CN103115618B - 一种基于振动式微机械陀螺的正交误差和寄生科氏力的分离测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动式微机械陀螺的正交误差和寄生科氏力的分离测试方法。给振动式微机械陀螺输入一个绕敏感轴旋转的大的角速度信号，测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度和该信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差。再令输入角速度为零，测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度和该信号与驱动信号之间的相位差。利用上述测量结果即可成功实现正交误差和寄生科氏力的分离。利用反馈方向处理电路内部的移相器来调节反馈方向处理电路输出端信号的相位，使之与科里奥利加速度信号所引起的检测方向处理电路输出端的信号相位一致，经后级电路的相干解调和低通滤波后，可实现陀螺***的灵敏度最大。

Description

一种基于振动式微机械陀螺的正交误差和寄生科氏力的分离测试方法

技术领域

本发明涉及微机械陀螺传感器领域，尤其涉及对振动式微机械陀螺内部正交误差和寄生科氏力这两种耦合信号的分离测试。

背景技术

振动式微机械陀螺的工作原理都是基于科里奥利(Coriolis)效应，其动力学模型如图1所示。当可动质量块沿X方向作简谐振动时，若此时饶Z轴有一旋转角速度输入，那么可动质量块将在Y方向受到科里奥利加速度的作用。其中，科里奥利加速度的大小与输入角速度Ω和质量块的运动速度v成正比，并且其方向与角速度和运动速度的方向相垂直，如式(1)所示。因此通过检测科里奥利加速度和质量块的运动速度即可获得输入角速度的大小。

${\stackrel{\→}{a}}_C=2\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}\×\stackrel{\→}{v}---\left(1\right)$

振动式微机械陀螺传感器驱动方向和检测方向的运动方程可分别表示如(2)和(3)所示。

$M_x\stackrel{\·\·}{x\left(t\right)}+c_x\stackrel{\·}{x\left(t\right)}+k_{x}x\left(t\right)=F_{\mathrm{drive}}---\left(2\right)$

$M_y\stackrel{\·\·}{y\left(t\right)}+c_y\stackrel{\·}{y\left(t\right)}+k_{y}y\left(t\right)=2M_y\mathrm{\Ω}\stackrel{\·}{x\left(t\right)}---\left(3\right)$

式(2)和式(3)中，M_x和M_y分别表示驱动和检测方向的质量块质量；c_x和c_y分别表示驱动和检测方向的阻尼系数；k_x和k_y分别表示驱动和检测方向的弹性系数；x(t)、分别表示驱动方向位移、速度、加速度；y(t)、 分别表示检测方向位移、速度、加速度；Ω表示输入角速度；表示Coriolis力；F_drive表示使陀螺在驱动方向谐振的外加驱动力，F_drive＝F₀sin(ω_dt)，F₀为驱动力的幅值，ω_d为驱动力的角频率。

振动式微机械陀螺检测方向的位移表达式如式(4)所示。

y(t)＝B_ysin(ω_dt-φ_y)       (4)

式(4)中，B_y为检测方向振动位移的幅度，φ_y为检测方向振动位移的相位。

在振动式微机械陀螺传感器的制作过程中，由于工艺误差而导致的外加驱动力方向并非与驱动轴完全重合，而是偏离一定的角度θ₁，如图2所示。角度θ₁的存在使得驱动力在检测方向上存在一定的分量。此时检测方向的动力学方程如式(5)所示。这就是所谓的寄生科氏力。由于寄生科氏力的相位与Coriolis力的相位一致，因此无法在电路上通过相敏解调的方法将其消除，从而在陀螺***的输出端引入了直流偏置。

$M_y\stackrel{\·\·}{y\left(t\right)}+c_y\stackrel{\·}{y\left(t\right)}+k_{y}y\left(t\right)=2M_y\mathrm{\Ω}\stackrel{\·}{\stackrel{\·}{x\left(t\right)}+F_{\mathrm{drive}}\sin {\mathrm{\θ}}_1}---\left(5\right)$

在振动式微机械陀螺传感器的制作过程中，由于工艺精度和材料应力等原因造成了驱动轴和检测轴并非完全正交，而是偏离一定得角度θ₂，如图3所示。角度θ₂的存在使得质量块在驱动方向的振动在检测方向上有一振动分量，检测方向的位移表达式如(6)所示。由于该振动分量和Coriolis力引起的振动相位相差90度，因此该耦合效应被称为正交误差。在后级电路中可以采用相敏解调的方法来消除该误差对传感器输出信号的影响。

y(t)＝B_ysin(ω_dt-φ_y)+x(t)sinθ₂       (6)

