CN104390639A - 用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法及装置，方法步骤如下：检测环境温度；生成高频方波信号并根据环境温度生成模拟电压信号；将高频方波信号作为开关调制的控制信号，对放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号并作为检测载波加载至微机械陀螺；装置包括温度传感器、单片机、放大电路和开关调制模块，开关调制模块将开关调制得到两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。本发明能够精确消除刻度因数的温度漂移、提高微机械陀螺输出性能，具有体积小、成本低、功耗小等优点。

Description

用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法及装置

技术领域

本发明涉及微机械陀螺领域，具体涉及一种用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法及装置。

背景技术

微机械陀螺是测量物体相对惯性空间旋转运动的装置，微机械陀螺的输出信号经放大、校正、功率放大后，用于驱动载体或平台执行机构进行稳定控制和导航控制。微机械陀螺的微结构采用体硅或表面硅加工工艺制作而成。由于硅是一种热敏材料，温度变化对微机电陀螺结构的材料特性和应力等影响显著，会导致微陀螺的主要动力学参数(如谐振频率和品质因子等)发生变化。微机电陀螺的刻度因数会随着环境温度的变化而变化，由此导致全温度范围内微机电陀螺刻度因数的稳定性差等问题。

现有技术的微机械陀螺的检测电路如图1所示，其中E_fssinω_fst为检测电容的高频载波，则微机械陀螺的检测电容上的电压V_s+、V_s-分别如式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{s+}=E_{\mathrm{fs}}\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fs}}t\\ V_{s-}=-E_{\mathrm{fs}}\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fs}}t\end{array}\right.---\left(1\right)$

微机械陀螺的电容电压转换模块的输出电压V_c如式(2)所示。

$V_c=-\frac{V_{s+}{C}_{s+}+V_{s-}{C}_{s-}}{C_f}=-\frac{\left(E_{\mathrm{fs}}\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fs}}t\right)\mathrm{\Δ}{C}_s}{C_f}---\left(2\right)$

式(2)中，V_s+和V_s-分别表示微机械陀螺的检测电容上的电压，C_s+和C_s-分别表示微机械陀螺检测轴正极和负极的检测电容，△C_s表示微机械陀螺的检测电容的变化量，C_f表示图1所示电容电压转换模块的电容C_f的电容值。

电容电压转换模块的输出电压V_c经过高通滤波和放大(K_h)后，其输出电压V_ch如式(3)所示。

$V_{\mathrm{ch}}=-\frac{K_h{E}_{\mathrm{fs}}\sin {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fs}}t\·\mathrm{\Δ}{C}_s}{C_f}---\left(3\right)$

式(3)中，K_h表示对电容电压转换模块的输出电压V_c经过高通滤波后进行放大的放大倍数，E_fssinω_fst为检测电容的高频载波，△C_s表示微机械陀螺的检测电容的变化量，C_f表示图1所示电容电压转换模块的电容C_f的电容值。

检测信号一次解调检测电路将电压V_ch经过检测高频载波E_fssinω_fst进行乘法解调，再经过低通滤波和放大(K_se)后，最终得到微机械陀螺的最终检测输出电压V_seo，且该最终检测输出电压V_seo如式(4)所示。

$V_{\mathrm{seo}}=-\frac{K_h{K}_{\mathrm{se}}{E}_{\mathrm{fs}}^2\mathrm{\Δ}{C}_s}{2C_f}---\left(4\right)$

式(4)中，K_h表示对电容电压转换模块的输出电压V_c经过高通滤波后进行放大的放大倍数，K_se表示电压V_ch经过检测高频载波E_fssinω_fst进行乘法解调和低通滤波后进行放大的放大倍数，E_fs表示高频载波的幅值，△C_s表示微机械陀螺的检测电容的变化量，C_f表示图1所示电容电压转换模块的电容C_f的电容值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够精确消除刻度因数的温度漂移、提高微机械陀螺输出性能、体积小、成本低、功耗小的用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法，其实施步骤如下：

1)检测微机械陀螺的环境温度；

2)生成与检测载波同频的高频方波信号，并根据所述环境温度生成模拟电压信号；

3)将所述模拟电压信号进行放大；

4)将与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号，在控制信号的控制下对放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将所述两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。进一步地，所述步骤2)中根据所述环境温度生成模拟电压信号的详细步骤如下：预先通过实验数据拟合得到环境温度、加载至微机械陀螺的检测载波幅值之间的拟合关系曲线；根据所述环境温度查找所述拟合关系曲线，得到所述环境温度对应的检测载波幅值，生成大小为所述检测载波幅值的数字电压信号；将所述数字电压信号通过数模转换得到对应的模拟电压信号。

此外，本发明还提供一种用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升装置，包括温度传感器、单片机、放大电路和开关调制模块，所述温度传感器检测微机械陀螺的环境温度并输出给单片机，所述单片机生成与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号输出至开关调制模块的控制端，所述单片机根据温度传感器输出的环境温度生成模拟电压信号并通过放大电路输出至开关调制模块，所述开关调制模块在与检测载波同频的高频方波信号的控制下对放大电路输出的放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将所述两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。

