一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法，实施步骤包括选择一组驱动电极和一组检测电极，驱动电极布置于嵌套环陀螺谐振结构内侧靠近锚点的孔洞中，同时检测电极布置于嵌套环陀螺谐振结构外侧，且驱动电极和检测电极均包含相隔90度夹角呈圆周分布的四个弧形电极；在选择的驱动电极上同时施加驱动交流信号、直流偏置电压和第一频率的高频载波，在选择的检测电极上同时施加第二频率的高频载波、反馈交流信号和直流偏置电压，通过检测轴施力电极使检测轴振动位移恒为零；将选择的检测电极上输出的反馈交流信号输出。本发明专利技术提出的电极配置方法使得驱动位移可以大幅增加，振动非线性可以得到很好的控制，从而能够大幅提升陀螺的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法
本专利技术涉及陀螺仪，具体涉及一种新的电极配置方案实现嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制的方法。
技术介绍
陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。嵌套环式振动陀螺采用成熟的平面微加工技术，在可制造性和成本方面具有极大的优势。其充分利用了结构面积，显著增大了惯性质量、电极数量和品质因数，使其具有很高的灵敏度和精度潜力。嵌套环式振动陀螺是现有的具有嵌套环谐振结构的陀螺仪，其中嵌套环谐振结构一般包括中心锚点和围绕中心锚点布置的多层嵌套的同心圆环，且相邻的同心圆环之间通过辐条相连，最内侧的同心圆环通过辐条与中心锚点相连，中心锚点与衬底键合起到固定谐振结构的作用，同心圆环之间形成的孔洞可以用来布设电极。嵌套环式振动陀螺是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，其驱动模态(如图1所示)和检测模态(如图2所示)均为二阶椭圆模态，两个模态相同且正交。该陀螺通常需要闭环控制以获得更高的性能。闭环工作状态下，嵌套环陀螺在驱动模态产生恒定幅值的振动，当有角速度输入时，由于哥氏力的作用陀螺在检测模态产生位移，在闭环状态下，控制系统产生与角速度成正比的反馈力实时抑制检测模态的位移使该位移为零，从而实现陀螺的闭环稳定控制。通过检测反馈力的大小即可得到陀螺转动角速度的大小从而实现角速度信号的检测。嵌套环陀螺通过电容检测实现对位移的检测。驱动模态的位移通过驱动敏感电极进行检测，检测模态的位移通过检测电极进行检测。驱动敏感电极或检测电极检测到的位移即为该陀螺的等效位移。闭环系统中，陀螺的灵敏度SF的函数表达式如式(1)所示；SF＝2nAgmeffω0x0(1)式(1)中，n为模态阶数，在嵌套环陀螺中一般工作在椭圆模态，n＝2；Ag为角度增益，meff为等效质量，ω0为陀螺谐振频率，x0为陀螺等效位移。陀螺的机械热噪声Ωmech的函数表达式如式(2)所示；式(2)中，n为模态阶数，在嵌套环陀螺中一般工作在椭圆模态，n＝2；Ag为角度增益，x0为陀螺等效位移，kB波尔兹曼常数，T为绝对温度，keff为陀螺等效刚度，τ为陀螺衰减时间常数，h为小时。由此可见，提升陀螺的振动位移可以直接提升陀螺的闭环灵敏度，随着灵敏度的提高其信噪比增大，进而可以提升陀螺的稳定性能。同时，提升陀螺的振动位移能够有效降低陀螺的机械热噪声。因此，提升陀螺的振动幅值是提升陀螺仪性能的关键技术。但由于微机电嵌套环振动陀螺一般结构尺寸较小，且通过采用电容驱动和检测的方式，要达到较大的振动幅值会产生严重的静电非线性效应，从而造成陀螺频率噪声和相位噪声的增大。同时，由于位移较大时，电容变化随位移的变化不再是线性关系，将导致系统出现电容非线性，严重的电容非线性将影响陀螺的控制系统造成控制失效。因此，解决大振动幅值下的陀螺非线性问题，抑制其非线性效应，对提升陀螺的性能有着重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法。之前的文献中提出嵌套环式振动陀螺可以设置大量的内置电极，但并未给出最佳的电极配置方案，在已经报道的文献中，嵌套环式振动陀螺普遍采用外部电极驱动和检测的方式。本专利技术通过理论论证，提出了最佳的电极配置方案，其优点在于利用该方案陀螺驱动位移可以大幅增加，由陀螺振动幅值增加带来的非线性效应可以得到有效抑制进而大幅提升陀螺的振动幅值，降低相位噪声，从而提升陀螺的灵敏度和零偏稳定性。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术提供一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法，实施步骤包括：1)选择一组驱动电极和一组检测电极，所述驱动电极布置于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构孔洞中，所述检测电极布置于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构外侧，且所述驱动电极和检测电极均包含相隔90度夹角呈圆周分布的四个弧形电极；所述驱动电极的四个弧形电极同时作为驱动轴施力电极、驱动轴敏感电极且构成形成两对差分电极，所述检测电极的四个弧形电极同时作为检测轴施力电极和检测轴敏感电极且构成形成两对差分电极；2)在选择的驱动电极上同时施加驱动交流信号和直流偏置电压用于驱动陀螺维持恒幅振动、施加第一频率的高频载波用于检测驱动方向的振动位移，在选择的检测电极上同时施加第二频率的高频载波用于检测角速度引起的检测轴振动位移、施加反馈交流信号和直流偏置电压用于平衡角速度引起的检测轴振动位移使得检测轴振动位移恒为零；3)将选择的检测电极上输出的反馈交流信号作为角速度信号输出。