CN110440777B - 音叉敏感结构修调在线测试方法及角速率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法及角速率传感器，该方法包括：求取驱动模态的谐振频率；向驱动通道施加激励电压频率值为驱动模态的谐振频率的激励信号以及产生机械耦合解调参考信号幅值；获取机械耦合误差信号幅值以及实际的驱动模态谐振频率；求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率；获取实际的检测模态谐振频率；根据实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率求取谐振频率差值；判断当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值是否满足要求，如果未满足，则进行修调，重复上述步骤，直至修调后的敏感结构满足测试要求。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中无法准确测量音叉敏感结构的耦合误差量的技术问题。

Description

音叉敏感结构修调在线测试方法及角速率传感器

技术领域

本发明涉及敏感结构激光精密修调技术领域，尤其涉及一种音叉敏感结构修调在线测试方法及角速率传感器。

背景技术

在石英音叉敏感结构加工过程中，由于加工工艺误差以及石英材料本身所固有的各向异性特性，加工出的敏感结构总是不完全对称，这种不对称性在石英音叉敏感结构作为角速率传感器时，作为误差信号输出。具体表现为：当外界沿角速率传感器输入轴的角速度为零时，正常情况下，敏感结构的两个驱动叉指在平面内做反相差模运动，无面外运动存在，因为敏感机构加工的不对称性，导致两个驱动叉指在做面内反相差模运动的同时，在面外也存在一个反相的差模运动，这种运动通过结构耦合至检测叉指，形成了虚假的角速率信号输出，这个虚假的角速率输出信号就是机械耦合误差。这个误差信号同真实的角速率输出信号在相位上相差90°，因此也叫做正交误差信号。

机械耦合误差是角速率传感器的主要误差信号。当机械耦合较大时，有时甚至会引起电路饱和，对角速率传感器的精度会产生较大影响。抑制机械耦合误差的方式有多种，比如电路上可以采取措施一定程度上抑制，但有效的措施还在于通过结构修调工艺，精密调整敏感结构的质心，改善敏感结构的对称性，达到抑制机械耦合的目的。为了实现对敏感结构的修调，通常在音叉加工过程中，采用电镀或其它工艺在需要修调的部位沉积一层金膜，厚度在2um至20um，然后用激光有选择地去除。在结构修调过程，确定金膜的去除位置及去除量多少，依赖于对敏感结构耦合误差量的测量。在耦合误差量测试的同时，通过修调，实现敏感结构驱动和检测两个模态谐振频率差值的控制。

当前，在结构修调过程中，针对耦合误差量的测试方法，由于耦合误差量在物理上主要表现为检测叉指在面外的运动信息。在国外的同类技术中，有采用光学测量方式，即采用激光干涉仪测量位移信息，位移幅值大小同耦合量大小成正相关。另一方面，由于结构自身表面制备了电极，叉指的位移信号可转化为电荷或电容，通过外部检测电路转换为电压信号进行检测。因此，对耦合误差量的测试可采用电信号测试方式。敏感结构驱动和检测两个模态谐振频率差值的控制，主要通过修调过程实时测量敏感结构驱动模态谐振频率、检测模态谐振频率，在测试软件中求取差值，根据差值信息确定修调策略。光学测试方案采用的测试设备昂贵、测试过程需保持探头同敏感结构的检测叉指垂直，垂直度影响信号强度，激光修调过程，激光头同敏感结构表面垂直，在修调设备中不易将两者集成；电信号测试方案中，传感器内部电路的电信号干扰耦合，会影响耦合误差量的准确测量。

发明内容

本发明提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法及角速率传感器，能够解决现有技术中无法准确测量音叉敏感结构的耦合误差量的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法，音叉敏感结构修调在线测试方法包括：步骤一，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率；步骤二，通过测试电路向敏感结构的驱动通道施加激励电压频率值为驱动模态的谐振频率的激励信号以及产生机械耦合解调参考信号，分别采集敏感结构驱动通道的输出信号以及检测通道的输出信号；步骤三，根据检测通道的输出信号以及机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值，根据敏感结构的驱动通道的输出信号获取实际的驱动模态谐振频率；步骤四，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构检测通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率；步骤五，通过测试电路向敏感结构的检测通道施加激励电压频率值为检测模态的谐振频率的激励信号，采集检测通道的输出信号，根据检测通道的输出信号获取实际的检测模态谐振频率；步骤六，根据实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率求取谐振频率差值；步骤七，根据结构修调所需的耦合控制目标要求，判断当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值是否满足要求，如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值均已满足要求，则停止测试；如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值中的任意一个未满足要求，根据当前机械耦合误差信号幅值对敏感结构进行修调，重复步骤一至步骤七，对修调后的敏感结构进行测试，直至修调后的敏感结构满足测试要求。

