一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法，该方法利用陀螺仪驱动系统产生的解调基准信号和相对解调基准信号的90°移相信号分别对检测轴信号进行相敏解调，根据两路解调输出间存在的三角函数关系，对其加权相加即可还原输入角速度信号，排除正交信号的干扰；利用该相位差和驱动频率存在近似线性关系，标定该内在关系并对相位差进行实时解算，进而得出加权系数，对角速度信号进行实时补偿。本发明专利技术不需要外加温度传感器，用驱动信号频率表征温度，实时补偿由于温度变化造成的解调相位差的变化，解决了测量内部温度延时而导致的滞回效应，提高了陀螺仪的零偏稳定性，且保持了硅微陀螺仪体积小的特点。

Zero bias temperature compensation method of high precision gyroscope

The invention discloses a high precision silicon micro gyroscope bias temperature compensation method, 90 degree phase shift signal generated by the driving system of the gyro demodulation reference signal method and relative demodulation reference signal of phase sensitive demodulation of signal detection based on the trigonometric function axis, two demodulation output exists between the weighted. Can be added to restore the input angular velocity signal, eliminate the interference of orthogonal signals and driving frequency difference; there is a good linear relationship with the phase, the internal relations and calibration of the phase difference for the real-time calculation, then obtains the weighted coefficient, real-time compensation angular velocity signals. The invention does not require an external temperature sensor, driving signal frequency characterization of temperature compensation in real time due to changes in temperature caused by the change of phase demodulation difference, solves the internal temperature measurement of time delay caused by the hysteresis effect, improves the gyro bias stability, and maintain the characteristic of small volume of silicon micro gyroscope.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法
本专利技术属于微机电系统
，特别是一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法。
技术介绍
硅微机械陀螺仪是基于科氏力，该力耦合了两个相互正交的坐标轴之间的能量。陀螺仪谐振器沿驱动轴方向驱动，当有角速度输入时，由科氏效应产生的科氏力使谐振器沿第二轴向即检测轴方向振动，通过检测该检测轴向位移的变化来等效输入的角速率。虽然微机械陀螺仪已经得到广泛的运用，其技术也逐渐成熟，但微机械陀螺仪的性能并不稳定，很容易受到干扰。温度效应是微机械陀螺的主要误差来源之一。并且随着陀螺技术的发展与应用范围的扩大，温度效应对陀螺的影响也越来越成为困扰人们的问题。针对这一问题，近些年国内外一些文献相继介绍了改善硅微陀螺温度性能的方法。HoGK等人在[HoGK,SundaresanK,PourkamaliS,etal.MicromechanicalIBARs:TunableHigh-ResonatorsforTemperature-CompensatedReferenceOscillators[J].JournalofMicroelectromechanicalSystems,2010,19(3):503-515.]中提出采用结构的对称设计和新工艺以减小温度影响，该方法虽然可以消除部分的温度影响但容易被加工过程的不确定因素干扰。LuX等人在[LuX,YangB,WangSR,etal.On-ChipTemperature-ControlTechnologyforSiliconMicro-Gyroscope[J].KeyEngineeringMaterials,2011,483:228-231.]中针对陀螺仪的工作环境温度，在陀螺结构芯片内部进行温度控制，使其工作环境恒温。此方法不仅会增加加工难度，同时加热不均也会导致结构的非理想形变，影响测量精度。