本发明用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法具有下述技术效果：本发明通过检测微机械陀螺的环境温度；根据环境温度生成模拟电压信号；将与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号，在控制信号的控制下对放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺，因此本发明利用检测信号与检测载波信号的幅值成正比例的关系，在传统的全温区温度补偿零偏的基础上改进，变为微机械陀螺动态性能的补偿，能够规避温度变化对微机电陀螺的结构特性和应力等方面造成影响，从而尽可能避免微机械陀螺主要动力学参数发生变化，能够大幅提升微机械陀螺刻度因数稳定性、提高微机械陀螺输出性能，具有体积小、重量低、成本低、功耗小的优点。

本发明用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升装置为本发明用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法对应的装置，因此也具有与本发明用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法相同的技术效果，故在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术的微机械陀螺的检测电路示意图。

图2为本发明实施例方法的原理示意图。

图3为本发明实施例装置的框架结构示意图。

图4为本发明实施例装置中温度传感器的电路接口示意图。

图5为本发明实施例装置中单片机的电路原理示意图。

图6为本发明实施例装置中放大电路的电路原理示意图。

图7为本发明实施例装置中开关调制模块的电路原理示意图。

图8为本发明实施例装置中开关调制模块的开关调制原理示意图。

图例说明：1、温度传感器；2、单片机；3、放大电路；4、开关调制模块。

具体实施方式

如图2所示，本实施例用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法的实施步骤如下：

1)检测微机械陀螺的环境温度；

2)生成与检测载波同频的高频方波信号，并根据环境温度生成模拟电压信号；

3)将模拟电压信号进行放大；

4)将与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号，在控制信号的控制下对放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。

根据前述的式(4)可知，微机械陀螺的最终检测输出电压V_seo不仅与微机械陀螺的检测电容的变化量ΔC_s、放大倍数K_h、K_se成正比，还和检测载波幅值E_fs成正比。因此在保持检测电容的变化量ΔC_s、放大倍数K_h、K_se不变的情况下，当外界环境温度发生变化时，通过改变检测载波的幅值E_fs大小，有效保证输出电压V_seo的值不变，从而实现微机械陀螺刻度因数稳定性的提升。本实施例利用高频开关的可控性，将放大后的模拟电压信号与GND信号作为两路输入电压信号，将与检测载波同频的方波信号作为控制信号，对输出信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，两路相位相反的载波信号中，高电平为D/A模块输出的电压值经过放大器放大后的输出电压，低电平为GND信号，通过将两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺，正是利用检测信号与检测载波信号的幅值成正比例的关系，在传统的全温区温度补偿零偏的基础上改进，变为微机械陀螺动态性能的补偿，能够规避温度变化对微机电陀螺的结构特性和应力等方面造成影响，从而尽可能避免微机械陀螺主要动力学参数发生变化，能够大幅提升微机械陀螺刻度因数稳定性、提高微机械陀螺输出性能，具有体积小、重量低、成本低、功耗小的优点。

本实施例中，步骤2)中根据所述环境温度生成模拟电压信号的详细步骤如下：预先通过实验数据拟合得到环境温度、加载至微机械陀螺的检测载波幅值之间的拟合关系曲线；根据环境温度查找拟合关系曲线，得到环境温度对应的检测载波幅值，生成大小为检测载波幅值的数字电压信号；将数字电压信号通过数模转换得到对应的模拟电压信号。

如图3所示，本实施例用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升装置包括温度传感器1、单片机2、放大电路3和开关调制模块4，温度传感器1检测微机械陀螺的环境温度并输出给单片机2，单片机2生成与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号输出至开关调制模块4的控制端，单片机2根据温度传感器1输出的环境温度生成模拟电压信号并通过放大电路3输出至开关调制模块4，开关调制模块4在与检测载波同频的高频方波信号的控制下对放大电路3输出的放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。

如图4所示，温度传感器1采用ADT7301ARTZ芯片实现，温度传感器1通过SPI总线与单片机2相连，具体为ADT7301ARTZ芯片的SCLK引脚与单片机2的P21相连，DOUT引脚与单片机2的P22相连，/CS引脚与单片机2的P23相连，DIN引脚直接与GND相连、VDD接至电源电压。

