[發(fā)明專利]一種面向閉環(huán)檢測的微陀螺批量動態(tài)測試方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510725131.0
• 申請日: 2015-10-29
• 公開（公告）號: CN105180969A
• 公開（公告）日: 2015-12-23
• 發(fā)明（設計）人: 劉俊;曹慧亮;石云波;申沖;唐軍;馬宗敏
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;王勇

1.一種面向閉環(huán)檢測的微陀螺批量動態(tài)測試方法，其特征在于：該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的：

1)各個硅微機械陀螺儀均采用單獨的驅動閉環(huán)回路；驅動軸向結構產(chǎn)生驅動位移信號(XV)，并將驅動位移信號(XV)輸出至驅動閉環(huán)回路；驅動閉環(huán)回路根據(jù)驅動位移信號(XV)產(chǎn)生驅動模態(tài)激勵信號(XS)，并將驅動模態(tài)激勵信號(XS)輸出至驅動軸向結構，使得驅動位移信號(XV)的頻率與驅動模態(tài)的諧振角頻率相等，并使得驅動位移信號(XV)的幅值保持恒定；驅動模態(tài)激勵信號(XS)的具體產(chǎn)生步驟如下：

驅動前級放大接口對驅動位移信號(XV)進行提取和初步放大；

驅動次級放大器對驅動前級放大接口的輸出信號進行進一步放大；

90°移相器對驅動次級放大器的輸出信號進行轉換；具體轉換公式如下：

XDEM＝V_dacsin(ω_dt)(A4)；

式(A4)中：XDEM為90°移相器的輸出信號；V_dac為驅動次級放大器的輸出信號；ω_d為驅動模態(tài)驅動力的角頻率；

整流器對90°移相器的輸出信號(XDEM)進行整流；

驅動低通濾波器對整流器的輸出信號的幅值信號進行提取；

驅動比較器對驅動低通濾波器的輸出信號和驅動位移工作點設置裝置的輸出信號進行比較；

驅動位移控制器根據(jù)驅動比較器的輸出信號產(chǎn)生控制信號；

驅動調制器以90°移相器的輸出信號為基準，對驅動位移控制器的輸出信號進行調制；

驅動直流信號疊加裝置對驅動調制器的輸出信號進行疊加；

驅動直流信號疊加裝置的輸出信號作為驅動模態(tài)激勵信號(XS)；

2)各個硅微機械陀螺儀共同配備一個外接信號源；各個硅微機械陀螺儀均配備單獨的閉環(huán)式哥氏力等效信號發(fā)生裝置；

所述閉環(huán)式哥氏力等效信號發(fā)生裝置包括調制器、檢測直流信號疊加裝置、反相器、反相加法器；

所述調制器包括AD633乘法器(N)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)；

所述檢測直流信號疊加裝置包括第一電容(C1)、第五電阻(R5)；

所述反相器包括第一運算放大器(T1)、第七電阻(R7)、第八電阻(R8)；

所述反相加法器包括第二運算放大器(T2)、第九電阻(R9)、第十電阻(R10)、第十一電阻(R11)；

AD633乘法器(N)的1號引腳與90°移相器的輸出端連接；AD633乘法器(N)的2號引腳接地；AD633乘法器(N)的3號引腳與負供電電壓(-VCC)連接；AD633乘法器(N)的4號引腳通過第一電阻(R1)接地；AD633乘法器(N)的5號引腳依次通過第二電阻(R2)、第一電阻(R1)接地；AD633乘法器(N)的5號引腳通過第一電容(C1)與檢測力反饋結構的輸入端連接；AD633乘法器(N)的5號引腳依次通過第一電容(C1)、第五電阻(R5)與直流電壓基準(V_fDC)連接；AD633乘法器(N)的6號引腳與正供電電壓(+VCC)連接；AD633乘法器(N)的7號引腳依次通過第十一電阻(R11)、第九電阻(R9)、第八電阻(R8)、第七電阻(R7)與外接信號源的輸出端連接；AD633乘法器(N)的7號引腳依次通過第十一電阻(R11)、第九電阻(R9)、第八電阻(R8)與第一運算放大器(T1)的負輸入端連接；AD633乘法器(N)的7號引腳依次通過第十一電阻(R11)、第九電阻(R9)與第一運算放大器(T1)的輸出端連接；第一運算放大器(T1)的正輸入端接地；AD633乘法器(N)的7號引腳依次通過第十一電阻(R11)、第十電阻(R10)與檢測閉環(huán)控制器的輸出端連接；AD633乘法器(N)的7號引腳通過第十一電阻(R11)與第二運算放大器(T2)的負輸入端連接；AD633乘法器(N)的7號引腳與第二運算放大器(T2)的輸出端連接；第二運算放大器(T2)的正輸入端接地；AD633乘法器(N)的8號引腳接地；

閉環(huán)式哥氏力等效信號發(fā)生裝置根據(jù)90°移相器的輸出信號(XDEM)、外接信號源的輸出信號(V_ftest)、檢測閉環(huán)控制器的輸出信號(V_close)產(chǎn)生哥氏力等效信號(V_f)，并將哥氏力等效信號(V_f)輸出至檢測力反饋結構；哥氏力等效信號(V_f)的具體產(chǎn)生公式如下：

V_f＝V_fAC+V_fDC(A5)；

V_fAC＝XDEM*V_fadd(A6)；

V_fadd＝V_ftest-V_close(A7)；

式(A5)-(A7)中：V_f為哥氏力等效信號；V_fAC為調制器的輸出信號；V_fDC為直流電壓基準；XDEM為90°移相器的輸出信號；V_fadd為反相加法器的輸出信號；V_ftest為外接信號源的輸出信號；V_close為檢測閉環(huán)控制器的輸出信號；

