CN111380561A - 一种基于多参数融合的微机电陀螺标度因数补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种用于微机电陀螺标度因数的温度补偿方法，该方法通过测量开环检测模式下的影响微机电陀螺标度因数的主要参数，将其组成多元参数组，将各个参数进行函数加权对标度因数的全温变化曲线进行多元函数拟合，从而实现对陀螺标度因数的精确补偿。

Description

一种基于多参数融合的微机电陀螺标度因数补偿方法
技术领域
本发明涉及了一种用于微机电陀螺标度因数的补偿方法，采用多参数融合补偿方法，属于微机电惯性传感器技术领域。
背景技术
微机电陀螺是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的器件，用于测量载体的角速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用领域以及制导武器等军用领域。
微机电振动式陀螺基于科里奥利力原理工作，通常有两个模态：驱动模态和检测模态。正常工作时，陀螺在驱动轴向上作闭环恒幅振动，当沿陀螺的敏感轴有角速率输入时，会在检测模态方向上产生一个正比于外界角速率输入的科里奥利力(简称科氏力)，陀螺振动质量块在该科氏力作用下沿检测轴向振动，其位移变化可以通过电容拾取结构变为电容变化，再通过微小电容读出电路将电容变化量转换为电压变化量，最后通过同步解调以获得角速率信息。
标度因数是指单位角速率输入时所带来的陀螺输出，单位一般是mV/(°/s)或者LSB/(°/s)，其温度稳定性是微机电陀螺的关键指标之一。为了获得较好的标度因数温度稳定性，要对陀螺的标度因数进行温度补偿，通常在全温范围内采集陀螺的标度因数以及对应的温度值，再利用最小二乘法对温度和标度因数进行拟合补偿。该温度补偿技术的关键在于实时而精确地获取陀螺敏感表头的温度信息，目前常用的方法是在陀螺表头附近安装温度传感器实时测量环境温度信息。该方法的优点是简单易行，其缺点是由于温度梯度的存在，温度传感器所获取的温度并不能真实反映陀螺表头的实际温度值，这会导致补偿效果变差。针对此问题文献：陈怀，张嵘，周斌，陈志勇，.微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究[J].传感器技术，2004，(10)；满海鸥，肖定邦，吴学忠，陈志华，侯占强，.硅微陀螺模态频率温度特性的研究[J].传感技术学报，2009，(8)；凤瑞，裘安萍，施芹，苏岩，.双质量硅微机械陀螺固有频率温度特性研究[J].南京理工大学学报，2013，(1)等分析了陀螺的驱动轴相位、频率与温度的关系，指出驱动轴谐振频率与温度成近似线性关系，因此可利用频率信息进行温度补偿，克服了外置温度传感器与陀螺表头温度不完全一致的缺点。由于陀螺的标度因数受两模态频差、解调相位误差、电路增益误差等影响，因此单一谐振频率或者温度传感器输出并不能完全反映陀螺标度因数变化的特性，因此补偿效果有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于微机电陀螺标度因数的温度补偿方法，该方法通过测量开环检测模式下的影响微机电陀螺标度因数的主要参数，将其组成多元参数组，将各个参数进行函数加权对标度因数的全温变化曲线进行多元函数拟合，从而实现对陀螺标度因数的精确补偿。
具体地，开环工作方式下的高真空封装的微机电陀螺的标度因数可以表达为式(1)，
Figure BSA0000176698260000021
其中，δ为与结构和前置电路相关的常数，R为陀螺驱动闭环控制回路中自动增益控制器(AGC)的控制参考电压，代表了驱动振动幅度，ωnd为驱动频率，ωns为检测模态谐振频率，Δω为两模态谐振频率的差值，θ为解调相位误差，Kd为解调增益。将式(1)对温度求导，同时考虑到两模态的谐振频率温度变化有较好的一致性，可得到标度因数的温度灵敏度如式(2)所示
Figure BSA0000176698260000022
