频率；φ表示驱动信号的相位。从式(1)中可以看出同相误差与Coriolis加速度信号频率及相位都相等，而正交误差与Coriolis加速度信号频率相等，相位相差90°。

若不存在相位误差，则第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)就是驱动信号，它与V_in(t)进行乘法运算，运算如下：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\·V_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}\·+V_{\mathrm{in}-\·p}\·V_d)\·{\cos }^2(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+V_{\mathrm{quc}}\·V_d\·\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\\ =\frac{1}{2}(V_{\cot }\·V_d\·\mathrm{\Ω}\·+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)+\frac{1}{2}(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}\·+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)\cos (2\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\φ})+\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{quc}}\·V_d\·\mathrm{isn}(2\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\φ})\end{array}---\left(2\right)$

经过低通滤波消除频率为2ω的高频项，则得到的输出信号V_out1(t)为：

$V_{\mathrm{out}1}\left(t\right)=\frac{1}{2}(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}\·+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)---\left(3\right)$

结论：若第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)为驱动信号时，最终输出信号中包含角速度信号和同相误差信号，正交误差被完全消除；

若第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)与驱动信号正交，也即其表达式为V_ref(t)＝V_dsin(ωt+φ)，将它与V_in(t)进行乘法运算，运算如下：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)\·V_{\mathrm{ref}}\left(t\right)=(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}\·+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)\·\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})+V_{\mathrm{quc}}\·V_d\·{\sin }^2(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\\ =\frac{1}{2}(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}\·+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)\sin (2\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\φ})-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{quc}}\·V_d\cos (2\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\φ})+\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{quc}}\·V_d\end{array}---\left(4\right)$

经过低通滤波消除频率为2ω的高频项，则得到的输出信号V_out2(t)为：

$V_{\mathrm{out}2}\left(t\right)=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{que}}\·V_d---\left(5\right)$

结论：若第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)与驱动信号正交时，最终输出信号是纯净的正交误差信号。

(2)在存在相位误差的前提下考虑正交误差及同相误差时的输出信号分析：

交流信号在传输处理过程中必然会引起相位的偏移，因此实际中相位误差难以避免，所以应当对相位误差存在的情况加以考虑，当考虑相位误差时，第一次相敏解调后得到的电压信号V_in(t)需用如下等式来表示：

V_in(t)=V_cer·Ω·cos(ωt+φ+Δφ)+V_in·p·cos(ωt+φ+Δφ)+V_que·sin(ωt+φ+Δφ)  (6)

式(6)中Δφ为信号处理过程引入的相位误差，此时以驱动信号作为第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)，经过低通滤波后的最终输出信号为：

$V_{\mathrm{out}8}=\frac{1}{2}(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)\cos \mathrm{\Δ\φ}+\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{quc}}\·V_d\sin \mathrm{\Δ\φ}---\left(7\right)$

比较式(7)与式(3)可知，当存在相位误差时，若第二次相敏解调的参考信号为驱动信号，则最终输出信号中包含角速度和同相误差信号，也包含正交误差信号，相位误差Δφ越小，则sinΔφ越趋近于零，正交误差信号也越小。

若第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)与驱动信号正交，也即其表达式为V_ref(t)＝V_dsin(ωt+φ)，此时经过低通滤波后的最终输出信号为：

$V_{\mathrm{out}7}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{quc}}\·V_d\cos \mathrm{\Δ\φ}-\frac{1}{2}(V_{\mathrm{cor}}\·V_d\·\mathrm{\Ω}+V_{\mathrm{in}-p}\·V_d)\sin \mathrm{\Δ\φ}---\left(8\right)$

比较式(8)与式(5)可知，当存在相位误差时，若第二次相敏解调的参考信号Vref(t)与驱动信号正交时，则最终输出信号中包含正交误差信号，也包含角速度和同相误差信号，相位误差Δφ越小，则sinΔφ越趋近于零，角速度和同相误差信号也越小。

