硅微陀螺仪正交误差校正方法技术

本发明专利技术涉及了一种硅微陀螺仪正交误差校正的方法，属于陀螺仪领域。所述方法包括如下步骤：在硅微陀螺仪的重量块中，增加正交电极；对正交电机施加电压，产生与耦合刚度相等的静电刚度，达到正交误差校正的这一目的。本发明专利技术减小了误差、提高了硅微陀螺仪的性能，满足了各个领域不同精度的需求。

【技术实现步骤摘要】
硅微陀螺仪正交误差校正方法
本专利技术属于陀螺仪领域，具体涉及一种硅微陀螺仪正交误差校正的方法。
技术介绍
传统的陀螺仪运用的原理主要是角动量守恒定律，是一种具备传感、维持方向稳定和角运动检测功能的装置，在角动量的作用下，陀螺仪具有抗拒方向改变的趋势。也被用作角速度计，是惯性导航系统的基本测量元件之一，主要用于军事、航空、航天等领域。二十世纪90年代初，随着电子技术与微机电子系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)技术的产生与迅速发展，微机电陀螺利用这种技术制造的新型陀螺仪成为现实，且在民用产品上得到了很普遍的应用，也被称为指尖上的陀螺仪。成本较低、发展迅猛、精度越来越高的硅微陀螺仪是陀螺技术的发展方向。与传统的陀螺仪相比，硅微陀螺仪具备的众多优点，使它的应用范围极其广泛，可用于航空、航天、航海、汽车安全、生物工程、大地测量、环境监控等领域，特别是在对尺寸和重量等要求很严格的领域，相比于传统陀螺仪而言，硅微陀螺仪有极其显著的优势。在战略导弹、空间飞行器等航行体的制造中，可直接利用硅微陀螺仪反馈的飞行位置、速度等信号，进行对地定位和轨道控制等。作为稳定仪器，硅微陀螺仪能使列车在轨道上稳定而快速地行驶；能使安装在飞行器上的摄像装置相对地面维持稳定；控制车辆姿态、旋转速度和旋转角度，调整车身的不稳定因素，以防发生安全事故等等。由此可见，硅微陀螺仪在现今的国防建设，国民经济建设和科技技术的发展等方面，均占相当重要的地位，在这些领域上，硅微陀螺仪应用前景也十分广阔。但是受到加工工艺、温度漂移和误差存在等因素，导致制作出来的硅微陀螺仪与设计存在一定的差异，测量精度较低，性能降低，与预期结果有一些出入。由于硅微陀螺仪是运用微机械加工工艺制成，其结构尺寸通常为微米级，集成封装后，尺寸也仅在毫米量级，受到加工效果的影响很明显，例如硅微陀螺仪的加工尺寸误差等，导致硅微陀螺仪的精度与理想的状况有所出入。当这一误差存在于硅微陀螺仪的驱动轴、检测轴或弹性主轴，会使驱动轴与检测轴不完全垂直，产生不可忽略的机械耦合。即使在没有角速度输入时，模态检测也会检测到信号，正常工作时会影响信号的输出。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅微陀螺仪正交误差校正的方法，用于解决现有技术中存在的测量精度较低，性能降低，与预期结果有一些出入的问题。为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术方案为：一种硅微陀螺仪正交误差校正方法，所述方法包括如下步骤：在硅微陀螺仪的重量块中，增加正交校正电极；对所述正交校正电极施加正交控制电压，产生与耦合刚度相等的静电刚度，达到正交误差校正的目的。进一步的，建立闭环校正系统，获得耦合刚度；将所述耦合刚度和驱动模态的振动位移相乘，得到正交力；将所述正交力经过检测模态得到位移信号；通过转换因子将所述位移信号转化为电压量；将所述电压量加入正交调解，运用低通滤波，得到正交误差量；将所述正交误差量经过PI控制器换算得到正交控制电压；将所述正交控制电压作用于正交校正电极，产生和消除耦合刚度相等的静电刚度。进一步的，所述正交力通过如下公式获得：式中Fq为正交力，kyx为耦合刚度，Ax为驱动模态振动幅值，ω为驱动频率，t为时间，j为复数，其j2＝-1，e为超越数。进一步的，所述位移信号获得过程如下：对公式(3)进行拉式变化得如下所示公式：式中Fq(s)为正交力的复变函数，s为复变数；在等式(4)的两边同时乘以Gs(s)，获得位移信号：式中，sq(s)为位移信号，Gs(s)为系统检测模态的传递函数。进一步的，在等式(5)的两边同时乘以kin1，获得电压量；式中，Vq(s)为电压量，kin1为转换因子一。进一步的，所述正交误差量获得方法包括：通过如下公式获得解调输出值：式中dm(s)为解调输出值，按照如下公式得到正交误差量：式中rq(s)为正交误差量，Lf(s)为二阶低通滤波器的传递函数。进一步的，所述正交控制电压获得方法包括：计算检测模态的传递函数：式中，Gs(s)为检测模态的传递函数，ωy为检测模态的固有频率，Qy为硅微陀螺仪检测模态的品质因子，my为检测方向的有效质量；将公式(9)代入公式(8)得到公式(10)：在公式(10)两边乘以PI控制器的传递函数，得到正交控制电压：式中uq(t)为正交控制电压，Hq(s)为PI控制器的传递函数。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术利用控制静电耦合刚度以消除结构耦合刚度，在设计正交校正电路减小或消除正交误差的同时，在结构上设计正交校正电极进行抑制，在梳齿加上电压，使硅微陀螺仪的检测方向上，产生与驱动方向位移成比例的静电力，并作用于质量块形成静电刚度，之后增加校正控制电路，以抵消耦合刚度，使其达到消除正交误差的目的，提高测量精度。附图说明图1为硅微陀螺仪重量块上增加的正交校正电极示意图；图2为硅微陀螺仪正交误差校正方法作用关系图；图3为硅微陀螺仪正交误差校正控制系统框图。附图3中字母说明：Gs(s)为系统检测模态的传递函数，kin1为转换因子一，kin2为转换因子二，Lf(s)为二阶低通滤波器的传递函数，为Hq(s)为校正装置PI控制器的传递函数，为uq(t)为产生的正交误差控制信号。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。如图1、图2、图3所示，硅微陀螺仪的检测模态的输出主要是由哥氏力和正交耦合力作用的结果，硅微陀螺仪检测模态的运动方程为：式中，mx为驱动方向的有效质量，my为检测方向的有效质量，dyy为检测方向的阻尼系数，kyy为检测方向的刚度系数，Ωz为输入的角速度，Ax为驱动模态振动幅值，kyx为耦合刚度，ω为驱动频率，t为时间，y为质量块在检测轴的位置向量，为质量块在检测轴的位置向量的一阶导数，为质量块在检测轴的位置向量的二阶导数。从式(1)可得，在检测模态中，硅微陀螺仪输入的角速度所产生的哥氏力Fc大小为：Fc＝2ΩzmxAxωtcos(ωt)(2)由硅微陀螺仪刚度弹性耦合所产生的正交力Fq，即将所述耦合刚度和驱动模态的振动位移相乘，得到正交力Fq为：对式(3)进行拉式变化得：将所述正交力经过检测模态，得到硅微陀螺仪检测检测输出sq(s)为：式中，sq(s)为位移信号，Gs(s)为系统检测模态的传递函数。通过转换因子一kin1将位移信号转化为电压量，电压量通过如下公式获得；式中，Vq(s)为电压量，kin1为转换因子一。将所述电压量加入正交调解，正交解调基准为为解调基准相位角，硅微陀螺仪的解调输出值dm(s)为：式中dm(s)为解调输出值，kinl为转换因子一，Gs(s-jω)和Gs(s+jω)为解调后的传递函数；运用低通滤波，得到正交误差量rq(s)为：式中，Lf(s)为二阶低通滤波器的传递函数。硅微陀螺仪检测模态的传递函数Gs(s)为：式中，ωy为检测模态的固有频率，dy为检测方向的阻尼系数，Qy为硅微陀螺仪检测模态的品质因子，将检测模态的传递函数Gs(s)代入式(8)得：将所述正交误差量经过PI控制器，得到正交控制电压uq(t)为：式中，Hq(s)为校正装置PI控制器的传递函数，可为二阶低通滤波器的传递函数Lf(s)可为由正交误差信号的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅微陀螺仪正交误差校正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在硅微陀螺仪的重量块中，增加正交校正电极；对所述正交校正电极施加正交控制电压，产生与耦合刚度相等的静电刚度，达到正交误差校正的目的。