优选地，步骤1)中选择一组驱动电极时，选择的一组驱动电极位于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构最内侧的孔洞中。优选地，步骤1)中选择一组驱动电极时选择驱动电极的原则为在对驱动电极施加驱动力足够的前提下优先选择靠嵌套环陀螺谐振结构内侧的孔洞中的一组驱动电极。优选地，步骤1)中选择检测电极(22)时，选择的检测电极(22)需要位于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构(1)的外侧。和现有技术相比，本专利技术具有下述优点：本专利技术嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法在现有嵌套环式振动陀螺的基础上优化了嵌套环式振动陀螺的电极配置提出了一种新型电极配置方案，利用嵌套环式振动陀螺驱动模态中外环位移大于内环位移的特点，提出了通过内环驱动并同时采用外环检测的电极配置方案提升振动陀螺的临界非线性幅值并在相同位移条件下抑制陀螺的非线性效应，在选择的驱动电极上同时施加驱动交流信号、直流偏置电压和第一频率的高频载波使得驱动电极同时成为驱动轴施力电极和驱动轴检测电极，在选择的检测电极上同时施加第二频率的高频载波、反馈交流信号和直流偏置电压使得检测电极同时成为检测轴施力电极和检测轴检测电极，通过检测轴施力电极使检测轴振动位移恒为零，通过理论分析和实验验证，证明了本专利技术提出的非线性抑制方法的有效性。附图说明图1为嵌套环式振动陀螺的驱动模态示意图。图2为嵌套环式振动陀螺的检测模态示意图。图3为本专利技术实施例中的嵌套环式振动陀螺结构示意图。图4为本专利技术实施例中提出的可有效抑制非线性效应的电极配置方案。图5为本专利技术实施例中用于验证该电极配置方案有效性的陀螺结构示意图。图6为嵌套环陀螺驱动模态以及驱动模态中各环在水平方向的位移示意图。图7为嵌套环陀螺线性振动及非线性振动不同程度下的频响曲线示意图。图8为不同位置驱动时陀螺的临界非线性幅值变化曲线及相应的频响曲线示意图。图9为不同位置驱动下嵌套环陀螺最外环达到相同幅值时陀螺振动的频响曲线。图10为不同位置驱动时的嵌套环陀螺标度因数的变化。图11为不同位置驱动时嵌套环陀螺角度随机游走及零偏不稳定性的变化。图例说明：1、嵌套环陀螺谐振结构；11、中心锚点；12、同心圆环；13、孔洞；14、辐条；21、驱动电极；22、检测电极。具体实施方式下文将以图3所示嵌套环式振动陀螺为例，对本专利技术嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法进行进一步的详细说明。如图3所示，该嵌套环式振动陀螺的嵌套环谐振结构1主要包括中心锚点11和多层嵌套的同心圆环12，相邻的同心圆环12之间连接有辐条14，相邻的同心圆环12以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法，其特征在于实施步骤包括：1)选择一组驱动电极(21)和一组检测电极(22)，所述驱动电极(21)布置于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构(1)孔洞中，所述检测电极(22)布置于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构(1)外侧，且所述驱动电极(21)和检测电极(22)均包含相隔90度夹角呈圆周分布的四个弧形电极；所述驱动电极(21)的四个弧形电极同时作为驱动轴施力电极、驱动轴敏感电极且构成形成两对差分电极，所述检测电极(22)的四个弧形电极同时作为检测轴施力电极和检测轴敏感电极且构成形成两对差分电极；2)在选择的驱动电极(21)上同时施加驱动交流信号和直流偏置电压用于驱动陀螺维持恒幅振动、施加第一频率的高频载波用于检测驱动方向的振动位移，在选择的检测电极(22)上同时施加第二频率的高频载波用于检测角速度引起的检测轴振动位移、施加反馈交流信号和直流偏置电压用于平衡角速度引起的检测轴振动位移使得检测轴振动位移恒为零；3)将选择的检测电极(22)上输出的反馈交流信号作为角速度信号输出。

【技术特征摘要】
1.一种嵌套环式振动陀螺非线性效应抑制方法，其特征在于实施步骤包括：1)选择一组驱动电极(21)和一组检测电极(22)，所述驱动电极(21)布置于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构(1)孔洞中，所述检测电极(22)布置于嵌套环式振动陀螺中的嵌套环陀螺谐振结构(1)外侧，且所述驱动电极(21)和检测电极(22)均包含相隔90度夹角呈圆周分布的四个弧形电极；所述驱动电极(21)的四个弧形电极同时作为驱动轴施力电极、驱动轴敏感电极且构成形成两对差分电极，所述检测电极(22)的四个弧形电极同时作为检测轴施力电极和检测轴敏感电极且构成形成两对差分电极；2)在选择的驱动电极(21)上同时施加驱动交流信号和直流偏置电压用于驱动陀螺维持恒幅振动、施加第一频率的高频载波用于检测驱动方向的振动位移，在选择的检测电极(22)上同时施加第二频率的高频载波用于检测角速度引起的检测轴振动位移、施加反...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定邦，李青松，吴学忠，张勇猛，侯占强，周鑫，许一，高凯，路阔，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43