测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，对单振子三轴陀螺仪的两驱动轴振动振幅锁定、定频驱动且频率不同，在z轴产生的检测量经过两个频率信号同相解调可以得到xy轴角速度，z轴角速度会在两驱动轴上产生响应，对驱动轴谐振器输出信号进行解调滤波可以z轴角速度，最终实现单振子三轴角速度测量。本发明专利技术采用的测量方法，可以提高结构紧凑、体积小的陀螺仪的检测精度。

【技术实现步骤摘要】
测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法
本专利技术涉及一种测量微机械陀螺仪的测量，尤其涉及一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，属于微机电系统(MEMS)领域。
技术介绍
陀螺仪是一种重要的惯性传感器，在诸多领域有着广泛应用。陀螺仪按检测轴数分为单轴、双轴、三轴三种，很多应用场合中都需要三轴陀螺仪。在消费电子等低精度场合一般采用多振子单片集成实现小体积，低功耗；而在中高精度的应用场合，一般采用三个独立单轴陀螺仪机械装配的方法来实现三轴陀螺仪，但这种方式的陀螺仪体积较大，限制了其应用场合。现有的微机械三轴陀螺仪，一般采用多振子单片集成，此类陀螺仪体积小，精度低，或者采用三个单轴陀螺进行装配，此类陀螺仪的体积大，成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度的测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法。本专利技术测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，其利用驱动模块和检测模块对所述陀螺仪的所述三轴角速度进行测算，所述陀螺仪包括驱动电极(4-7)、振子(1)、驱动模块和检测模块，所述振子(1)可在x轴和/或y轴上进行弹性振动，所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述多个振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4-11)，所述多个固定电极(4-11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)相互交替分布，所述多个振子电极Vdc(12)与所述多个固定电极(4-11)一一对应，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和所述振子(1)构成x轴角振动谐振器，所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，所述驱动模块连接所述四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)，用于所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器振动，所述方法包括以下步骤：(1)所述驱动模块驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作定频和恒定振幅振动，所述x轴角振动谐振器的振动频率与所述y轴角振动谐振器的振动频率不同，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振幅恒定，所述驱动模块产生输出量Zout、驱动谐振频率，当有将角速度输入时，所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和与所述多个振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-；(2)所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述输出量Zout和所述驱动谐振频率经过检测模块处理后得到所述三轴角速度。进一步的，驱动模块包括两个环路，其中，所述x轴角振动谐振器(xResonator)、跨阻放大器(TIA)、带通滤波器(BPF)和自动增益控制模块(AGC)构成第一环路，所述y轴角振动谐振器(yResonator)、跨阻放大器(TIA)、带通滤波器(BPF)和自动增益控制模块(AGC)构成的第二环路，其中第一环路用于驱动所述x轴角振动谐振器(xResonator)作定频和定幅振动，第二环路用于驱动所述y轴角振动谐振器(yResonator)作定频和定幅振动，所述x轴角振动谐振器(xResonator)的振动频率与所述y轴角振动谐振器(yResonator)的振动频率不同，所述x轴角振动谐振器(xResonator)和所述y轴角振动谐振器(yResonator)的振幅恒定，所述第一环路、第二环路形成为闭环，所述两个环路之间电连接。进一步的，所述第一环路的所述自动增益控制模块(AGC)由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)、比例积分控制器(LPF)组成，所述x轴角振动谐振器通过所述第一环路锁定振幅。进一步的，所述第二环路自动增益控制模块(AGC)由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)、比例积分控制器(LPF)组成，在所述第二环路的低通滤波器(LPF)前输出所述输出量Zout。进一步的，当所述第一环路和第二环路稳定时，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器两个谐振器频率分别为ω1和ω2、振幅恒定，此时，x轴角度为θx＝θ0xcos(ω1t+△φx)，y轴角速度为θy＝θ0ycos(ω2t+△φy)，z轴角速度在x轴产生的扭矩为Ixω2θ0ycos(ω2t+△φy)，在y轴产生的扭矩为Iyω1θ0xcos(ω1t+△φx)，其中，θox,θoy分别为x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的角振动幅度，△φx,△φy分别为x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的角位移与驱动参考信号的相差，Ix,Iy分别为x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的转动惯量，所述输出量Zout经过带通滤波器滤掉ω2频率信号，进行同步解调，再经过低通滤波后得到z轴角速度Ωz。进一步的，所述电容变化量ΔCzx+和ΔCzx-经过CV变换后求和，所述电容变化量ΔCzy+和ΔCzy-经过CV变换后求和，两个量再求差，然后分别经过两个频率同步解调、低通滤波后求得x轴角振动谐振器的x轴角速度Ωx和所述y轴角振动谐振器的y轴角速度Ωy，两解调参考信号分别为和其中和分别为两个参考频率信号的补偿相差。下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图1为单振子双频驱动三轴陀螺仪动力学结构示意图。图2为单振子双频驱动三轴陀螺仪结构示意图。图3为单振子正交驱动三轴陀螺系统结构示意图。图4为驱动模块系统框图。