CN109916386B - 一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，包括阻尼环、静电阻尼电极以及微分控制器，阻尼环通过耦合梁与振环陀螺敏感环相连接；静电阻尼电极分为阻尼电极与驱动电极，分别布置在阻尼环内外两侧；微分控制器根据阻尼电极的输出电压，形成控制电压，加载到驱动电极上。本发明的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，可以实现敏感质量块在高过载后的主动阻尼衰减，加快稳定时间。

Description

一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪

技术领域

本发明涉及微电子领域，具体是一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪。

背景技术

硅微机械陀螺仪是一种非常重要的惯性传感器件，具有体积小、功耗低、成本低、易于批量生产等突出优点，是微机械电子技术领域的热点研究方向之一。目前MEMS陀螺仪在许多领域得到了广泛的应用，例如工业自动化、惯性导航和汽车电子等。相比于其他类型的振动陀螺仪，振环陀螺仪具有检测灵敏度高、抗干扰能力强、受温度影响小等优点。

为了使谐振子具有更小的机械噪声，提高陀螺仪检测的信噪比，以及利用较小的激励静电力便可获得较大的谐振子位移，通常将陀螺仪谐振子封装于高真空腔室内。但谐振子由高真空所获得的高Q值会极大地延长冲击振荡响应的时间，不利于陀螺仪在高过载后的快速稳定。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其包括阻尼环、静电阻尼电极、电容-电压转换电路、微分控制器，阻尼环通过耦合梁与振环陀螺敏感环相连接；静电阻尼电极分为阻尼电极与驱动电极，阻尼电极与驱动电极分别布置在阻尼环内外两侧；微分控制器根据阻尼电极的输出电压，形成控制电压，加载到驱动电极上。

其中，所述阻尼电极均为固定电极。

其中，所述驱动电极为活动电极。

其中，所述阻尼环内侧电极为阻尼电极，阻尼环外侧为驱动电极，阻尼电极与驱动电极成对布置在阻尼环0°、90°、180°和270°处。

其中，阻尼电极在0°和180°、90°和270°处分别配置为差分检测，驱动电极在0°和180°、90°和270°配置为差分驱动结构。

其中，敏感环内侧设置有敏感环检测电极，敏感环外侧设置有敏感环驱动电极。敏感环检测电极用于检测敏感环的运动，敏感环驱动电极是让敏感环保持一定的幅度频率振动。

有益效果：

1、驱动电极实现了对二波腹运动的有效检测，同时通过差分可有效抑制敏感环带动阻尼环所形成的四波腹运动的检测。

2、阻尼环驱动电极可有效加载二波腹振型而不影响陀螺工作模态的四波腹振型。

3、通过调节控制器的微分增益即可改变谐振子的阻尼，实现敏感质量块在高过载后的主动阻尼衰减，加快稳定时间。

综上所述，本发明提出的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，可有效抑制振环陀螺仪敏感环面内的平动，实现高过载后的快速稳定，并且具有体积小、功耗低、结构紧凑、设计简单，适用于工程化批量生产等优点。

附图说明

图1为本发明振环陀螺仪结构示意图；

图2为本发明控制电路原理框图。

图中：1a、1b、1c、1d为阻尼电极；2a、2b、2c、2d为驱动电极；3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h为敏感环检测电极；4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h为敏感环驱动电极；5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h为阻尼环和敏感环之间的耦合梁；6为阻尼环；7为敏感环；9-电容-电压转换电路；10-微分控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，包括阻尼环、静电阻尼电极以及控制电路。阻尼环通过耦合梁与振环陀螺敏感环相连接；静电阻尼电极分为阻尼电极与驱动电极，分别布置在阻尼环内外两侧；控制电路根据阻尼电极的输出电压，形成控制电压，加载到驱动电极上。敏感环内侧设置有敏感环检测电极，敏感环外侧设置有敏感环驱动电极。所述阻尼电极均为固定电极，所述驱动电极为活动电极。所述阻尼环内侧电极为阻尼电极，阻尼环外侧为驱动电极，阻尼电极与驱动电极成对布置在阻尼环0°、90°、180°和270°处。阻尼电极在0°和180°、90°和270°处分别配置为差分检测，驱动电极在0°和180°、90°和270°配置为差分驱动结构。敏感环检测电极用于检测敏感环的运动，敏感环驱动电极是让敏感环保持一定的幅度频率振动。

具体地，如图1和2所示，本发明的结构部分包括阻尼环6，敏感环7，耦合梁5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h，驱动电极1a、1b、1c、1d，阻尼环驱动电极2a、2b、2c、2d，敏感环检测电极3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h，敏感环驱动电极4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h。电路部分包括电容-电压转换电路9以及微分控制器10。