式(2)说明影响陀螺标度因数的主要参数有驱动振动幅度R，模态频差Δω，解调增益Kd以及解调相位误差θ。通常电路解调增益Kd与温度具有强相关性，而温度可以用陀螺的驱动频率进行表达，因此标度因数的预测模型可以写为式(3)。
SFcal＝P1(ωnd)+P2(R)+P3(Δω)+P4(θ) (3)
其中Pi(·)为加权函数，可以是线性函数、指数函数、幂函数或者其他函数，根据实际测试结果确定，通常可以采用线性加权函数，即，
SFcal＝α0+α1ωnd+α2R+α3Δω+α4θ (4)
其中αi为加权系数，可用多元线性回归拟合的方法确定。
因此为实现微机电陀螺标度因数的精确补偿，本发明采取以下技术方案。采用基于多参数融合的微机电陀螺标度因数补偿方法，其特征在于：获取微机电陀螺的驱动频率、驱动振动幅度、模态频差和解调相位误差等四个参数的全温变化，为每个参数选定好加权函数，通过拟合算法，将陀螺全温范围内的标度因数同上述四个参数进行多元函数拟合得到标度因数估计值，再用某一温度点下的陀螺的零位输出除以该温度点下的标度因数估计值，完成微机电陀螺标度因数的全温补偿。
所述微机电陀螺的驱动频率为驱动模态闭环控制下，陀螺在驱动模态方向上的振动频率。
所述微机电陀螺的驱动振动幅度为驱动模态闭环控制下，陀螺在驱动模态方向上的前置电路输出电压幅度。
所述微机电陀螺的模态频差为陀螺驱动模态和检测模态谐振频率的差值。
所述微机电陀螺的解调相位误差为陀螺驱动闭环控制电路中驱动电压同驱动检测电压的相位之差。
所述加权函数可以为常值函数、线性函数、指数函数等任意函数，包含所需拟合的系数。
本发明由于采取以上技术方案，可以较为精确的预知不同温度点下的标度因数，避免了采用单一参数进行标度因数补偿所带来的温度迟滞以及拟合不精确等缺点，提高了标度因数的全温稳定性。
附图说明
图1为本发明所适用的微机电陀螺结构示意图。
图2为基于自激振荡驱动闭环的微机电陀螺测控电路方案示意图。
图3为针对自激振荡驱动闭环的微机电陀螺多参数融合标度因数补偿方法示意图
图4为基于锁相环的数字驱动闭环微机电陀螺测控电路方案示意图。
图5为针对基于锁相环的数字驱动闭环微机电陀螺多参数融合标度因数补偿方法示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明所适用的微机电陀螺结构1一般由驱动结构3，可动谐振结构5、驱检拾取结构6和敏感拾取结构4构成。振动拾取结构4和6通常采用差分式电容式结构，主要有梳齿型电容结构和平行板型电容结构。2、7、8分别为驱动结构5、驱检拾取结构6和敏感拾取结构4的引出金属电极。可动谐振结构5产生振动，其位移变化量被驱检拾取结构6以及敏感拾取结构7获取，驱检拾取结构6以及敏感拾取结构7将获取到的位移变化量转变为电容变化量，并通过电极8和电极7输出。
下面列举两个个具体实施例对本发明进行更为详细的说明。
实施例1：
如图2和图3所示，本实施例的方法包括以下步骤：
1)将驱检拾取结构6的输出电极8连接一前置读出电路10得到驱动振动电压12，该驱动振动电压送入一滤波器13，进行移相操作，得到驱动相位信号14，其相位与驱动振动电压12相差90度。
2)将驱动振动电压12和驱动相位信号14同时连接至一自动增益控制器AGC15对信号12进行幅度及相位控制，得到驱动电压并连接至驱动电极2，构成自激闭环驱动，AGC15通过驱动参考电压16对驱动振动电压12的幅度进行动态调整，使得12的电压幅度等于R。通过该闭环控制，可以使微机电陀螺1在驱动模态方向上以其固有的谐振频率ωnd进行恒幅R振动。
3)将敏感拾取结构4的输出电极7连接一前置读出电路11得到科氏力振动电压17，将该电压连接一解调器18，同驱动信号2进行解调，将解调信号连接一滤波器19滤除高频成分得到角速率输出电压20。
4)将驱动振动电压12、驱动相位信号14、角速率输出信号20以及温度传感器201的输出信号202一同送入多元参融合补偿单元203，按照公式(4)进行标度因数预测并进行补偿，得到补偿后的角速率输出204。其中可以对驱动振动电压12和驱动相位信号14做FFT运算，分别得到幅度和、频率及相位信息，进而得谐振频率ωnd、驱动振动幅度R以及解调相位误差θ，模态频差Δω可通过温度传感器201的输出202进行拟合得到检测模态谐振频率ωns，进而得出频差。