如图5所示，单片机2采用C8051F411/3 CP2201芯片实现，C8051F411/3 CP2201芯片的P1引脚和P27引脚用于程序的烧写与在线调试，直接与仿真器连接；P7引脚和P28引脚接至电源电压；P8引脚和P9引脚用于外接晶振，直接与晶振连接；P14引脚和P15引脚用于输出两路高频方波信号，一路分别用于检测信号一次解调检测电路和开关调制模块4的开关控制，另一路用于驱动电路的一次解调电路；P16引脚用于输出解析出的当前时刻检测载波信号幅值的理论值，直接与放大电路3连接，P12引脚、P22引脚和P23引脚用于模拟SPI总线，与温度传感器1的数据通信，直接与温度传感器1的P4引脚、P5引脚和P6引脚连接。本实施例预先通过大批次的实验数据拟合得到环境温度、加载至微机械陀螺的检测载波幅值之间的拟合关系曲线，将拟合关系曲线通过程式化为单片机程序存储在单片机2的ROM区。在实际应用时，温度传感器1实时敏感出微机械陀螺工作的环境温度，并传输给单片机2，单片机2通过控制算法根据当前温度值从ROM区的拟合关系曲线中解析出当前时刻的检测载波幅值，并通过内部的D/A输出该控制电压值。

如图6所示，放大电路3采用运算放大器AD8572ARU实现，AD8572ARU的2号引脚分别通过一个20K的电阻与单片机2的P16引脚(DA1)以及GND相连，3号引脚与参考电压源Vref25相连，1号引脚作为输出端与开关调制模块4相连。

如图7所示，开关调制模块4采用双路开关芯片ADG736BRM实现，ADG736BRM的IN1引脚(1号引脚)和IN2引脚(5号引脚)是开关调制模块4的控制端(SW_Detect)，且开关调制模块4的控制端(SW_Detect)与单片机2的P15引脚相连，S1A和S1B引脚分别为开关调制模块4的一路开关正负输入端口，分别与GND信号、放大电路3的1号引脚相连，S2A和S2B引脚分别为另外一路开关正负输入端口，与前一路开关相反，分别与放大电路3的1号引脚以及GND信号相连，从而保证开关调制模块4的两路开关输出电压信号D1和D2拥有相同频率且相位相反。如图8所示，以开关调制模块4的输出引脚D1为例，当开关调制模块4的控制端输入的控制信号SW_Detect为高电平时，则输出引脚D1输出S1A(S2A)引脚的信号，当相反情况时，则输出引脚D1输出S1B(S2B)引脚的信号。最终开关调制模块4则将输出引脚D1和输出引脚D1输出的两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺，分别与微机械陀螺检测载波的正负电极相连。

本实施例用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升装置的工作原理如下：温度传感器1通过SPI总线与单片机2进行数据通信，将采集得到的环境温度传输至单片机2；单片机2根据该环境温度从固化的ROM中存储的环境温度、加载至微机械陀螺的检测载波幅值之间的拟合关系曲线解析出当前时刻的检测载波信号幅值的理论值，并通过内部的D/A输出该控制电压值至放大电路3，放大电路3的输出端与开关调制模块4的输入端相连，开关调制模块4根据经放大器处理后的D/A输出电压值，输出的两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺，分别与微机械陀螺检测载波的正负电极相连，从而能够利用检测信号与检测载波信号的幅值成正比例的关系，在传统的全温区温度补偿零偏的基础上改进，变为微机械陀螺动态性能的补偿，能够规避温度变化对微机电陀螺的结构特性和应力等方面造成影响，从而尽可能避免微机械陀螺主要动力学参数发生变化，能够大幅提升微机械陀螺刻度因数稳定性、提高微机械陀螺输出性能，具有体积小、重量低、成本低、功耗小的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法，其特征在于实施步骤如下：

1)检测微机械陀螺的环境温度；

2)生成与检测载波同频的高频方波信号，并根据所述环境温度生成模拟电压信号；

3)将所述模拟电压信号进行放大；

4)将与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号，在控制信号的控制下对放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将所述两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。

2.根据权利要求1所述的用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升方法，其特征在于所述步骤2)中根据所述环境温度生成模拟电压信号的详细步骤如下：预先通过实验数据拟合得到环境温度、加载至微机械陀螺的检测载波幅值之间的拟合关系曲线；根据所述环境温度查找所述拟合关系曲线，得到所述环境温度对应的检测载波幅值，生成大小为所述检测载波幅值的数字电压信号；将所述数字电压信号通过数模转换得到对应的模拟电压信号。

3.一种用于微机械陀螺的刻度因数稳定性提升装置，其特征在于：包括温度传感器(1)、单片机(2)、放大电路(3)和开关调制模块(4)，所述温度传感器(1)检测微机械陀螺的环境温度并输出给单片机(2)，所述单片机(2)生成与检测载波同频的高频方波信号作为开关调制的控制信号输出至开关调制模块(4)的控制端，所述单片机(2)根据温度传感器(1)输出的环境温度生成模拟电压信号并通过放大电路(3)输出至开关调制模块(4)，所述开关调制模块(4)在与检测载波同频的高频方波信号的控制下对放大电路(3)输出的放大后的模拟电压信号与GND信号进行开关调制得到两路相位相反的载波信号，并将所述两路相位相反的载波信号作为检测载波加载至微机械陀螺。