CN109813341B - 一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，包括驱动检测接口电路、检测接口电路、比较器限幅电路、驱动极性反转电路、差分放大器、ADC模数转换器、数字处理器；驱动检测接口电路和检测接口电路将陀螺电极产生的电流转换为驱动检测电压和检测电压，比较器限幅电路将驱动检测电压转换为幅值稳定的方波信号驱动谐振器稳幅振动，驱动极性反转电路用以周期性交替驱动力极性；驱动检测电压和检测电压经差分放大器和ADC模数转换器转换为数字信号后由数字处理器进行乘法解调、驱动极性反转、信息融合输出；经过驱动力耦合误差在线自校准后，硅微机械陀螺的零偏输出受应力和温度的影响显著降低，陀螺的长期稳定性得到改善。
Description
技术领域
本发明属于硅微机械陀螺领域，特别是一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统。
背景技术
陀螺仪是一种惯性传感器，用于测量载体相对于惯性空间的角速度。与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺体积小，重量轻，功耗低且适合大规模生产，使得其在民用和军用领域具有广阔的应用前景。然而，硅微机械陀螺在应用中逐渐暴露出了力学及温变环境适应性差的缺点。因此，如何解决其在力学及温变环境下的长期稳定性问题，是实现硅微机械陀螺在工程中可靠应用的关键。
硅微机械陀螺的误差项主要包括正交误差和同相误差。正交误差经相敏解调消除后，同相误差成为主要误差项，同相误差主要来源于阻尼不对称和力不平衡，易受应力、温度等外界环境因素影响。
由于硅微机械陀螺谐振模态具有较高的品质因数，所以来自阻尼不对称的同相误差基本可以忽略，剩余的同相误差主要来自于力不平衡，即驱动梳齿不等间距引入的驱动力耦合和驱动及检测电极间馈通电容引起的电耦合。电耦合除与馈通电容尺寸相关外还与驱动频率相关，由于驱动频率可实时监测，其产生的漂移可通过自补偿消除。而驱动力耦合系数仅与梳齿尺寸相关，驱动梳齿电容的尺寸间隙变化难以在陀螺服役期内直接获取，该部分误差项在力学及温度环境下的漂移难以通过实时监测技术进行自补偿。
驱动力耦合导致的同相误差使施加在驱动轴的驱动力在检测轴方向产生分力，检测轴产生的静电力与有用信号同频同相，无法从陀螺仪的角速率信号中分离出来，使陀螺的零偏发生漂移，严重影响信号输出，降低硅微机械陀螺的性能。因此需要对同相误差的耦合机理进行分析，提出合理的补偿方案。
硅微机械陀螺的误差补偿通常采取离线标定的方法，即利用外部环境传感器或自身结构频率、品质因数等特性实现温度环境和力学下的误差表征，在此基础上实施误差补偿。但这种补偿方法存在的主要问题包括：
(1)硅微机械陀螺与环境因素的耦合机理复杂，在温度和力学环境下，输出特性常存在明显的非线性及滞回效应。因此，难以实现高效、精准的误差补偿，不能有效提升硅微机械陀螺的性能；
(2)在温度和力学环境及长期存贮条件下，硅微机械陀螺的部分参数，如频率、阻尼特性、封装应力和电气参数会发生缓慢化，因此离线标定所获取的补偿系数无法适用于硅微机械陀螺的整个服役期；
(3)离线标定方法需借助外部辅助传感器来表征硅微机械陀螺的环境参量变化特性，降低了仪表的集成度，不能体现硅微机械陀螺小型化、低成本的特征，而且应力等力学参数无法通过传感器实时获取；
(4)目前，硅微机械陀螺结构尺寸和形貌一致性较差，出厂前需对每只陀螺进行逐个标定，费时费力不能很好体现硅微惯性器件批量化制备的优势。
现有方法大多是借助传感器、陀螺参数等外部信息对温度误差进行补偿，缺少对力学误差的研究，并且没有针对同相误差的理想解决方案，不能满足硅微机械陀螺在复杂环境中长期工作的稳定性要求。所以需要在不使用外部信息的情况下，实现硅微机械陀螺驱动力耦合导致的同相误差的在线自校准，有效提高硅微机械陀螺环境适应性和长期存贮条件下的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，可在不借助外部信息的情况下自校准由于驱动梳齿不等间距引起的驱动力耦合误差，降低陀螺零偏输出对温度和应力的敏感度，提高硅微机械陀螺在复杂工作环境中的长期稳定性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，包括驱动检测接口电路、检测接口电路、比较器限幅电路、驱动极性反转电路、差分放大器、ADC模数转换器、数字处理器。
所述比较器限幅电路通过驱动检测接口电路与硅微机械陀螺的驱动检测电极相连，并通过驱动极性反转电路与硅微机械陀螺的驱动电极相连，比较器限幅电路用以驱动陀螺谐振器自激振荡；所述驱动极性反转电路用以驱动信号极性的反相切换；所述数字处理器分通过检测接口电路、驱动检测接口电路与硅微机械陀螺的检测电极、驱动检测电极相连，并控制驱动极性反转电路的切换。