实施例2：
如图4所示，本实施例的方法包括以下步骤：
1)设置两个前置读出电路10和11，使驱检拾取结构6的输出电极8连接前置读出电路10得到驱动振动电压12，使敏感拾取结构4的输出电极7连接前置读出电路11得到科氏力振动电压17，再将前置读出电路10和11的输出端分别连接模数转换器401和402，将模数转换器401和402连接一数字信号处理器400，得到驱动振动电压12和科氏力振动电压17的数字量化信号供数字信号处理器400进行数据处理。
2)在数字信号处理器中设置一同相解调器403，一正交解调器404，两滤波器405、406，加法器409和410，两个PID控制器411、412，一正弦波发生器415，一乘法器417。首先，将A/D转换器401输出端同时接入同相解调器403和正交解调器404。然后，将同相解调器403的输出端串联滤波器405得到解调相位误差信号407、将解调相位误差信号407连接加法器422并与相位控制信号409比较得到相位误差信号再送入PID控制器411得到相位控制信号413，将相位控制信号413连接一正弦波发生器415得到驱动相位信号416。同时，将正交解调器404的输出串联滤波器406得到驱动振动信号幅度408，将振动信号幅度408连接加法器423并与振动幅度参考信号410进行比较得到幅度误差信号再送入PID控制器412得到幅度控制信号414。将驱动相位信号416和幅度控制信号414同时连入乘法器417，并将乘法器417的输出端连接D/A转换器418的输入端，最后将D/A转换器418的输出端连接至至驱动电极2，构成数字闭环驱动。通过该闭环控制，可以使微机电陀螺1在驱动模态方向上以其固有的谐振频率ωnd进行恒幅振动。
3)将A/D转换器402输出端接入同相解调器419，然后，将同相解调器419的输出端串联滤波器420得到角速率输出信号421。
4)角速率输出信号421、解调相位误差信号407、驱动振动信号幅度408、相位控制信号413以及温度传感器502的输出信号503一同送入多元参融合补偿单元500，按照公式(4)进行标度因数预测并进行补偿，得到补偿后的角速率输出501。其中相位控制信号413可以表征驱动频率大小，解调相位误差信号407可以表征θ，驱动振动信号幅度408可以表征R。模态频差Δω可通过温度传感器502的输出503进行拟合得到检测模态谐振频率ωns，进而得出频差。
上述各实施例中，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.基于多参数融合的微机电陀螺标度因数补偿方法，其特征在于：获取微机电陀螺的驱动频率、驱动振动幅度、模态频差和解调相位误差等四个参数的全温变化，为每个参数选定好加权函数，通过拟合算法，将陀螺全温范围内的标度因数同上述四个参数进行多元函数拟合得到标度因数估计值，再用某一温度点下的陀螺的零位输出除以该温度点下的标度因数估计值，完成微机电陀螺标度因数的全温补偿。
2.如权利要求1所述的驱动频率，其特征在于：是驱动模态闭环控制下，陀螺在驱动模态方向上的振动频率。
3.如权利要求2所述的驱动模态闭环控制，其特征在于：可以是模拟闭环控制也可以是数字闭环控制，控制陀螺沿驱动模态方向上在其谐振频率处进行恒幅振动。
4.如权利要求1所述的驱动振动幅度，其特征在于：是驱动模态闭环控制下，陀螺在驱动模态方向上的前置电路输出电压幅度。
5.如权利要求1所述的模态频差，其特征在于：是陀螺驱动模态和检测模态谐振频率的差值。
6.如权利要求1所述的解调相位误差，其特征在于：是陀螺驱动闭环控制电路中驱动电压同驱动检测电压的相位之差。
7.如权利要求1所述的加权函数，其特征在于：可以为常值函数、线性函数、指数函数等任意函数，包含所需拟合的系数。
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