进一步地，在步骤一中，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率具体包括：将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在激励信号作用下的驱动通道的电路响应信号，通过带通滤波器对驱动通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的驱动模态的谐振频率。

进一步地，在步骤二中，向驱动通道施加的激励信号的电压幅值为0.1V至2V，激励信号的类型为正弦信号，机械耦合解调参考信号的电压幅值为1V至4V，机械耦合解调参考信号的相位与激励信号的相位相差90°。

进一步地，在步骤三中，根据检测通道的输出信号以及机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值具体包括：根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，将检测通道的输出信号与机械耦合解调参考信号相乘并对相乘后的检测通道的输出信号与机械耦合解调参考信号进行低通滤波，通过幅值测量模块获取滤波后的信号幅值，滤波后的信号幅值即为机械耦合误差信号幅值。

进一步地，综合耦合误差信号包括机械耦合误差、静电耦合误差和驱动力同相耦合误差。

进一步地，在步骤四中，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率具体包括：将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在激励信号作用下的检测通道的电路响应信号，通过带通滤波器对检测通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的检测模态的谐振频率。

进一步地，在步骤五中，向检测通道施加的激励信号的电压幅值为0.1V至0.4V，激励信号的类型为正弦信号。

进一步地，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通之前，音叉敏感结构修调在线测试方法还包括：对测试所需的激励电压幅值、带通滤波器起止频率、采样频率和采样数、驱动通道和检测通道切换的直流电压值参数进行初始化。

进一步地，在步骤六之后，音叉敏感结构修调在线测试方法还包括：保存实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率、机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值参数，实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率、机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值参数可用于制定敏感结构修调策略。

根据本发明的另一方面，提供了一种角速率传感器，角速率传感器使用如上所述的音叉敏感结构修调在线测试方法进行敏感结构修调。

应用本发明的技术方案，提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法，该测试方法根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，能够实现机械耦合误差信号从综合耦合误差信号中的分离，通过提取由敏感结构不对称性引起的机械耦合误差信号幅值并将机械耦合误差信号幅值作为敏感结构修调的参考量，能够实现对机械耦合误差的控制。同时，通过对实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率的测量，能够实现敏感结构谐振频率差值的测量及控制，从而提高了角速率传感器的工作性能。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的音叉敏感结构修调在线测试方法的流程框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法，该音叉敏感结构修调在线测试方法包括：步骤一，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率；步骤二，通过测试电路向敏感结构的驱动通道施加激励电压频率值为驱动模态的谐振频率的激励信号以及产生机械耦合解调参考信号，分别采集敏感结构驱动通道的输出信号以及检测通道的输出信号；步骤三，根据检测通道的输出信号以及机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值，根据敏感结构的驱动通道的输出信号获取实际的驱动模态谐振频率；步骤四，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构检测通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率；步骤五，通过测试电路向敏感结构的检测通道施加激励电压频率值为检测模态的谐振频率的激励信号，采集检测通道的输出信号，根据检测通道的输出信号获取实际的检测模态谐振频率；步骤六，根据实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率求取谐振频率差值；步骤七，根据结构修调所需的耦合控制目标要求，判断当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值是否满足要求，如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值均已满足要求，则停止测试；如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值中的任意一个未满足要求，根据当前机械耦合误差信号幅值对敏感结构进行修调，重复步骤一至步骤七，对修调后的敏感结构进行测试，直至修调后的敏感结构满足测试要求。

应用此种配置方式，提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法，该测试方法根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，能够实现机械耦合误差信号从综合耦合误差信号中的分离，通过提取由敏感结构不对称性引起的机械耦合误差信号幅值并将机械耦合误差信号幅值作为敏感结构修调的参考量，能够实现对机械耦合误差的控制。同时，通过对实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率的测量，能够实现敏感结构谐振频率差值的测量及控制，从而提高了角速率传感器的工作性能。

