四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法技术

一种四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其步骤为：(1)将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头等效为7端器件：包括驱动1+、驱动1-、驱动2+、驱动2-、敏感+、敏感-、公共极；(2)设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；(3)所述驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流VDC2的值，使得通过公共极、高通滤波器0、敏感一次解调输出信号的耦合误差被消除。本发明专利技术具有原理简单、可操作性好、易推广使用等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到微惯性导航系统的设计领域，特指一种应用于四质量块硅微机械陀螺的耦合误差抑制方法。
技术介绍
硅微机械陀螺是构成微惯性导航系统中敏感角速度的核心传感器，具有体积小、 重量轻、成本低、易于批量生产等优点，在军、民用领域均有着广阔的应用前景。硅微机械陀螺依靠振动力学原理检测哥氏加速度来测量旋转角速度，属于速率型陀螺仪，其基本原理如图1所示图1是一个无耦合共用质量块的系统，其包括X方向弹簧101、Y方向弹簧104、质量102、X方向阻尼103、Y方向阻尼105，其中的自由度分别在X与Y方向。驱动端的运动在X方向，敏感端的运动在Y方向，驱动端的谐振频率实际系统约为5ΚΗζ)与敏感端的谐振频率《Qy不同。图1中，X方向运动基座106、Y方向运动基座108、X方向导轨滑块 107、Y方向导轨滑块109用于限定运动方向。(1)利用驱动电路使得硅微机械陀螺表头的驱动端(X方向弹簧101，质量102，X 方向阻尼103)处于谐振状态，即电路的工作频率等于硅微机械陀螺表头驱动端的谐振频率Qcix，这保证了硅微机械陀螺的灵敏度最大化。(2)当Z轴存在外界角速度Ω输入时，在哥氏效应作用下，在硅微机械陀螺表头敏感端(Y方向弹簧104，质量102，Y方向阻尼105)-Y轴产生哥氏加速度、=_2Ων，其大小正比于外界输入的角速度Ω与硅微机械陀螺表头驱动端的质量块的运动速度ν。此质量块在哥氏力Fg = Mag的作用下沿着硅微机械陀螺敏感端-Y轴产生与硅微机械陀螺表头驱动端同频率的振动，其振动位移幅值大小与哥氏力大小成正比。(3)利用转台标定的方法可以确定出同步解调结果与角速度的线性关系即零次项系数与一次项系数，然后根据标定的线性关系可以随时从同步解调结果确定出外界角速度输入值，最终完成了角速度检测。理想情况下应该是当外界角速度为零时哥氏力必然为零，因为哥氏力与外界角速度在理论上是严格的正比关系。当硅微机械陀螺表头的驱动端处于(或近似处于)机械谐振状态，驱动端质量块的振动位移被施加了恒幅控制时(此状态定义为驱动电路正常工作)，如果外界的角速度输入为零，由于不存在哥氏力，在陀螺表头的敏感端——Y轴也不应该存在机械位移。现在普遍存在的问题是当硅微机械陀螺表头与配套的驱动电路正常工作时，在静止情况下只有地球自转角速度的分量，因此可以近似认为外界角速度输入为零，然而通过示波器或者频谱分析仪明显地观察到表头敏感端一Y轴输出的信号通过一次解调后的强度非常大，并非为零且幅值远远大于零，同时经过敏感二次解调后表现为零偏非常大。零偏指按照前述方法将同步解调结果按照事先标定的线性关系反解出外界输入的角速度，即外界角速度输入为零(或者近似为零)时陀螺的角速度测量输出。这种静止情况下的零偏非常大意味着并非由于地球自转引起的角速度检测输出，而是别的原因造成的。这一现象在惯性
被称之为硅微机械陀螺的耦合误差，即不是通过哥氏力效应途径耦合到敏感端，而是通过了其它途径——非哥氏力耦合途径。有文章研究结果表明非哥氏力耦合途径将硅微机械陀螺表头驱动端质量块的机械位移耦合到敏感端，其等效的外界角速度在几百度/每秒以上甚至更大，远远超过了硅微机械陀螺在一般情况下200 度/每秒的检测范围。如此大的耦合误差带来的直接结果是大幅度增加了微小角速度输入信号的检测难度。由外界角速度输入引起的哥氏力效应产生的有用信号相对于耦合误差来说是一个小量。举例，如果期望的角速度检测分辨率需要达到0. 001度/每秒，角速度测量范围为200 度/每秒，则检测的动态范围为(200° /s)/(0. 001° /s) =2X IO5;如果耦合误差假设为 1000度/每秒，则检测的动态范围为(1000° /s)/(0. 001° /s) = 1X106，则大大增加了检测的动态范围，因此增加了检测难度。从另外一方面来说，一个系统的检测动态范围是恒定的，当测量范围按照上述增加到5倍时，其检测分辨率将下降5倍，即只能够达到0. 005 度/每秒，因此降低了检测精度。为此，现在针对如何减小耦合误差开展了广泛的研亢，其主要目的是提高信号的信噪比。另外耦合误差抑制后有利于采用全数字化检测方法，使得信号处理电路中的部分模拟电路可以省掉，易于小型化集成。目前公开的文献中，研究减小耦合误差的方法主要有以下几个方面的思路(1)改进陀螺材料的物理特性、优化硅微机械陀螺表头的结构设计或者提高工艺加工精度，从源头上降低耦合误差。