现有振动式微机械陀螺***的框图如图4所示。陀螺***由振动式微机械陀螺传感器和***处理电路两部分组成。处理电路包括驱动信号产生电路、反馈方向处理电路、检测方向处理电路、相干解调器和低通滤波器。驱动信号产生电路的输出端与振动式微机械陀螺传感器的驱动端相连，振动式微机械陀螺传感器的检测信号输出端与检测方向处理电路的输入端相连，振动式微机械陀螺传感器的反馈信号输出端与反馈方向处理电路的输入端相连，检测方向处理电路的输出端和反馈方向处理电路的输出端分别与相干解调器的两个信号输入端相连，相干解调器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器输出直流电压信号，该信号与输入角速度信号成正比。所述的检测方向处理电路将振动式微机械陀螺检测方向的位移信号转换为电压信号，所述的反馈方向处理电路将振动式微机械陀螺反馈方向的位移信号转换为电压信号。反馈方向处理电路的输出信号的表达式如式(7)所示。

V_feedback＝V_fsin(ω_dt-φ_x+φ_f)      (7)

${\mathrm{\φ}}_x={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{2{\mathrm{\ζ}}_x{\mathrm{\ω}}_x{\mathrm{\ω}}_d}{{{\mathrm{\ω}}_x}^2-{\mathrm{\ω}}_d^2}---\left(8\right)$

式(7)和(8)中，ω_x为驱动模态的固有角频率，ζ_x＝c_x/2M_xω_x为驱动模态的阻尼比，φ_f为反馈方向处理电路对反馈信号的相移。

检测方向处理电路的输出信号的表达式如式(9)所示。

V_sense＝V_Coriolis sin(ω_dt-φ_y+φ_s)+Asin(ω_dt+φ_s)+Bsin(ω_dt-φ_x+φ_s)    (9)

${\mathrm{\φ}}_y={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{2{\mathrm{\ζ}}_y{\mathrm{\ω}}_y{\mathrm{\ω}}_d}{{{\mathrm{\ω}}_y}^2-{\mathrm{\ω}}_d^2}+{\mathrm{\φ}}_x---\left(10\right)$

式(9)和(10)中，ω_y为检测模态的固有角频率，ζ_y＝c_y/2M_yω_y为检测模态的阻尼比，φ_s为检测方向处理电路对检测信号的相移，V_Coriolis为Coriolis加速度所引起的电压信号，A为寄生科氏力所引起的耦合电压信号的幅度，B为正交误差所引起的耦合电压信号的幅度。

当ω_d＝ω_x＝ω_y时，φ_x＝90°，φ_v＝180°。因此式(7)和式(9)可简化为：

V_feedback＝V_fcos(ω_dt+φ_f)          (11)

V_sense＝-V_Coriolis sin(ω_dt+φ_s)+Asin(ω_dt+φ_s)+Bcos(ω_dt+φ_s)   (12)

当输入角速度信号为零时，V_Coriolis＝0，因此检测方向处理电路输出端的信号中仅包含寄生科氏力和正交误差所引起的耦合信号，其表达式为：

V_sense＝Asin(ω_dt+φ_s)+Bcos(ω_dt+φ_s)   (13)

利用反馈方向处理电路内部的移相器来调节反馈方向处理电路输出端信号V_feedback的相位，使之与Coriolis加速度所引起的电压信号的相位一致，即与寄生科氏力所引起的耦合信号的相位一致。此时，陀螺***的灵敏度最大。但由于V_sense中包含寄生科氏力和正交误差所引起的两种耦合信号，且两者之间存在90度的相位差，因此V_sense的相位即不与寄生科氏力所引起的耦合信号的相位一致，也不与正交误差所引起的耦合信号的相位一致，信号示意图如图5所示。这样就无法确定反馈方向处理电路内部的移相器的移相大小。若不能精确调整相位，就不能获得最大的陀螺***的灵敏度。

因此，需要采取某种方法将V_sense中所包含的寄生科氏力和正交误差所引起的两种耦合信号分离开来，从而能够精确调整反馈方向处理电路输出信号的相位，实现陀螺***灵敏度的最大化。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够将振动式微机械陀螺传感器内部的正交误差和寄生科氏力所引起的两种耦合信号分离开来的方法。

本发明所采取的技术方案是：在振动式微机械陀螺***中，给***输入一个绕Z轴旋转的大的角速度信号。测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度。测量检测方向处理电路输出端交流信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差。令振动式微机械陀螺***的输入角速度为零，测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度。测量检测方向处理电路输出端交流信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差。利用上述测量所得到的结果即可计算得到寄生科氏力和正交误差分别在振动式微机械陀螺***的检测方向处理电路输出端所引起的耦合电压信号的大小，成功实现了将两个耦合信号进行分离。利用反馈方向处理电路内部的移相器来调节反馈方向处理电路输出端信号的相位，使之与Coriolis加速度信号所引起的检测方向处理电路输出端的信号的相位一致。此时反馈方向处理电路输出端的信号与检测方向处理电路输出端的信号进行相干解调和低通滤波后，陀螺***的灵敏度为最大。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明提供了一种能够将振动式微机械陀螺传感器内部的正交误差和寄生科氏力所引起的两种耦合信号分离开来的方法。该方法的实施有助于分析振动式微机械陀螺传感器内部寄生科氏力和正交误差的大小，为优化传感器加工的工艺过程提供指导。