具体地，在本发明中，为了实现音叉敏感结构修调的在线测试，需要采用修调电路实现对敏感结构同测试系统之间的电信号传输、转化。具体地，建立外部激励信号的输入通道，使激励信号作用在敏感结构上，达到敏感结构驱动叉指处于谐振状态，同时，激励信号作为实现机械耦合误差从误差信号中分离的参考信号。建立基于电荷放大器的微弱信号检测回路，实现从位移、到电荷、再到电压信号的转换，检测因结构耦合引起的误差信号。采用模拟开关单元，根据测试流程，先后选通驱动叉指通道和检测叉指通道，实现外部激励信号输入后同待测模态(驱动或者检测)叉指的连接，分别实现对驱动叉指和检测叉指对应的谐振频率、增益、相位、品质因数等特征参数的测试。

下面结合图1对本发明所提供的音叉敏感结构修调在线测试方法的各个步骤进行详细说明。

为了实现对音叉敏感结构修调的在线测试，首先需要对测试中的各个参数进行初始化。具体地，对测试所需的激励电压幅值、带通滤波器起止频率、采样频率和采样数、驱动通道和检测通道切换的直流电压值参数进行初始化。其中，测试所需的激励电压幅值包括白噪声幅值以及激励信号的定频激励幅值。

进一步地，在本发明中，在对测试参数初始化之后，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率。

具体地，在本发明中，采用宽频范围白噪声激励的方法实现对敏感结构驱动或者检测叉指谐振频率的快速测量。敏感结构驱动和检测叉指的谐振频率普遍分布在5KHz至30KHz范围，对于谐振频率的测量，现有技术中普遍采用正弦扫描方式，即设定正弦激励信号的起始频率、结束频率、扫描步长、激励信号的幅值以及扫描方式(对数或者线性)，激励信号施加的同时，测量检测电路输出的响应信号，取响应幅值最大频率点即为敏感结构模态的谐振频率。正弦扫描方式受频率范围和扫频步长、方式的影响，对谐振频率的测试效率不高，在敏感结构谐振频率离散性较大时，普遍需要1分钟至5分钟时间完成测量，影响敏感结构的修调效率。

为了解决修调效率低的问题，本发明通过采用宽频范围的白噪声激励方式，对响应信号在一定频率范围内进行带通处理，求取带通后响应信号的最大峰值点对应的频率，可以得到谐振频率点，整体测试时间不大于2秒，极大提升了测试效率，不会影响敏感结构的修调效率。作为本发明的一个具体实施例，在步骤一中，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率具体包括：将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在激励信号作用下的驱动通道的电路响应信号，通过带通滤波器对驱动通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的驱动模态的谐振频率。

进一步地，在本发明中，在完成了驱动模态的谐振频率的测量之后，即可通过测试电路向敏感结构的驱动通道施加激励电压频率值为驱动模态的谐振频率的激励信号以及产生机械耦合解调参考信号，分别采集敏感结构驱动通道的输出信号以及检测通道的输出信号。作为本发明的一个具体实施例，向驱动通道施加的激励信号的电压幅值为0.1V至2V，激励信号的类型为正弦信号，机械耦合解调参考信号的电压幅值为1V至4V，机械耦合解调参考信号的相位与激励信号的相位相差90°。

在本发明中，在分别获取了敏感结构驱动通道的输出信号以及检测通道的输出信号之后，即可根据检测通道的输出信号以及机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值，根据敏感结构的驱动通道的输出信号获取实际的驱动模态谐振频率。作为本发明的一个具体实施例，在步骤三中，根据检测通道的输出信号以及机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值具体包括：根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，将检测通道的输出信号与机械耦合解调参考信号相乘并对相乘后的检测通道的输出信号与机械耦合解调参考信号进行低通滤波，通过幅值测量模块获取滤波后的信号幅值，滤波后的信号幅值即为机械耦合误差信号幅值。

