CN106918351A - 一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法。由于存在不可避免的加工误差，微型机械陀螺仪的敏感检测电路输出的有用信号上始终叠加存在正交误差信号，检测正交误差信号的幅值特征和频率特征。若正交误差信号的幅值或频率偏离了设定范围，则判断陀螺工作不正常，出现故障。本发明的方法不受陀螺结构材料、结构形式、陀螺驱动和敏感检测电路工作原理的限制，均可以适用；在陀螺工作前和工作中实时检测陀螺是否正常工作，避免了只能在陀螺工作前检测的局限性。

Description

一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法

技术领域

本发明涉及一种微型机械陀螺仪，尤其涉及一种微型机械陀螺仪故障自检测方法。

背景技术

微型机械陀螺仪是一种敏感结构特征尺寸在微米到毫米量级的，采用微加工工艺制造的用于检测旋转角速度或角度的微型传感器。一般制造采用石英或者硅材料。微型机械陀螺仪内含可动质量块，其通过哥式效应(Coriolis effect)测量检测轴向的角速度或者角度信号。当检测轴向存在输入角速度或角度信号时，哥氏效应将驱动轴的能量耦合到敏感轴上，通过检测可动质量块在敏感轴向上的运动情况，即可反推测算出输入角速度或角度信号。

微型机械陀螺仪具有体积小、质量轻、价格低廉的特点，可广泛的应用于军事和民用领域。在工业自动化领域，其主要应用于先进的自动安全***、高性能的导航***、航行稳定性、翻滚的检测和预防、以及安全气囊和制动***。在消费电子产品领域，主要应用于手机、平板电脑等数码产品、摄影器材中的图像稳定、虚拟现实产品以及计算机游戏。在军事应用方面，主要运用于弹药的惯性制导、飞行器的导航和姿态控制、平台稳定、便携式单兵导航等。

在部分工业应用领域和军用应用领域，应用背景要求陀螺仪具备较高的可靠性。为满足高可靠性的陀螺仪应用要求，一方面通过可靠性设计提高陀螺仪的强健性，另一方可以通过故障检测来实现陀螺工作前的自我预检测和(或者)工作状态的健康监测。

体积小、质量轻、价格低廉、可大批量制造是微型机械陀螺仪较其他类型陀螺仪(传统机械转子陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪)的优势。因此微型机械陀螺仪一般集成封装于使用***内部，在使用前和使用中不易再进行功能和性能的测试。

发明专利申请《一种光纤陀螺仪光功率开机自检测方法》(CN105758423A)提出了一种通过将光源相位设定工作在非位置上，检测信号相邻半周期的幅值差值来判断光纤陀螺是否正常工作的方法。该方法的优点在于无需增加其他器件，自检周期短，可应用于所有数字闭环光纤陀螺仪。由于光纤陀螺正常工作时光源相位工作在位置上，因此该方法仅能在光纤陀螺仪工作前检测陀螺仪是否正常工作。微型机械陀螺仪不需要光源，因此该方法不适用于微型机械陀螺仪。

发明专利申请《陀螺工作状态自检测***及方法》(CN105973267A)提出了一种陀螺自检***，包括设置在陀螺仪内部的X、Y、Z路自检线圈、设置在测试仪内部的自检信号电路、通断开关、选择开关、控制计算机。自检信号电路产生自检信号，在自检线圈上产生干扰力矩，控制计算机接收并处理陀螺仪输出的信号，来实现静止状态下陀螺的自检测。该方法工作的前提条件是陀螺仪需处于静止状态下，因此陀螺工作状态下是无法采用该方法进行检测的。

发明专利申请《一种带自检测装置的电容式压力传感器及其制备方法》(CN105043603A)、《一种带自检测装置的压阻式压力传感器及其制备方法》(CN104697681A)、《一种带自检测装置的压阻式压力传感器及其制备方法》(CN105716753A)均是针对压力传感器的一种自检测方法，各个专利针对不同设计的压力传感器，结合其不同工艺方法在压力传感器结构中集成自检测电极，采用静电力模拟压力，实现压力传感器的自检测。