通常角速度Ω是一个随时间变化的量，V_out7中的也是一个随时间变化的量，V_out7中剩下的两项和可认为是不变的直流量。如果Δφ＝0，V_out7应为直流量，反之Δφ≠0由于角速度Ω是变化的，V_out7就不是直流量。Δφ＝0时V_out8中的正交误差为零。V_out7是直流量的话，其导数应等于零，即有下式成立：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{out}7}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{=0|}_{\mathrm{\Δ\φ}=0}---\left(9\right)$

基于以上事实可以设计一个包含移相器和微分电路的反馈控制系统，移相器通过控制解调参考信号的相位来控制相位差Δφ，微分电路用于对V_out7求一阶导以确定V_out7是否为直流量。V_out7经过微分电路后的信号作为移相器的控制信号，该控制信号为零时移相器停止工作且其移相值不变，控制信号不为零时移相器将继续工作直到微分电路的输出为零时为止也即系统稳定于Δφ＝0，此时V_out8中的正交误差 $\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{quc}}\·V_d\mathrm{\Ω}\·\sin \mathrm{\Δ\φ}$ 就不存在了。

如图1所示，本发明一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法，具体包括如下步骤：

步骤1、角速度提取电路利用由积分器构成的电荷放大器，将电容式微机械陀螺仪敏感结构检测电容的变化值转变成电压信号，将该电压信号滤波放大后经第一次相敏解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号，再经低通滤波与放大后获得输入信号V_in(t)；

步骤2、陀螺仪驱动信号一路经移相器后直接变成第一路解调参考信号V_ref3(t)，对输入信号V_in(t)进行第二次相敏解调后，再经低通滤波作为最终的输出信号V_out8输出；

步骤3、陀螺仪驱动信号另一路经与步骤2相同的移相器和一个90°移相器后，变成与第一路解调参考信号V_ref3(t)正交的解调参考信号V_ref4(t)，对输入信号V_in(t)进行第二次相敏解调后，再经低通滤波输出至微分电路，作为微分电路的输入信号V_out7；

步骤4、微分电路输出作为所述移相器的控制信号，当控制信号为零时，移相器停止工作且其移相值不变；当控制信号不为零时，所述移相器将继续工作直到微分电路的输出为零时为止，即由微分电路和移相器构成的反馈系统稳定于Δφ＝0，该Δφ为信号处理过程引入的相位误差，只有当相位误差Δφ＝0时，输出信号V_out8中的正交误差由于相位误差Δφ＝0而被消除。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种静电驱动电容式微机械陀螺仪有效抑制正交误差的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、角速度提取电路利用由积分器构成的电荷放大器，将电容式微机械陀螺仪敏感结构检测电容的变化值转变成电压信号，将该电压信号滤波放大后经第一次相敏解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号，再经低通滤波与放大后获得输入信号V_in(t)；

步骤2、陀螺仪驱动信号一路经移相器后直接变成第一路解调参考信号V_ref3(t)，对输入信号V_in(t)进行第二次相敏解调后，再经低通滤波作为最终的输出信号V_out8输出；

步骤3、陀螺仪驱动信号另一路经与步骤2相同的移相器和一个90°移相器后，变成与第一路解调参考信号V_ref3(t)正交的解调参考信号V_ref4(t)，对输入信号V_in(t)进行第二次相敏解调后，再经低通滤波输出至微分电路，作为微分电路的输入信号V_out7；

步骤4、微分电路输出作为所述移相器的控制信号，当控制信号为零时，移相器停止工作且其移相值不变；当控制信号不为零时，所述移相器将继续工作直到微分电路的输出为零时为止，即由微分电路和移相器构成的反馈系统稳定于Δφ＝0，该Δφ为信号处理过程引入的相位误差，只有当相位误差Δφ＝0时，输出信号V_out8中的正交误差由于相位误差Δφ＝0而被消除。