具体地，在本发明中，采用相关解调的方法实现机械耦合误差信号幅值从综合耦合误差信号中的分离及提取。角速率传感器的误差信号(统称为综合耦合误差信号)包含机械耦合误差、静电耦合误差和驱动力同相耦合误差，通过敏感结构修调方式主要抑制敏感结构的机械耦合误差信号。在现有技术中常用的电测试方案中，主要通过测量检测通道输出的交流电压信号幅值作为综合耦合误差信号，并通过激光修调，使耦合误差信号幅值降低到最小。由于综合耦合误差信号中的各种误差信号存在极性，当综合耦合误差最小时不能代表机械耦合误差信号达到最小值。因此，为了精确测量机械耦合误差的大小，需进行误差分离。在本发明中，根据机械耦合误差信号的相位特征，其与激励信号保持90°的相位差，在测试系统产生激励信号的同时，同步产生一路信号，与激励信号相位相差90°，作为机械耦合误差信号求取的参考信号，采用该路信号与检测叉指的输出信号相乘，经低通滤波后，可以实现机械耦合误差信号的提取，通过幅值测量模块可以得出机械耦合误差信号的幅值，为敏感结构的修调策略制定提供依据。

进一步地，在本发明中，在获取了机械耦合误差信号幅值以及实际的驱动模态谐振频率之后，为了求取谐振频率差值，需要对实际的检测模态谐振频率进行求解。为了求解实际的检测模态谐振频率，首先需要采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构检测通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率。

作为本发明的一个具体实施例，在步骤四中，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率具体包括：将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在激励信号作用下的检测通道的电路响应信号，通过带通滤波器对检测通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的检测模态的谐振频率。

进一步地，在完成了白噪声下的检测模态的谐振频率的测量之后，需要通过测试电路向敏感结构的检测通道施加激励电压频率值为检测模态的谐振频率的激励信号，采集检测通道的输出信号，根据检测通道的输出信号获取实际的检测模态谐振频率。具体地，在本发明中，向检测通道施加的激励信号的电压幅值为0.1V至0.4V，激励信号的类型为正弦信号。

此外，在本发明中，根据实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率可求取谐振频率差值。在完成了机械耦合误差信号幅值、实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率以及谐振频率差值的求取之后，为了方便后续敏感结构修调策略的制定，需要保存实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率、机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值参数，其中，所保存的实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率、机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值参数可用于制定敏感结构修调策略。

进一步地，在本发明中，在完成了机械耦合误差信号幅值、实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率以及谐振频率差值的保存之后，可根据结构修调所需的耦合控制目标要求，判断当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值是否满足要求，如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值均已满足要求，则停止测试；如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值中的任意一个未满足要求，根据当前机械耦合误差信号幅值对敏感结构进行修调，重复上述步骤，对修调后的敏感结构进行测试，直至修调后的敏感结构满足测试要求。

根据本发明的另一方面，提供了一种角速率传感器，该角速率传感器使用如上的音叉敏感结构修调在线测试方法进行敏感结构修调。由于本发明的测试方法能够根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，实现机械耦合误差信号从综合耦合误差信号中的分离，通过提取由敏感结构不对称性引起的机械耦合误差信号并将机械耦合误差信号作为敏感结构修调的参考量，能够实现对机械耦合误差的控制。同时，通过对实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率的测量，实现敏感结构谐振频率差值的测量及控制，从而提高了角速率传感器的工作性能。因此，将本发明的音叉敏感结构修调在线测试方法用于角速率传感器的敏感结构修调，能够极大地提高角速率传感器的工作性能。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明的音叉敏感结构修调在线测试方法进行详细说明。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法，该方法采用修调电路实现对敏感结构同测试系统之间的电信号传输、转化。具体地，建立外部激励信号的输入通道，使激励信号作用在敏感结构上，达到敏感结构驱动叉指处于谐振状态，同时，激励信号作为实现机械耦合误差从误差信号中分离的参考信号。建立基于电荷放大器的微弱信号检测回路，实现从位移、到电荷、再到电压信号的转换，检测因结构耦合引起的误差信号。采用模拟开关单元，根据测试流程，先后选通驱动叉指通道和检测叉指通道，实现外部激励信号输入后同待测模态(驱动或者检测)叉指的连接，分别实现对驱动叉指和检测叉指对应的谐振频率、增益、相位、品质因数等特征参数的测试。