发明专利《一种单硅片体微机械工艺实现的带静电自检测的加速度计》(CN1570651A)提出了在同一个单元上集成加速度传感器和自检驱动执行器，通过在自检驱动电极上施加电压信号，实现静电力驱动质量块，检测质量块的位移可以实现加速度计的自检测。发明专利《一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器及其制造方法》(CN106018880A)提出了一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器。该方法利用在自检测电极与可动电极间施加电压模拟加速度输入引起的加速度传感器质量块的运动，从而引起检测电容变化实现加速度传感器的晶圆级标度和自检测。其优点是基于预制空腔SOI晶圆制造，避免采用键合工艺或者牺牲层技术制作加速度传感器结构。上述两个专利均需要在加速度计中设计自检测电极，需要电路产生自检测电压信号，在自检测电极形成自检测静电驱动力，驱动质量块运动，根据质量块运动的位移判断加速度计是否正常工作。

美国专利《Rotation rate sensor with built in test circuit》(US5426970)提出了一种音叉式陀螺仪自检测方法。该方法是在陀螺仪音叉结构上设计检测驱动电极，自检测电路产生自检测信号，在自检测驱动电极上产生自检测驱动力，虚拟出角速度输入情况下音叉的运动状况。陀螺原有检测电路不变。根据检测电路测量到的音叉结构运动信号与自检测信号对比判断，可以检测出陀螺是否工作正常。当存在外界输入真实角速度时，检测电路测量到的音叉结构运动信号为哥氏效应产生的运动和自检测信号产生的虚拟运动的叠加，从陀螺输出中减去已知自检信号产生的输出信号即可得出陀螺真实输入角速度信号。该方法可以实时监测陀螺是否正常工作，但其需要在陀螺音叉结构上设计自检测电极，增加了设计复杂程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测的方法，不需要在陀螺结构中增加自检测驱动电极，且可以在陀螺工作前和工作中实时检测陀螺是否正常工作，避免了其他方法只能在陀螺工作前检测的局限性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，基于现有的微型机械陀螺仪敏感检测环路，敏感检测电路输出的信号中不仅包含有用角速度信号还包含正交误差信号，通过检测正交误差信号的幅值特征或频率特征，判断正交误差信号是否在正常范围内，从而推断微型机械陀螺是否正常工作。

敏感检测电路输出的信号引出一路与相同相位的陀螺驱动信号进行解调，解调后的信号包含高频分量；通过计算得出高频分量的频率值，判断该频率值是否在设定范围内；根据该频率值判断正交误差信号的频率特性是否正常，若正交误差信号频率特性偏离了设定范围，则判断陀螺工作不正常，出现故障。

敏感检测电路输出的信号引出一路与相同相位的陀螺驱动信号进行解调，解调后的信号包含直流分量；根据该直流分量是否在设定范围内判断正交误差信号的幅值特性是否正常，若正交误差信号幅值特性偏离了设定范围，则判断陀螺工作不正常，出现故障。

所述高频分量为陀螺驱动电路产生的驱动电压信号的频率的两倍频分量。

所述直流分量由解调后的信号经低通滤波后得到。

微型机械陀螺仪质量块在驱动轴和敏感轴向的运动方程表示为：

其中，x和y为质量块在驱动轴和敏感轴的位移，m_x和m_y为质量块在驱动轴和敏感轴的等效质量，b_x和b_y分别为驱动轴和敏感轴阻尼系数，b_yx为敏感轴阻尼耦合到驱动轴的耦合阻尼系数，b_xy为驱动轴阻尼耦合到敏感轴的耦合阻尼系数，k_x和k_y、分别为驱动轴和敏感轴的刚度系数，k_yx为敏感轴刚度耦合到驱动轴上的耦合刚度系数，k_xy为驱动轴刚度耦合到敏感轴上的耦合刚度系数，Ω_z为Z轴向的输入角速度，F_x和F_y为驱动轴和敏感轴方向上的外力；

将上述方程组简化为：

由简化的方程组第二式，得：

其中B是由m_y、b_y、k_y，F_y共同决定的常数，C是由m_y、b_y、k_y，k_xyx共同决定的常数，ω_d为陀螺驱动电路产生的驱动力F_x的角频率，为由m_y、b_y、k_y决定的相位常数；常数B不含正交耦合刚度k_xy的信息，而常数C含有正交耦合刚度k_xy的信息。

采用与陀螺驱动信号同频率且同相位的解调信号D_i(t)＝A_isin(ω_dt+θ_i)对陀螺敏感检测电路输出的信号y(t)进行同相解调，其中A_i为该正交解调信号的幅值，θ_i为相位值，得

