[發(fā)明專利]一種基于作差消除微機(jī)械陀螺同相誤差系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310071021.8
• 申請(qǐng)日: 2013-03-06
• 公開（公告）號(hào): CN103148847A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 莫冰;端志勤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 莫冰;端志勤
• 主分類號(hào): G01C19/5776
• 分類號(hào): G01C19/5776
• 代理公司: 廈門市新華專利商標(biāo)代理有限公司 35203
• 代理人: 李寧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于作差消除微機(jī)械陀螺同相誤差系統(tǒng)及方法，尤其是指一種基于作差消除電容式微機(jī)械陀螺同相誤差系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

陀螺是一種即使無外界參考信號(hào)也能探測(cè)出運(yùn)動(dòng)物體自身姿態(tài)和狀態(tài)變化的傳感器，其功能是敏感運(yùn)動(dòng)體的角速度。基于MEMS技術(shù)的第三代微機(jī)械陀螺儀，具有體積小、重量輕、帶寬大、功耗低及抗沖擊強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域。

現(xiàn)有技術(shù)中，電容式微機(jī)械陀螺儀的敏感結(jié)構(gòu)采用體硅或者表面硅工藝加工制作而成，由于尺寸極其微小，通常為微米量級(jí)，在現(xiàn)有的工藝條件下，很難控制加工精度。因此，敏感結(jié)構(gòu)在制造過程中存在著工藝誤差。該誤差直接影響硅微機(jī)械陀螺零點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性、標(biāo)度因子的非線性度及工作帶寬等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。同時(shí)，制約微機(jī)械陀螺在宇航、精確制導(dǎo)、精密儀器及深海探測(cè)等需要精確測(cè)量角速度信號(hào)領(lǐng)域的應(yīng)用。

敏感結(jié)構(gòu)的各種工藝誤差，會(huì)在微機(jī)械陀螺提取角速度信號(hào)的處理過程中轉(zhuǎn)變成正交誤差和同相誤差兩種誤差信號(hào)。正交誤差和同相誤差是角速度信號(hào)提取過程中的兩種主要干擾信號(hào)，是制約微機(jī)械陀螺整體性能的主要因素。

其中，同相誤差來源于微機(jī)械陀螺儀傳感器結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸與檢測(cè)軸的不完全垂直，加載驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)力在檢測(cè)方向存在著分力，這個(gè)力與要檢測(cè)的Coriolis力（科氏力）方向一致，相位也一致，導(dǎo)致在信號(hào)處理過程中很難區(qū)分角速度信號(hào)與此同相誤差信號(hào)。由于同相誤差與Coriolis加速度信號(hào)的頻率及相位都相同，對(duì)于該誤差信號(hào)的分離和抑制都比較困難，現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于抑制同相誤差的信號(hào)處理方案非常少，缺乏通用的，且能有效消除或抑制同相誤差的信號(hào)處理方案。

如圖1所示，傳統(tǒng)的微機(jī)械陀螺角速度信號(hào)提取信號(hào)處理電路系統(tǒng)。由微機(jī)械陀螺的工作原理可知，要得到輸入角速度信號(hào)的數(shù)值，必須測(cè)出敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)電容的變化量。然而，電容的變化量極其微弱，通常都淹沒在低頻的1/f噪聲里，為了抑制1/f噪聲，如圖1所示，角速度提取電路一般都采用高頻載波調(diào)制的方法，利用積分器構(gòu)成電荷放大器，將檢測(cè)電容的變化值轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過兩次相敏解調(diào)過程，第一次解調(diào)得到與檢測(cè)電容的變化量成正比的電壓信號(hào)；第二次解調(diào)得到與輸入角速度信號(hào)成正比的電壓信號(hào)。所述提取的最終輸出信號(hào)包括角速度信號(hào)、正交誤差信號(hào)及同相誤差信號(hào)。

以下分析不存在相位誤差時(shí)，考慮正交誤差及同相誤差時(shí)的輸出信號(hào)：

由圖1可知，第一次相敏解調(diào)后，得到的信號(hào)V_in(t)是與檢測(cè)電容的變化量成正比的電壓信號(hào)，存在正交誤差及同相誤差時(shí)，V_in(t)是角速度信號(hào)、正交誤差信號(hào)及同相誤差信號(hào)三者之和，可表示如下：

其中，V_cor表示Coriolis加速度信號(hào)的幅度；V_in-p表示同相誤差信號(hào)的幅度；V_quc表示正交誤差信號(hào)的幅度；W表示輸入的角速度信號(hào)；ω表示微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)信號(hào)的角頻率；Φ表示驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位。從式（1）中可以看出同相誤差信號(hào)與Coriolis加速度信號(hào)頻率及相位都相等，而正交誤差信號(hào)與Coriolis加速度信號(hào)頻率相等，相位相差90?。若不存在相位誤差信號(hào)，則第二次相敏解調(diào)的參考信號(hào)V_ref(t)就是驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它V_in(t)與進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算如下：

經(jīng)過低通濾波消除頻率為2ω的高頻項(xiàng)，則得到的輸出信號(hào)V_out1(t)為：

由此可見，第二次相敏解調(diào)的參考信號(hào)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)V_ref(t)=V_d?cos（ωt+Φ）時(shí)，最終輸出信號(hào)中包含角速度信號(hào)和同相誤差信號(hào)，正交誤差被完全消除。

若第二次相敏解調(diào)的參考信號(hào)V_ref(t)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)正交，也即其表達(dá)式為，將它V_in(t)與進(jìn)行乘法運(yùn)算，運(yùn)算如下：