所述驱动检测接口电路和检测接口电路分别产生的驱动检测电压Vds和检测电压Vs经差分放大器差分放大和ADC模数转换器转换为数字信号后由数字处理器进行乘法解调、驱动极性反转、信息融合输出得到驱动力耦合误差自校准后的陀螺输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点有：
(1)本发明的硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，基于驱动极性周期性反转设计了驱动力耦合误差在线自校准系统来消除由于硅微机械陀螺驱动梳齿间隙不对称导致驱动力耦合引入的同相误差，方法简单、高效、精准、具有实时性且易于集成；
(2)本发明从原理上进行驱动力耦合误差补偿实现对零偏的自校准，无需借助陀螺参数和外部传感器，减小了体积与成本，避免了其他参数在温变、力学等复杂环境因素发生缓慢变化影响陀螺零偏稳定性，避免了温度传感器与陀螺内部温度的延时导致的温度滞回问题；
(3)本发明的硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统能同时降低陀螺零偏输出对温度和应力的敏感度，提高硅微机械陀螺在复杂工作环境中的长期稳定性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统原理框图。
图2为本发明中系统的电路原理框图。
图3为本发明中系统的数字处理器模块原理框图。
图4为本发明中驱动极性反转模块原理时序图。
图5为本发明中三种状态下的Allan方差曲线示意图。
图6为本发明中应力敏感度实验结果。
图7为本发明中温度实验结果。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明的一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，包括驱动检测接口电路1、检测接口电路2、比较器限幅电路3、驱动极性反转电路4、差分放大器、ADC模数转换器、数字处理器5，如图1所示。
所述比较器限幅电路3通过驱动检测接口电路1与硅微机械陀螺的驱动检测电极相连，并通过驱动极性反转电路4与硅微机械陀螺的驱动电极相连，比较器限幅电路3用以驱动陀螺谐振器自激振荡；所述驱动极性反转电路4用以驱动信号极性的反相切换；所述数字处理器5分通过检测接口电路2、驱动检测接口电路1与硅微机械陀螺的检测电极、驱动检测电极相连，并控制驱动极性反转电路4的切换。
所述驱动检测接口电路1和检测接口电路2分别产生的驱动检测电压Vds和检测电压Vs经差分放大器差分放大和ADC模数转换器转换为数字信号后由数字处理器5进行乘法解调、驱动极性反转、信息融合输出得到驱动力耦合误差自校准后的陀螺输出。
进一步的，所述驱动检测接口电路1、检测接口电路2均采用两级积分式接口电路，电路工作时，陀螺谐振器的振动位移通过驱动检测电极和检测电极产生电流，驱动检测接口电路1和检测接口电路2将电流分别转换为驱动检测电压Vds和检测电压Vs。
进一步的，所述比较器限幅电路3包括轨至轨滞回比较器9和驱动分压电阻10，如图2所示；所述轨至轨滞回比较器9将驱动检测电压Vds转换为幅值稳定的方波信号，经驱动分压电阻10转换至一定幅值的驱动电压Vd，通过驱动电极驱动陀螺谐振器稳幅振动；比较器限幅电路具有结构简单、功耗低等优点，而且比较器产生的方波驱动信号振幅只在电源电压和参考地电压之间切换，没有上升与衰减，便于驱动极性反相，驱动陀螺谐振器的效果也与正弦波相同。
进一步的，所述驱动极性反转电路4采用两个单刀双掷开关，用以实现两路差分驱动信号的周期性反相。
进一步的，所述数字处理器5包括乘法解调模块6、驱动极性反转模块7、信息融合输出模块8，如图3所示；所述乘法解调模块6用以得到正比于待测角速度的直流输出电压，即硅微机械陀螺的原始输出；所述驱动极性反转模块7基于驱动极性周期性反转，实现驱动力耦合误差的自校准；所述信息融合输出模块8针对驱动极性周期性反转带来的动态性能恶化问题，基于线性时变信号滤波器，解决硅微机械陀螺动态特性和长期稳定性的合理匹配问题。
进一步的，所述乘法解调模块6先把驱动检测电压Vds和检测电压Vs相乘，经过低通滤波后得到正比于待测角速度的直流输出电压；由于此输出电压会随着驱动检测电压Vds上升或衰减，因此直流输出电压需要除以驱动检测电压Vds的幅值A的平方进行拟合得到平滑的陀螺原始输出Vo1。
进一步的，所述驱动极性反转模块7由继电器分段采集数据Vo1并求平均值得到驱动极性反转输出Vo2；通过信号发生器产生两个方波控制信号，设置适当的频率和占空比，分别触发驱动极性反转电路4的开关和驱动极性反转模块继电器的数据采集周期。由于硅微机械陀螺具有较高的品质因数，所以在驱动极性反相的一段时间内谐振器的振荡不会立刻消失而是逐渐衰减，所以陀螺标度因数的极性不变，而在此时间段内驱动力耦合误差的极性会发生变化，因此周期性交替驱动力极性，在驱动力反相的等时间间隔内进行角速度检测即可实现驱动力耦合误差的自校准，驱动极性反转模块原理时序图如图4所示。