当时，上式简化为

同相解调后的信号包含一个关于正交误差信号幅值的直流分量和一个关于驱动频率两倍频率2ω_d的高频信号。

采用与陀螺驱动信号同频率但相位正交的解调信号对陀螺敏感检测电路输出的信号y(t)进行解调，其中A_q为该正交解调信号的幅值，θ_q为相位值；低通滤波，得直流项

当解调信号的相位时，包含正交误差信息的项可以完全消除，仅剩计算得出输入角速度信号Ω_z。

本发明所达到的有益效果：

微型机械陀螺均存在正交误差，本发明的故障自检测方法不受陀螺结构材料、结构形式、陀螺驱动和检测电路工作原理的限制，均可以适用。该检测方法的优点还在于其可以在陀螺工作前和工作中实时检测陀螺是否正常工作，避免了某些方法只能在陀螺工作前检测的局限性。由于该方法不需要在陀螺结构中增加自检测驱动电极，避免了为增加故障检测功能而增加陀螺设计的难度。

附图说明

图1为微型机械陀螺仪集中参数模型示意图。

图2为敏感模态开环检测的微型机械陀螺仪的工作原理示意图。

图3为敏感模态开环检测的微型机械陀螺仪的一种基于正交误差信号的故障自检测原理示意图。

图4为一种正交误差信号故障检测原理示意图。

图5为敏感模态闭环检测的微型机械陀螺仪的一种基于正交误差信号的故障自检测原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

微型机械陀螺仪按材料可分为微型石英机械陀螺仪和微型硅机械陀螺仪，按结构可分为扭摆式、音叉式、框架式、球壳式、圆柱式等。按驱动和检测方法，可以分为静电式、电磁式、压电式、压阻式等。尽管微型机械陀螺仪的材料、结构、检测方式多种多样，但微型机械陀螺仪的基本工作原理均相同。如图1所示，微型机械陀螺仪工作时首先需要通过电路驱动质量块m在驱动轴向上稳定振动，当陀螺角速度检测轴向存在输入角速度时，哥式效应产生的哥式力使得敏感质量块在敏感轴上产生振动，通过检测质量块在敏感轴上的振动情况，可以推算出输入角速度。

微型机械陀螺仪的质量块一般通过梁结构与固定基底连接，质量块可以在驱动轴(X轴)和敏感轴(Y轴)方向上运动。

结合图2，由于微型机械陀螺仪的敏感结构采用微加工工艺制造，不可避免的加工误差导致陀螺驱动轴和敏感轴之间存在刚度耦合，陀螺驱动轴向的振动信号会通过刚度耦合到敏感轴上。一般性的微型机械陀螺质量块在驱动轴和敏感轴向的运动方程可表示为

其中x和y为质量块在驱动轴(X轴)和敏感轴(Y轴)的位移，m_x和m_y为质量块在驱动轴和敏感轴的等效质量，b_x和b_y分别为驱动轴和敏感轴阻尼系数，b_yx为敏感轴阻尼耦合到驱动轴的耦合阻尼系数，b_xy为驱动轴阻尼耦合到敏感轴的耦合阻尼系数，k_x和k_y、分别为驱动轴和敏感轴的刚度系数，k_yx为敏感轴刚度耦合到驱动轴上的耦合刚度系数，k_xy为驱动轴刚度耦合到敏感轴上的耦合刚度系数，Ω_z为Z轴向的输入角速度，F_x和F_y为驱动轴和敏感轴方向上的外力。

采用真空封装后，微型机械陀螺仪的阻尼小，因此上述方程中耦合阻尼系数b_yx、b_xy可以忽略。由于敏感轴振动位移y远小于驱动轴振动位移x，因此可以忽略k_yxy和项。上述方程组可以简化为

由上述简化的方程组第二式可知，非零系数k_xy将驱动轴的振动耦合到了敏感轴。因此陀螺质量块敏感轴的振动位移y是关于驱动轴振动位移x、速度Y轴驱动力F_y和输入角速度Ω_z的函数。由于驱动轴振动位移x、速度和Y轴驱动力F_y是通过电路控制的，为已知量，故而可以根据检测电路检测到的陀螺质量块敏感轴振动位移信号y计算出输入角速度信号Ω_z。

因为陀螺电路检测到的敏感轴振动位移信号y中包括驱动耦合信号k_xyx产生的正交误差敏感信号与哥氏效应产生的敏感信号。正交误差信号为无用的误差干扰信号，需要尽可能的消除正交误差信号。众所周知，驱动耦合信号k_xyx产生的敏感信号与输入角速度产生的哥氏效应引起的质量块在敏感轴上的运动信号始终存在90度相位差，可以通过正交解调方式将正交误差信号和角速度敏感信号分离。