檢測力反饋結構根據(jù)哥氏力等效信號(V_f)產(chǎn)生檢測模態(tài)反饋力(F_yf)，并將檢測模態(tài)反饋力(F_yf)輸出至哥氏質量；檢測模態(tài)反饋力(F_yf)的具體產(chǎn)生公式如下：

F_yf＝V_fDCV_fACK_FBy(A8)；

式(A8)中：F_yf為檢測模態(tài)反饋力；V_fDC為直流電壓基準；V_fAC為調制器的輸出信號；K_FBy為檢測力反饋結構的電壓-靜電力轉換系數(shù)；

哥氏質量根據(jù)檢測模態(tài)反饋力(F_yf)產(chǎn)生哥氏力等效合力(F_ceq)，并將哥氏力等效合力(F_ceq)輸出至檢測位移提取結構；哥氏力等效合力(F_ceq)的具體產(chǎn)生公式如下：

F_ceq＝F_c+F_yf(A9)；

F_c＝2A_xm_yω_dΩ_zsin(ω_dt)(A10)；

式(A9)-(A10)中：F_ceq為哥氏力等效合力；F_c為哥氏力；F_yf為檢測模態(tài)反饋力；A_x為驅動軸向結構的運動幅度；m_y為檢測軸向結構的等效質量；ω_d為驅動模態(tài)驅動力的角頻率；Ω_z為硅微機械陀螺儀的輸入角速率；

將式(A4)代入式(A6)，并結合式(A5)-(A10)，可得：

F_ceq＝[2A_xm_yω_dΩ_z-V_fDCV_closeK_FByV_dac+V_fDCV_ftestK_FByV_dac]sin(ω_dt)(A11)；

式(A11)中：F_ceq為哥氏力等效合力；A_x為驅動軸向結構的運動幅度；m_y為檢測軸向結構的等效質量；ω_d為驅動模態(tài)驅動力的角頻率；Ω_z為硅微機械陀螺儀的輸入角速率；V_fDC為直流電壓基準；V_close為檢測閉環(huán)控制器的輸出信號；K_FBy為檢測力反饋結構的電壓-靜電力轉換系數(shù)；V_dac為驅動次級放大器的輸出信號；V_ftest為外接信號源的輸出信號；

根據(jù)式(A11)可知，硅微機械陀螺儀的輸入角速率與外接信號源的輸出信號之間的轉換關系為：

Ωz=VfDCKFByVdac2AxmyωdVftest---(A12);]]>

式(A12)中：Ω_z為硅微機械陀螺儀的輸入角速率；V_fDC為直流電壓基準；K_FBy為檢測力反饋結構的電壓-靜電力轉換系數(shù)；V_dac為驅動次級放大器的輸出信號；V_ftest為外接信號源的輸出信號；A_x為驅動軸向結構的運動幅度；m_y為檢測軸向結構的等效質量；ω_d為驅動模態(tài)驅動力的角頻率；

根據(jù)式(A12)可知，通過調整外接信號源的輸出信號，可以等效地獲得硅微機械陀螺儀的輸入角速率；

檢測位移提取結構根據(jù)哥氏力等效合力(F_ceq)產(chǎn)生檢測位移信號(YV)，并將檢測位移信號(YV)輸出至檢測閉環(huán)回路；

3)各個硅微機械陀螺儀均采用單獨的檢測閉環(huán)回路；檢測閉環(huán)回路根據(jù)檢測位移信號(YV)產(chǎn)生最終輸出信號；最終輸出信號的具體產(chǎn)生步驟如下：

檢測前級放大接口將檢測位移信號(YV)轉化為電壓信號，并對電壓信號進行初步放大；

檢測次級放大器對檢測前級放大接口的輸出信號進行進一步放大；

解調器以90°移相器的輸出信號為基準，將檢測次級放大器的輸出信號解調為二倍頻信號和直流信號，并將二倍頻信號和直流信號均輸出至第一低通濾波器；

第一低通濾波器將二倍頻信號濾除，并將直流信號輸出至檢測閉環(huán)控制器；

檢測閉環(huán)控制器的輸出信號(V_close)作為最終輸出信號；

4)各個硅微機械陀螺儀均配備單獨的采集設備；采集設備采集最終輸出信號，并將最終輸出信號和外接信號源的輸出信號進行對比，然后對對比結果進行分析，并根據(jù)分析結果進行標度因數(shù)的標定、帶寬的標定、標度因數(shù)對稱性的標定、標度因數(shù)非線性度的標定、標度因數(shù)重復性的標定。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種面向閉環(huán)檢測的微陀螺批量動態(tài)測試方法，其特征在于：所述調制器還包括第三運算放大器(T3)、第三電阻(R3)、第四電阻(R4)；所述檢測直流信號疊加裝置還包括第二電容(C2)、第六電阻(R6)；AD633乘法器(N)的5號引腳依次通過第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第二電容(C2)、第六電阻(R6)與直流電壓基準(V_fDC)連接；AD633乘法器(N)的5號引腳依次通過第三電阻(R3)、第四電阻(R4)、第二電容(C2)與檢測力反饋結構的輸入端連接；AD633乘法器(N)的5號引腳依次通過第三電阻(R3)、第四電阻(R4)與第三運算放大器(T3)的輸出端連接；AD633乘法器(N)的5號引腳通過第三電阻(R3)與第三運算放大器(T3)的負輸入端連接；第三運算放大器(T3)的正輸入端接地。