驱动极性反转虽可有效消除驱动力耦合引入的同相误差，但由于硅微机械陀螺经常工作在低真空环境下，受制于高Q值谐振器的响应时间，时间常数较大，在进行驱动极性反转时，谐振器的振幅难以快速切换，导致硅微机械陀螺的动态特性受到制约；此外，周期性的反转驱动极性还会造成测控电路中宽带噪声欠采样，限制硅微机械陀螺的测量带宽，导致陀螺角度随机游走恶化。
所述信息融合输出模块8基于线性时变信号滤波器，改善驱动极性反转带来的动态特性恶化问题，将陀螺原始输出Vo1和驱动极性反转输出Vo2分别通过高通滤波器和低通滤波器后相加输出，滤波器截止频率选取为两种状态Allan方差曲线相交处；驱动极性反转只利用了谐振器振荡过程中幅度等大，且驱动力极性相反的一段相等时间内进行角速度输出，自校准驱动力引入的耦合误差。由于极性反转输出具有良好的低频特性，而建立过程具有良好的带宽和角度随机游走等高频特性，故将两者通过低通滤波器和高通滤波器进行信号融合，即可实现角速度的连续监测，弥补带宽损失，并改善角度随机游走特性。
由陀螺原始输出Vo1、驱动极性反转Vo2、信息融合输出Vo三者的Allan方差曲线(图5)可知，高通滤波器减小了驱动力耦合误差带来的低频零偏漂移，而低通滤波器减小了自校准驱动力耦合误差的驱动极性反转算法引起的额外高频噪声，最终的信息融合输出其实是二者折中但较优的结果，既补偿了驱动力耦合误差导致的零偏漂移，降低了零偏不稳定性，又使角度随机游走等动态特性的恶化落在可以接受的范围内。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例中，研究对象为南京理工大学I-MEMS课题组自主研发的双质量块硅微机械陀螺(申请号：CN201511004405.3)，该陀螺的机械结构主要包括两个质量块、驱动梁、检测梁、锚点梁、驱动梳齿、检测梳齿等。
系统工作时，陀螺谐振器的振动位移通过驱动检测电极产生电流，驱动检测接口电路将电流转换为驱动检测电压Vds，轨至轨滞回比较器将Vds转换为幅值稳定的Vd方波驱动信号，经分压电阻转换至适当的幅值，通过驱动电极驱动谐振器稳幅振动。
陀螺检测电极输出的检测电流信号，经过检测接口电路转换成检测电压Vs，与驱动检测电压Vds经差分放大和ADC转换后进行乘法解调，经低通滤波器滤除交流成分后，得到正比于输入角速度的电压，在测得标度因数后即可得到待测角速度值；陀螺输出会随驱动检测电压Vds上升或衰减，所以需要除以Vds幅值的平方进行拟合得到正确的陀螺原始输出Vo1。
驱动极性反转电路使用两个单刀双掷开关实现，控制开关反转及信号采集的驱动极性反转算法和乘法解调算法、信息融合输出算法基于数字处理器实现。
在本实施例中，使用信号发生器输出一个频率为100Hz，占空比80％的方波控制驱动极性反转电路开关芯片的使能端，实现两路差分驱动电压极性的周期性交替，并且驱动耦合误差的极性也随之反转；而待采集的数据段②需要另一个同频同相位占空比60％的方波信号(图4中陀螺数据采集窗口)触发数字处理器驱动极性反转模块的继电器来提取所需数据，然后把每个方波周期内采集到的数据求平均值后连续输出得到驱动极性反转的陀螺输出Vo2。
驱动极性反转输出Vo2具有良好的低频特性，而未经自校准的原始输出Vo1则具有良好的带宽和角度随机游走等高频特性，由图4可知，该方法仅使用了陀螺输出数据的40％(数据段②)进行驱动力耦合误差自校准；在本实施例中，信息融合输出模块将剩余部分数据①与其结合起来，将两者分别通过低通滤波器和高通滤波器后相加输出，即可实现角速度的连续监测，弥补带宽损失，并改善角度随机游走特性；滤波器截止频率设置为两种状态下Allan方差曲线的相交点。
在实验室常温条件下，将硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统固定在地基上，预热后，以10Hz的采样速率连续采集60min，分别测试未经校准正常工作和在驱动力耦合误差在线自校准系统中的零偏输出，结合测得的标度因数计算Allan方差，结果如图5所示，该系统使硅微机械陀螺在不牺牲角度随机游走等动态特性的情况下零偏不稳定性得到提升。
设计了硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统在力学和温度环境下的性能实验，测试陀螺零偏输出对应力及温度变化敏感度，结果如图6、图7所示，自校准后硅微机械陀螺的零偏输出受应力和温度的影响显著降低，零偏不稳定性得到改善，提高了硅微机械陀螺在复杂工作环境下的长期稳定性。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
Claims (4)
1.一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，其特征在于，包括驱动检测接口电路（1）、检测接口电路（2）、比较器限幅电路（3）、驱动极性反转电路（4）、差分放大器、ADC模数转换器、数字处理器（5）；