【技术特征摘要】
1.一种硅微陀螺仪正交误差校正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在硅微陀螺仪的重量块中，增加正交校正电极；对所述正交校正电极施加正交控制电压，产生与耦合刚度相等的静电刚度，达到正交误差校正的目的。2.根据权利要求1所述的一种硅微陀螺仪正交误差校正方法，其特征在于，建立闭环校正系统，获得耦合刚度；将所述耦合刚度和驱动模态的振动位移相乘，得到正交力；将所述正交力经过检测模态得到位移信号；通过转换因子将所述位移信号转化为电压量；将所述电压量加入正交调解，运用低通滤波，得到正交误差量；将所述正交误差量经过PI控制器换算得到正交控制电压；将所述正交控制电压作用于正交校正电极，产生和消除耦合刚度相等的静电刚度。3.根据权利要求2所述的一种硅微陀螺仪正交误差校正方法，其特征在于，所述正交力通过如下公式获得：式中Fq为正交力，kyx为耦合刚度，Ax为驱动模态振动幅值，ω为驱动频率，t为时间，j为复数，其j2＝-1，e为超越数。4.根据权利要求3所述的一种硅微陀螺仪正交误差校正方法，其特征在于，所述位移信号获得过程如下：对公式(3)进行拉式变化得如下所示公式：式中Fq(s)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈放，费峻涛，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32