以敏感模态开环检测的微型机械陀螺仪为例，当Y轴驱动力F_y为零时，陀螺敏感检测电路输出的信号即为方程组第二式的解，可以表示成

其中B是由m_y、b_y、k_y，F_y共同决定的常数，C是由m_y、b_y、k_y，k_xyx共同决定的常数，ω_d为陀螺驱动电路产生的驱动力F_x的角频率，为由m_y、b_y、k_y决定的相位常数。可知常数B不含正交耦合刚度k_xy的信息，而常数C含有正交耦合刚度k_xy的信息。

为消除正交误差信号，对陀螺敏感检测电路输出的信号y(t)采用与陀螺驱动信号同频率但相位正交的解调信号进行解调，其中A_q为该正交解调信号的幅值，θ_q为相位值。低通滤波后，得直流项

当解调信号的相位时，正交误差信号可以完全消除，仅剩即可以计算得出角速度信号Ω_z。

本发明提出通过检测微型机械陀螺仪的正交误差信号来实现微型机械陀螺仪故障的检测判断。由于正交误差信号是驱动轴向振动耦合到敏感轴向产生的，因此正交误差信号同时反映陀螺驱动轴和敏感轴的振动情况。同时正交误差信号是由陀螺敏感检测电路检测出的，与陀螺敏感输出的检测信号共用同一前端检测电路，仅解调信号相位存在90度相位差，因此正交误差信号亦反映陀螺敏感轴向前端检测电路的工作状态。

采用与陀螺驱动信号同频率且同相位的解调信号D_i(t)＝A_isin(ω_dt+θ_i)对陀螺敏感检测电路输出的信号y(t)进行同相解调，其中A_i为该正交解调信号的幅值，θ_i为相位值。可得

当时，上式可简化为

由上式可见，同相解调后信号包含一项关于正交误差信号幅值信息的直流信号和两项都是关于驱动频率两倍频的信号，进一步的和可以合并成一项频率为2ω_d的高频率信号。对该同相解调信号进行频率谱计算，可以得出正交误差信号的频率值(同相解调信号的频率已知)；对该同相解调信号进行低通滤波，可以得出正交误差信号的幅值信息。由于陀螺正常工作时正交误差信号始终存在，并且正交误差信号不随输入角速度变化，因此根据正交误差信号是否在设定的频率和幅值范围内，可以判断陀螺是否正常工作。

若微型机械陀螺仪为敏感模态闭环检测工作模式，即存在Y轴闭环驱动力F_y时，F_y是与输入角速度信号同频率且同相位的信号，其作用为抵消方程组中第二式中的哥氏效应项。F_y对正交耦合项k_xyx产生的正交误差不产生影响，因此采用正交调制的方法来获得陀螺的正交误差信号对闭环检测工作模式的微型机械陀螺仪依然适用。微型机械陀螺仪利用哥式效应实现对输入角速度或角度的测量。

如图3所示，以敏感模态开环检测的电容式硅微机械陀螺仪为例。陀螺驱动电路产生驱动电压信号施加到陀螺驱动轴驱动电极上，陀螺质量块在静电驱动力的作用下沿X轴振荡运动，驱动轴向的检测电极检测出质量块在驱动轴向的运动情况，反馈给驱动控制电路，实现陀螺质量块在驱动轴向上的稳定振动。此时若存在外界输入角速度，那么哥氏力将使质量块同时沿敏感轴振荡运动，分布在敏感轴向上的检测电极检测出质量块在敏感轴向的运动信号，再经敏感检测电路和解调滤波电路进行信号处理后输出陀螺信号。

由于不可避免的加工误差，导致陀螺驱动轴和敏感轴之间存在交叉耦合。经陀螺敏感检测电路输出的信号中不仅包括需要的哥氏信号，还含有与哥氏信号相位相差90度的驱动信号耦合产生的正交误差信号。因此将陀螺敏感检测电路输出的信号与相移90度的陀螺驱动信号进行解调、低通滤波后，可以消除正交误差信号，得到反应输入角速度的电压信号。

本发明提出保持陀螺敏感检测环路设计不变，将陀螺敏感检测电路输出的信号引出一路与相同相位的陀螺驱动信号进行解调。该解调后的信号包含一个直流分量和一个高频分量(驱动频率两倍频分量)。通过例如频率谱计算或方波计数等方法可以得出高频分量的频率值，根据该频率值是否在设定范围内，可以判断正交误差信号的频率是否正常，如图4所示。该解调信号经低通滤波后可以得到直流分量，该直流分量反应正交误差信号的幅值，根据该直流分量是否在设定范围内，可以判断正交误差信号的幅值是否正常。综合频率检测和幅值检测，即可判断正交信号是否在正常工作范围内。若正交信号偏离了正常工作范围，则可以判断陀螺工作不正常，出现故障，电路输出故障标志信号。