所述比较器限幅电路（3）通过驱动检测接口电路（1）与硅微机械陀螺的驱动检测电极相连，并通过驱动极性反转电路（4）与硅微机械陀螺的驱动电极相连，比较器限幅电路（3）用以驱动陀螺谐振器自激振荡；所述驱动极性反转电路（4）用以驱动信号极性的反相切换；所述数字处理器（5）分别通过驱动检测接口电路（1）、检测接口电路（2）与硅微机械陀螺的驱动检测电极、检测电极相连，并控制驱动极性反转电路（4）的切换；
所述驱动检测接口电路（1）和检测接口电路（2）分别产生的驱动检测电压Vds和检测电压Vs经差分放大器差分放大和ADC模数转换器转换为数字信号后由数字处理器（5）进行乘法解调、驱动极性反转、信息融合输出得到驱动力耦合误差自校准后的陀螺输出；
所述数字处理器（5）包括乘法解调模块（6）、驱动极性反转模块（7）、信息融合输出模块（8）；
所述乘法解调模块（6）用以得到正比于待测角速度的直流输出电压，即硅微机械陀螺的原始输出；所述驱动极性反转模块（7）基于驱动极性周期性反转，实现驱动力耦合误差的自校准；所述信息融合输出模块（8）基于线性时变信号滤波器，得到驱动力耦合误差自校准后的陀螺输出；
所述乘法解调模块（6）先把驱动检测电压Vds和检测电压Vs相乘，经过低通滤波后得到正比于待测角速度的直流输出电压；将直流输出除以驱动检测电压Vds的幅值A的平方得到平滑的陀螺原始输出Vo1；
所述驱动极性反转模块（7）由继电器分段采集数据Vo1并求平均值得到驱动极性反转输出Vo2；通过信号发生器产生两个方波控制信号，分别触发驱动极性反转电路（4）的开关和驱动极性反转模块继电器的数据采集周期；
所述信息融合输出模块（8）基于线性时变信号滤波器，将陀螺原始输出Vo1和驱动极性反转输出Vo2分别通过高通滤波器和低通滤波器后相加输出；滤波器截止频率选取为两种状态Allan方差曲线相交处。
2.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，其特征在于，所述驱动检测接口电路（1）、检测接口电路（2）均采用两级积分式接口电路。
3.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，其特征在于，所述比较器限幅电路（3）包括轨至轨滞回比较器（9）和驱动分压电阻（10）；所述轨至轨滞回比较器（9）将驱动检测电压Vds转换为幅值稳定的方波信号，经驱动分压电阻（10）转换为驱动电压Vd。
4.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统，其特征在于，所述驱动极性反转电路（4）采用两个单刀双掷开关。
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| CN103368577A (zh) * | 2012-04-04 | 2013-10-23 | 快捷半导体(苏州)有限公司 | 基于对合并式mems加速计传感器斩波的降噪方法及电子电路 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9274136B2 (en) * | 2013-01-28 | 2016-03-01 | The Regents Of The University Of California | Multi-axis chip-scale MEMS inertial measurement unit (IMU) based on frequency modulation |
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2019
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103368577A (zh) * | 2012-04-04 | 2013-10-23 | 快捷半导体(苏州)有限公司 | 基于对合并式mems加速计传感器斩波的降噪方法及电子电路 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| In-Phase Error Self-Calibration For Silicon Microgyroscopes;Risheng Liu;2018 IEEE Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronics and Electronics;正文第35-38页 * |
| 硅微振动陀螺仪设计与性能测试;贾方秀;光学精密工程;第21卷(第5期);正文第1272-1280页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN109813341A (zh) | 2019-05-28 |
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