2)本发明能够准确分离正交误差和寄生科氏力所引起的两种耦合信号，因此能够精确调整振动式微机械陀螺***中反馈方向处理电路输出信号的相位，使陀螺***的灵敏度达到最大。

附图说明

图1是振动式微机械陀螺的动力学模型。

图2是振动式微机械陀螺内部寄生科氏力的示意图。

图3是振动式微机械陀螺内部正交误差的示意图。

图4是振动式微机械陀螺***结构框图的示意图。

图5是振动式微机械陀螺***中寄生科氏力所引起的耦合信号、正交误差所引起的耦合信号以及两个耦合信号的和信号的波形示意图。

具体实施方式

根据式(12)可见，输入角速度所引起的Coriolis信号的相位与寄生科氏力所引起的耦合信号的相位相同，两者之和可以表示为：

-V_Coriolis sin(ω_dt+φ_s)+Asin(ω_dt+φ_s)＝Csin(ω_dt+φ_s)   (14)

此时，检测方向处理电路的输出信号的表达式如式(15)所示。

当角速度输入信号很大时，即C＞＞B，因此即即检测方向处理电路输出端的信号为：

$V_{\mathrm{sense}}=C\sin ({\mathrm{\ω}}_{d}t+{\mathrm{\φ}}_s)+B\cos ({\mathrm{\ω}}_{d}t+{\mathrm{\φ}}_s)=\sqrt{C^2+B^2}\sin ({\mathrm{\ω}}_{d}t+{\mathrm{\φ}}_s)---\left(17\right)$

通过确定该信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差，即可获得检测方向处理电路对频率为ω_d的信号的相移φ_s。

当输入角速度信号为零时，V_Coriolis＝0，因此检测方向处理电路输出端的信号中仅包含寄生科氏力和正交误差所引起的耦合信号，其表达式为：

因此，通过测量检测方向处理电路输出端信号的幅度即可获得的大小V_x，通过测量检测方向处理电路输出端信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差即可获得的大小，利用之前已经测得的相移φ_s，即可获得的大小。得到如下与A和B有关的方程组。

解方程组(20)即可获得A和B的大小，从而将V_sense中所包含的寄生科氏力所引起的耦合信号和正交误差所引起的耦合信号分离开来。

实施步骤如下：

1)在振动式微机械陀螺***中，给***输入一个绕Z轴旋转的角速度信号，

大小可以为300度/秒。

2)测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度，即可得到的大小。

3)测量检测方向处理电路输出端交流信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差，即可获得φ_s的大小。

4)令振动式微机械陀螺***的输入角速度为零，测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度，即可获得的大小V_x。

5)测量检测方向处理电路输出端交流信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差，即可获得的大小。

6)利用和φ_s的大小即可获得的大小。

7)利用V_x和的大小，可计算得到A和B的值。因此可知寄生科氏力和正交误差分别在振动式微机械陀螺***的检测方向处理电路输出端所引起的耦合电压信号的大小，成功实现了将两个耦合信号进行分离。

8)根据φ_s的大小，利用反馈方向处理电路内部的移相器来调节反馈方向处理电路输出端信号V_feedback的相位，使之与Coriolis加速度信号所引起的检测方向处理电路输出端的信号的相位一致，即φ_f＝90°+φ_s。此时反馈方向处理电路输出端的信号与检测方向处理电路输出端的信号进行相干解调和低通滤波后，陀螺***的灵敏度为最大。

Claims (2)

1.一种基于振动式微机械陀螺的正交误差和寄生科氏力的分离测试方法，其特征在于：给振动式微机械陀螺输入一个绕敏感轴旋转的大的角速度信号，使科里奥利力和寄生科氏力共同引起的检测方向输出信号的振幅远大于正交误差引起的检测方向输出信号的振幅，测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度和检测方向处理电路输出端交流信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差，再令振动式微机械陀螺的输入角速度为零，测量检测方向处理电路输出端交流信号的幅度和测量检测方向处理电路输出端交流信号与振动式微机械陀螺传感器的驱动信号之间的相位差，利用上述测量结果得到正交误差和寄生科氏力分别在检测方向处理电路输出端所引起的耦合电压信号的大小，成功实现将两个耦合信号进行分离。

2.一种实现振动式微机械陀螺***灵敏度的最大化的方法，其特征在于：根据权利要求1所得到的振动式微机械陀螺的正交误差和寄生科氏力的分离测试结果，利用反馈方向处理电路内部的移相器来调节反馈方向处理电路输出端信号的相位，使之与科里奥利加速度信号所引起的检测方向处理电路输出端的信号的相位一致，即可实现振动式微机械陀螺***的灵敏度的最大化。