如图1所示，阻尼环6位于敏感环7内部，通过耦合梁5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h与敏感环7相连接，其两侧分布有固定的阻尼电极1a、1b、1c、1d以及固定的驱动电极2a、2b、2c、2d。所述阻尼电极1a、1c与阻尼环6构成一对差分检测电容，所述阻尼电极1b、1d与阻尼环6构成一对差分检测电容。所述驱动电极2a、2c与阻尼环6构成一对差分驱动电容，所述驱动电极2b、2d与阻尼环6构成一对差分驱动电容。所述固定电极成对存在，相邻两固定电极间的夹角为90°。

本发明的工作原理如下：

硅微机械振环陀螺仪8的驱动/检测模态传递函数的表达式为：

式(A1)中：G(s)为振环陀螺仪驱动/检测模态传递函数，m为驱动/检测模态等效质量，ξ为驱动/检测模态阻尼比。

电容-电压转换电路9的增益为K_C/V，电压转换为驱动力的增益11为K_V/F。

振环陀螺仪正常工作时，敏感环7被其外侧的驱动梳齿4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h驱动至四波腹工作模态，并且通过耦合梁5a、5b、5c、5d带动阻尼环7做四波腹振形的运动，阻尼环6的运动被其阻尼电极1a、1b、1c、1d读取。由于1a和1c、1b和1d的差分配置，理想情况下检测输出电压为0，不对陀螺仪的工作产生影响。

振环陀螺受到高过载时，阻尼环6产生平动运动，差分检测电容将该平动运动的位移x转换为电容的变化，电容-电压转换电路将该电容的变化转换为电压量，进入微分控制器，形成控制电压V_ctrl。

V_ctrl＝K_C/VK_dsX(s) (A2)

式(A2)中：V_ctrl为控制器输出的控制电压，K_C/V为电容-电压转换电路的增益，K_d为微分控制器的增益，X(s)为阻尼环平动运动的位移。

在该控制规律作用下，硅微机械振环陀螺仪的驱动/检测模态等效传递函数的表达式为：

即敏感质量块所具有的等效阻尼比为：

式(A4)中：ξ′为驱动/检测模态等效阻尼比，ξ为驱动/检测模态阻尼比，K_C/V为电容-电压转换电路的增益，K_d为微分控制器的增益，K_V/F为电压转换为驱动力的增益。

由该等效阻尼比可知，调节控制器的微分增益即可改变谐振子的阻尼，可实现敏感质量块在高过载后的主动阻尼衰减，加快稳定时间。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其特征在于：包括阻尼环、静电阻尼电极、电容-电压转换电路、微分控制器，阻尼环通过耦合梁与振环陀螺敏感环相连接；静电阻尼电极分为阻尼电极与驱动电极，阻尼电极与驱动电极分别布置在阻尼环内外两侧；微分控制器根据阻尼电极的输出电压，形成控制电压，加载到驱动电极上；

振环陀螺受到高过载时，阻尼环产生平动运动，差分检测电容将该平动运动的位移x转换为电容的变化，电容-电压转换电路将该电容的变化转换为电压量，进入微分控制器，形成控制电压V_ctrl：

V_ctrl＝K_C/VK_dsX(s)

式中：V_ctrl为控制器输出的控制电压，K_C/V为电容-电压转换电路的增益，K_d为微分控制器的增益，X(s)为阻尼环平动运动的位移；

在该控制规律作用下，硅微机械振环陀螺仪的驱动模态与检测模态等效传递函数的表达式为：

即敏感质量块所具有的等效阻尼比为：

式中：ξ′为驱动/检测模态等效阻尼比，ξ为驱动/检测模态阻尼比，K_C/V为电容-电压转换电路的增益，K_d为微分控制器的增益，K_V/F为电压转换为驱动力的增益。

2.根据权利要求1所述的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其特征在于：所述阻尼电极为固定电极。

3.根据权利要求1所述的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极为活动电极。

4.根据权利要求1所述的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其特征在于：所述阻尼环内侧电极为阻尼电极，阻尼环外侧为驱动电极，阻尼电极与驱动电极成对布置在阻尼环0°、90°、180°和270°处。

5.根据权利要求4所述的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其特征在于：阻尼电极在0°和180°、90°和270°处分别配置为差分检测，驱动电极在0°和180°、90°和270°配置为差分驱动结构。

6.根据权利要求1所述的一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪，其特征在于：敏感环内侧设置有敏感环检测电极，敏感环外侧设置有敏感环驱动电极。

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