由于硅微陀螺仪的零偏来自于相敏解调残留的正交信号，因此零偏温度误差与正交信号的幅度变化具有相关性，ZotovSA等人在[ZotovSA,SimonBR,SharmaG,etal.UtilizationofmechanicalquadratureinsiliconMEMSvibratorygyroscopetoincreaseandexpandthelongtermin-runbiasstability[C].InertialSensorsandSystems(ISISS),2014InternationalSymposiumon,LagunaBeach,CA,2014:1-4.]中认为可利用正交信号幅度对零偏进行温度补偿。此外由于硅微陀螺仪的零偏及标度因数均与其驱动位移相关，该研究团队提出了利用陀螺驱动电路中的三次谐波与一次谐波的比例表征陀螺的驱动位移，并利用其进行进一步温度补偿。由于所采用的补偿变量与陀螺的温度误差具有直接相关性，该补偿方法取得了不错的补偿效果，其零偏不稳定性达到了0.1°/h。但是该文献中的所有电路系统均采用分立器件构成，未实现片上集成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够解决温度滞回和温度曲线非线性问题的高精度硅微陀螺仪的零偏温度补偿方法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，包括以下步骤：步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为驱动频率；步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；步骤3、利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求解步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率实时获取相位差步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得输出角速度输入信号幅值。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术相比于增加外部测温传感器的方案，利用驱动频率来表征敏感结构内部温度的方法避免外部感知的温度与陀螺敏感结构内部的温度存在的延时，有效解决硅微陀螺仪在温变环境下的温度滞回问题；(2)本专利技术将驱动轴的解调基准信号和检测轴输出信号之间不可避免的相位误差作为补偿源,利用该中间变量与表征温度的驱动频率呈近似线性关系获取加权系数，具有实时性且该方法易于集成；(3)本专利技术利用一组来自驱动轴的正交解调基准分别对检测信号进行相敏解调，根据两路解调输出间存在的三角函数关系，对其加权相加即可还原输入角速度信号，排除正交信号的干扰。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为硅微机械陀螺仪系统检测部分的零偏温度补偿流程图。图2为零偏温度补偿方法示意图。图3为以时间为横坐标的实际测得相位差与线性拟合相位差曲线图。图4为以驱动频率为横坐标的实际测得相位差与线性拟合相位差曲线图。图5为未进行温度补偿的陀螺仪零偏输出曲线图。图6为进行温度补偿后的陀螺仪零偏输出曲线图。具体实施方式本专利技术利用驱动频率作为温度表征量进行补偿，有效的解决温度滞回问题；以及利用一些中间变量作为补偿源有效改善由于温度对于多个结构和电路参数呈非线性关系而引入的补偿残差。结合图1，一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，包括以下步骤：步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为驱动频率；步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；步骤3、利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求出步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的数据进行拟合标定该函数，进而通过实时测量驱动频率来实时获取相位差步骤5、实时计算加权系数和分别与步骤2中的角速度信号和正交信号相乘，所得结果相加即得输出角速度输入信号幅值。进一步的，步骤2中解调基准信号cos(ωdt)是陀螺仪系统中的驱动信号，且是由驱动控制系统中的锁相环相位控制系统产生的一对相互正交的基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)，其中ωd为陀螺仪的驱动频率，来自驱动轴的解调基准信号与检测轴信号之间不可避免的存在相位误差但角速度输入信号和正交输入信号始终保持正交关系。进一步的，步骤3中检测信号经过Hilbert变换移相90°变为检测移相信号幅值大小不变。解调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号

【技术特征摘要】
1.一种高精度陀螺仪的零偏温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，检测信号读取：将科氏效应产生的科氏加速度以及机械结构的加工误差引起的正交误差加速度输入到陀螺谐振器检测模态，经过C/V转换及AD转换，获取检测信号；所述检测信号包含角速度输入信号和正交输入信号VI为角速度输入信号幅值，VQ为正交输入信号幅值，为角速度输入信号与驱动信号间的相位差，ωd为驱动频率；步骤2，检测信号解调：由驱动控制系统产生的与检测信号同频且相互正交的解调基准信号cos(ωdt)和sin(ωdt)分别与检测信号相乘，经过低通滤波器解调出相应的角速度信号和正交信号为检测信号和解调基准信号cos(ωdt)间的相位差；步骤3、利用Hilbert变换计算两个同频信号的相位差的方法求解步骤4、进行线性拟合，发现驱动频率和相位差内在函数关系，通过实验获取驱动频率ωd和相位差的...

【专利技术属性】
技术研发人员：施芹，虞嘉欣，赵阳，裘安萍，夏国明，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32