采用高精度数字/模拟,模拟/数字采集卡实现测试所需的外部激励信号提供、测试电路输出信号采集、外部激励通道(驱动或检测)的切换。外部激励信号主要用于提供敏感结构驱动或检测叉指谐振所需的交流电压信号，用于谐振频率提取的白噪声激励电压信号，频率分布在0KHz至100KHz，幅值在0.5V至1V。用于驱动或检测叉指谐振状态的激励电压信号，频率分布在5KHz至30KHz，幅值在0.1V至2V。测试电路输出信号采集主要用于对测试电路输出的敏感结构驱动模态振动位移的交流电压信号、检测模态振动位移的交流电压信号采集，频率分布在5KHz至30KHz，幅值在0.01V至2V。外部激励通道(驱动或检测)的切换主要用于对敏感结构驱动和检测模态的分别激励，实现对测量电路的复用，为直流电压信号，幅值为0V或者4.5V。输出0V为激励检测叉指、输出4.5V为激励驱动叉指。

本实施例所提供的音叉敏感结构修调在线测试方法具体包括以下步骤。

步骤一，对测试所需的激励电压幅值(白噪声幅值、定频激励幅值)、带通滤波器起止频率、采样频率和采样数、驱动通道和检测通道切换的直流电压值参数进行初始化。

设置通道切换输出电压为4.5V，通过测试电路模拟开关单元，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通，将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在激励信号作用下的驱动通道的电路响应信号，通过带通滤波器(频率范围5KHz至30KHz)对驱动通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的驱动模态的谐振频率。

步骤二，通过测试电路向敏感结构的驱动通道施加激励电压频率值为驱动模态的谐振频率的激励信号(激励信号的幅值为0.1V至2V，信号类型为正弦信号)以及产生机械耦合解调参考信号(机械耦合解调参考信号的幅值为1V至4V，频率为驱动模态的谐振频率，相位与激励信号相差90°)，分别采集敏感结构驱动通道的输出信号以及检测通道的输出信号。

步骤三，根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，将所述检测通道的输出信号与所述机械耦合解调参考信号相乘并对相乘后的所述检测通道的输出信号与所述机械耦合解调参考信号进行低通滤波，通过幅值测量模块获取滤波后的信号幅值，滤波后的所述信号幅值即为机械耦合误差信号幅值。敏感结构的驱动通道的输出信号经频率及幅值测量模块处理可获取实际的驱动模态谐振频率。其中，实际的驱动模态谐振频率与步骤一中白噪声方法测量获得的驱动模态的谐振频率理论上数值相等，但是实际应用中，受部件精度及测量影响，两者数值会存在一定误差，在后续谐振频率差值计算过程中，为了提高测量及修正精度，均以实际计算获得的驱动模态谐振频率为标准。

步骤四，设置通道切换输出电压为0V，通过测试电路模拟开关单元，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构检测通道连通，将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在激励信号作用下的检测通道的电路响应信号，通过带通滤波器(频率范围5KHz至30KHz)对检测通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的检测模态的谐振频率。

步骤五，通过测试电路向敏感结构的检测通道施加激励电压频率值为检测模态的谐振频率的激励信号(激励信号的幅值为0.1V至0.4V，信号类型为正弦信号)，通过测试设备数据采集卡采集检测通道的输出信号，检测通道的输出信号经频率及幅值测量模块可获取实际的检测模态谐振频率。其中，实际的检测模态谐振频率与步骤四中白噪声方法测量获得的检测模态的谐振频率理论上数值相等，但是实际应用中，受部件精度及测量影响，两者数值会存在一定误差，在后续谐振频率差值计算过程中，为了提高测量及修正精度，均以实际计算获得的检测模态谐振频率为标准。

步骤六，根据实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率求取谐振频率差值，保存实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率、机械耦合误差信号幅值、谐振频率差值等参数，为修调策略制定提供依据。

步骤七，根据结构修调所需的耦合控制目标要求，判断当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值是否满足要求(即机械耦合误差处于设定误差阈值范围内且谐振频率差值处于频率差值阈值范围内)，如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值均已满足要求，则停止测试，转入下一个待修调的角速率传感器进行测试；如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值中的任意一个未满足要求，根据当前机械耦合误差信号幅值对敏感结构进行修调，重复上述步骤(无需再进行初始化)，对修调后的敏感结构进行测试，直至修调后的敏感结构满足测试要求。

综上所述，本发明提供了一种音叉敏感结构修调在线测试方法，该方法能够对耦合误差信号进行分离，提取由敏感结构不对称性引起的机械耦合误差信号，实现对机械耦合误差信号的精确测试，同时可以实现结构修调过程中谐振频率差值信息的测试，一个完整测试周期时间消耗不大于20s，提高了测试效率，提高了敏感结构的修调效率，可实现同步在线测试。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，所述音叉敏感结构修调在线测试方法包括：