图5为检测模块系统框图。图中：1、机械振子；2、万向节；3、支撑梁；4、x驱动轴正电极Vx+；5、x驱动轴负电极Vx-；6、y驱动轴正电极Vy+；7、y驱动轴负电极Vy-；8、z轴栅型检测电极Vzx+；9、z轴栅型检测电极Vzy+；10、z轴栅型检测电极Vzx-；11、z轴栅型检测电极Vzy-；12、振子电极Vdc。具体实施方式本专利技术的微机械单振子双频驱动三轴陀螺仪，利用科里奥利效应对振动刚体的作用来检测三轴角速度。如图1所示，一个圆对称转动刚体绕xyz轴的转动惯量分别为Ix,Iy,Iz，在载体坐标系中的角速度为ωx,ωy,ωz，相对惯性坐标系的角速度为Ωx,Ωy,Ωz，而科里奥利效应产生的扭矩为Mx,My,Mz。当xy轴的角度以不同频率变化，且z轴转角为很小时，即θx＝θ0xsinω1t，θy＝θ0ysinω2t，θz≈0(θ0x、θ0y为角振动振幅，ω1、ω2振动为角频率)，在小角度线性近似情况下可以得到科里奥利效应产生的扭矩为：可以通过自动控制方法(AGC)锁定xy轴的振幅，谐振器输出的信号包含两种频率成分，环路带通滤波器(BPF)只允许该驱动轴的频率信号通过，可以抑制其他频率干扰。而谐振器另引出一路信号经过带通滤波和同相解调，就可以求得z轴角速度Ωz。此外，z轴扭矩Mz会产生一个角度响应θz，这个角度由扭矩Mz和振子结构本身的性质决定，即其中：Iz为振子对z轴的转动惯量；Dz为振子z轴的阻尼系数；Kz为振子z的轴弹性系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，其利用驱动模块和检测模块对所述陀螺仪的所述三轴角速度进行测算，所述陀螺仪包括驱动电极(4‑7)、振子(1)、驱动模块和检测模块，所述振子(1)可在x轴和/或y轴上进行弹性振动，所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述多个振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4‑11)，所述多个固定电极(4‑11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx‑(5)、Vy+(6)、Vy‑(7)和四个检测电极Vzx+(8)、Vzx‑(9)、Vzy+(10)、Vzy‑(11)，所述驱动电极Vx+(4)、Vx‑(5)、Vy+(6)、Vy‑(7)和所述检测电极Vzx+(8)、Vzx‑(9)、Vzy+(10)、Vzy‑(11)相互交替分布，所述多个振子电极Vdc(12)与所述多个固定电极(4‑11)一一对应，所述驱动电极Vx+(4)、Vx‑(5)和所述振子(1)构成x轴角振动谐振器，所述驱动电极Vy+(6)、Vy‑(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，所述驱动模块连接所述四个驱动电极Vx+(4)、Vx‑(5)、Vy+(6)、Vy‑(7)和所述振子(1)，用于所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器振动，所述方法包括以下步骤：(1)所述驱动模块驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作定频和恒定振幅振动，所述x轴角振动谐振器的振动频率与所述y轴角振动谐振器的振动频率不同，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振幅恒定，所述驱动模块产生输出量Zout、驱动谐振频率，当有将角速度输入时，所述检测电极Vzx+(8)、Vzx‑(9)、Vzy+(10)、Vzy‑(11)和与所述多个振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx‑、ΔCzy+、ΔCzy‑；(2)所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx‑、ΔCzy+、ΔCzy‑、所述输出量Zout和所述驱动谐振频率经过检测模块处理后得到所述三轴角速度。...

【技术特征摘要】
1.一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，其利用驱动模块和检测模块对所述陀螺仪的所述三轴角速度进行测算，所述陀螺仪包括驱动电极(4-7)、振子(1)、驱动模块和检测模块，所述振子(1)可在x轴和/或y轴上进行弹性振动，所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述多个振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4-11)，所述多个固定电极(4-11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)相互交替分布，所述多个振子电极Vdc(12)与所述多个固定电极(4-11)一一对应，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和所述振子(1)构成x轴角振动谐振器，所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，所述驱动模块连接所述四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)，用于所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器振动，所述方法包括以下步骤：(1)所述驱动模块驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作定频和恒定振幅振动，所述x轴角振动谐振器的振动频率与所述y轴角振动谐振器的振动频率不同，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振幅恒定，所述驱动模块产生输出量Zout、驱动谐振频率，当有将角速度输入时，所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和与所述多个振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-；(2)所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述输出量Zout和所述驱动谐振频率经过检测模块处理后得到所述三轴角速度。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：驱动模块包括两个环路，其中，所述x轴角振动谐振器(xResonator)、跨阻放大器(TIA)、带通滤波器(BPF)和自动增益控制模块(AGC)构成第一环路，所述y轴角振动谐振器(yResonator)、跨阻放大器(TIA)、带通滤波器(BPF)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄占喜，
申请(专利权)人：珠海全志科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44