(2)在控制方法不改变的情况下，在信号处理电路中引入与耦合误差同频反向的信号进行抵消，比如通过模拟方式的减法电路，然后将不含有耦合误差的模拟信号进行放大，后续解调处理方法不变。(3)改变控制方法，将一与耦合误差同频反向的信号施加到硅微机械陀螺表头的敏感端，然后抑制在敏感端的耦合误差，使得从敏感端输出的信号不含耦合误差。上述三种方法各有优劣，第一种方法试图通过制造技术从根本上消除耦合误差的产生，但是存在非常大的难度。第二种方法由于没有改变控制方式，硅微机械陀螺表头的敏感端依然存在较大的机械耦合运动，远远偏离了检测的线性范围，会引入较大的非线性误差。第三种方法借助了力反馈的思想，一般情况下能有效的抑制耦合误差的产生，其结果是不仅增加了检测的范围，而且线性度很好。硅微机械陀螺表头敏感端的结构能够施加力反馈是此方法应用的前提。在硅微机械陀螺中，考虑X轴与Y轴存在位移耦合的情况，如图2所示。假定驱动端的运动在X方向，敏感端的运动在Y方向，驱动端的谐振频率与敏感端的谐振频率不同。 对于每一个质量块201在驱动力的作用下首先沿着X方向运动，由于存在位移耦合虚拟导轨202作用，同时也会在Y方向按照一定的比例关系产生附加的运动。其中，“虚拟导轨” 意思是并不存在真实的导轨，只是对动力学问题的抽象。举例说明，如果此位移耦合关系为 1 1，即当质量块201在X轴正方向运动AL距离时，此质量块201同时也会在Y轴正方向运动AL的距离。当质量块201在X方向存在运动速度时，同时外界存在Z轴方向的角速度Ω输入，则质量块201将产生Y轴方向的哥氏力，进而产生Y轴方向的运动。因此，质量块201在Y轴方向的运动主要包括了两部分来自X轴运动的耦合以及哥氏力。对于存在位移耦合的四质量块的硅微机械陀螺而言，在这种结构中一共包括四个质量块，这四个质量块同时既是驱动端的质量块，也是敏感端的质量块。如图3所示，在传统结构中，四个质量块分别为“质量块Ml” 301、“质量块M2” 302、“质量块M3” 303、“质量块M4”304。每一个质量块在X方向到Y方向的位移耦合虚拟导轨分别为第一位移耦合虚拟导轨305、第二位移耦合虚拟导轨306、第三位移耦合虚拟导轨307、第四位移耦合虚拟导轨308。每一个质量块都存在独立的驱动电容电极。“质量块Ml”301的驱动电容为Cld，其驱动电极分别为第一驱动电极309、第二驱动电极310。其中第二驱动电极310分布在“质量块Ml ”301上，而第一驱动电极309分布在静基座上。“质量块Ml”301的敏感电容为Cls， 其电极分别为第一敏感电极311、第二敏感电极312，其中第二敏感电极312分布在“质量块 Ml301上，而第一敏感电极311分布在静基座上。同样，其它的3个本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其特征在于步骤为：（１）将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头（５２８）等效为７端器件：包括驱动１＋（５２１）、驱动１－（５２２）、驱动２＋（５２３）、驱动２－（５２４）、敏感＋（５２５）、敏感－（５２６）、公共极（５２７）；（２）设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；（３）驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流ＶＤＣ２（５４４）的值，使得通过公共极（５２７）、驱动主控制回路中的高通滤波器０（５３０）和敏感一次解调（５４７）输出信号的耦合误差被消除。

【技术特征摘要】
1.一种四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其特征在于步骤为(1)将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头(528)等效为 7端器件包括驱动1+(521)、驱动1-(522)、驱动2+(523)、驱动2-(524)、敏感+(525)、敏感-(5 )、公共极(527)；(2)设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；(3)驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流Vdc2(544)的值，使得通过公共极 (527)、驱动主控制回路中的高通滤波器0(530)和敏感一次解调647)输出信号的耦合误差被消除。2.根据权利要求1所述的四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其特征在于所述驱动主控制回路采用闭环控制策略，包括电荷放大器(5 )、高通滤波器0(530)、 驱动一次解调单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗兵，胡小平，江明明，吴美平，王旭，王安成，庹洲慧，范永振，刘伟，吴学忠，肖定邦，陈志华，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43