步骤一，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率；

步骤二，通过测试电路向敏感结构的驱动通道施加激励电压频率值为所述驱动模态的谐振频率的激励信号以及产生机械耦合解调参考信号，分别采集敏感结构驱动通道的输出信号以及检测通道的输出信号；

步骤三，根据所述检测通道的输出信号以及所述机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值，根据敏感结构的驱动通道的输出信号获取实际的驱动模态谐振频率；

步骤四，采用所述模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构检测通道连通，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率；

步骤五，通过所述测试电路向敏感结构的检测通道施加激励电压频率值为所述检测模态的谐振频率的激励信号，采集所述检测通道的输出信号，根据所述检测通道的输出信号获取实际的检测模态谐振频率；

步骤六，根据所述实际的驱动模态谐振频率和实际的检测模态谐振频率求取谐振频率差值；

步骤七，根据结构修调所需的耦合控制目标要求，判断当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值是否满足要求，如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值均已满足要求，则停止测试；如果当前机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值中的任意一个未满足要求，根据当前机械耦合误差信号幅值对所述敏感结构进行修调，重复所述步骤一至所述步骤七，对修调后的敏感结构进行测试，直至修调后的所述敏感结构满足测试要求；

在所述步骤三中，根据所述检测通道的输出信号以及所述机械耦合解调参考信号从综合耦合误差信号中获取机械耦合误差信号幅值具体包括：根据机械耦合误差信号与激励信号之间的相位关系，机械耦合误差信号与激励信号保持90°的相位差，将所述检测通道的输出信号与所述机械耦合解调参考信号相乘并对相乘后的所述检测通道的输出信号与所述机械耦合解调参考信号进行低通滤波，通过幅值测量模块获取滤波后的信号幅值，滤波后的所述信号幅值即为机械耦合误差信号幅值。

2.根据权利要求1所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，在所述步骤一中，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的驱动模态的谐振频率具体包括：将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在所述激励信号作用下的驱动通道的电路响应信号，通过带通滤波器对所述驱动通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的驱动模态的谐振频率。

3.根据权利要求2所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，在所述步骤二中，向所述驱动通道施加的所述激励信号的电压幅值为0.1V至2V，所述激励信号的类型为正弦信号，所述机械耦合解调参考信号的电压幅值为1V至4V，所述机械耦合解调参考信号的相位与所述激励信号的相位相差90°。

4.根据权利要求3所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，所述综合耦合误差信号包括机械耦合误差、静电耦合误差和驱动力同相耦合误差。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，在所述步骤四中，采用宽频范围白噪声激励的方法求取激励电压为白噪声下的检测模态的谐振频率具体包括：将激励信号的激励电压设置为白噪声，采集在所述激励信号作用下的检测通道的电路响应信号，通过带通滤波器对所述检测通道的电路响应信号进行频谱分析以获取幅值响应最大值所对应的频率点，幅值响应最大值所对应的频率点即为白噪声下的检测模态的谐振频率。

6.根据权利要求5所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，在所述步骤五中，向所述检测通道施加的激励信号的电压幅值为0.1V至0.4V，所述激励信号的类型为正弦信号。

7.根据权利要求6所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，采用模拟开关单元将外部激励信号输入通道与敏感结构驱动通道连通之前，所述音叉敏感结构修调在线测试方法还包括：对测试所需的激励电压幅值、带通滤波器起止频率、采样频率和采样数、驱动通道和检测通道切换的直流电压值参数进行初始化。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的音叉敏感结构修调在线测试方法，其特征在于，在所述步骤六之后，所述音叉敏感结构修调在线测试方法还包括：保存实际的驱动模态谐振频率、实际的检测模态谐振频率、机械耦合误差信号幅值以及谐振频率差值参数，所述实际的驱动模态谐振频率、所述实际的检测模态谐振频率、所述机械耦合误差信号幅值以及所述谐振频率差值参数用于制定敏感结构修调策略。

9.一种角速率传感器，其特征在于，所述角速率传感器使用如权利要求1至8中任一项所述的音叉敏感结构修调在线测试方法进行敏感结构修调。

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