如图5所示，敏感模态闭环检测的微型机械陀螺仪的故障自检测方法类似，不再重复叙述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，基于现有的微型机械陀螺仪敏感检测环路，敏感检测电路输出的信号中不仅包含有用角速度信号还包含正交误差信号，通过检测正交误差信号的幅值特征或频率特征，判断正交误差信号是否在正常范围内，从而推断微型机械陀螺是否正常工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，敏感检测电路输出的信号引出一路与相同相位的陀螺驱动信号进行解调，解调后的信号包含高频分量；通过计算得出高频分量的频率值，判断该频率值是否在设定范围内；根据该频率值判断正交误差信号的频率特性是否正常，若正交误差信号频率特性偏离了设定范围，则判断陀螺工作不正常，出现故障。

3.根据权利要求1所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，敏感检测电路输出的信号引出一路与相同相位的陀螺驱动信号进行解调，解调后的信号包含直流分量；根据该直流分量是否在设定范围内判断正交误差信号的幅值特性是否正常，若正交误差信号幅值特性偏离了设定范围，则判断陀螺工作不正常，出现故障。

4.根据权利要求2所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，所述高频分量为陀螺驱动电路产生的驱动电压信号的频率的两倍频分量。

5.根据权利要求3所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，所述直流分量由解调后的信号经低通滤波后得到。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，微型机械陀螺仪质量块在驱动轴和敏感轴向的运动方程表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_x\stackrel{\·\·}{x}+b_x\stackrel{\·}{x}+b_{yx}\stackrel{\·}{y}+k_{x}x+k_{yx}y=F_x-2\stackrel{\·}{y}{\mathrm{\Ω}}_z{m}_x\\ m_y\stackrel{\·\·}{y}+b_y\stackrel{\·}{y}+b_{xy}\stackrel{\·}{x}+k_{y}y+k_{xy}x=F_y-2\stackrel{\·}{x}{\mathrm{\Ω}}_z{m}_y\end{array}\right.$

其中，x和y为质量块在驱动轴和敏感轴的位移，m_x和m_y为质量块在驱动轴和敏感轴的等效质量，b_x和b_y分别为驱动轴和敏感轴阻尼系数，b_yx为敏感轴阻尼耦合到驱动轴的耦合阻尼系数，b_xy为驱动轴阻尼耦合到敏感轴的耦合阻尼系数，k_x和k_y、分别为驱动轴和敏感轴的刚度系数，k_yx为敏感轴刚度耦合到驱动轴上的耦合刚度系数，k_xy为驱动轴刚度耦合到敏感轴上的耦合刚度系数，Ω_z为Z轴向的输入角速度，F_x和F_y为驱动轴和敏感轴方向上的外力；

将上述方程组简化为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_x\stackrel{\·\·}{x}+b_x\stackrel{\·}{x}+k_{x}x=F_x\\ m_y\stackrel{\·\·}{y}+b_y\stackrel{\·}{y}+k_{y}y+k_{xy}x=F_y-2\stackrel{\·}{x}{\mathrm{\Ω}}_z{m}_y\end{array}\right.$

由简化的方程组第二式，得：

其中B是由m_y、b_y、k_y，F_y共同决定的常数，C是由m_y、b_y、k_y，k_xyx共同决定的常数，ω_d为陀螺驱动电路产生的驱动力F_x的角频率，为由m_y、b_y、k_y决定的相位常数；常数B不含正交耦合刚度k_xy的信息，而常数C含有正交耦合刚度k_xy的信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，采用与陀螺驱动信号同频率且同相位的解调信号D_i(t)＝A_isin(ω_dt+θ_i)对陀螺敏感检测电路输出的信号y(t)进行同相解调，其中A_i为该正交解调信号的幅值，θ_i为相位值，得

当时，上式简化为

同相解调后的信号包含一个关于正交误差信号幅值的直流分量和一个关于驱动频率两倍频率2ω_d的高频信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于正交误差信号的微型机械陀螺仪故障自检测方法，其特征是，采用与陀螺驱动信号同频率但相位正交的解调信号对陀螺敏感检测电路输出的信号y(t)进行解调，其中A_q为该正交解调信号的幅值，θ_q为相位值；低通滤波，得直流项

当解调信号的相位时，包含正交误差信息的项可以完全消除，仅剩计算得出输入角速度信号Ω_z。