[發(fā)明專利]一種正交偏置自消除的微機械陀螺儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611202728.8
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN106595714B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設計）人: 吳煥銘;楊海鋼;尹韜
• 申請（專利權）人: 寧波大學;中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理有限公司 33226
• 代理人: 程曉明

本發(fā)明公開了一種正交偏置自消除的微機械陀螺儀，由陀螺儀傳感器件，閉環(huán)驅動電路，開環(huán)讀出電路和正交偏置自消除閉環(huán)組成。其中，閉環(huán)驅動電路驅動傳感器件沿驅動軸振動，開環(huán)讀出電路將包含角速度的信號轉變成電壓信號，并通過解調、濾波、模數(shù)轉換輸出。正交偏置自消除閉環(huán)由可調相位解調信號產生電路、解調器、低通濾波器、數(shù)模轉換器和比較判決電路組成。該閉環(huán)由比較判決電路尋找正交偏置輸出的極值反饋調節(jié)解調信號相位，完成角速度輸出信號中正交偏置分量的自動消除。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于在不增加陀螺儀傳感器件機械設計復雜度的條件下，僅增加少量電路，實現(xiàn)正交偏置自動消除，有利于節(jié)省陀螺儀出廠校準的時間和人力成本。

技術領域

本發(fā)明涉及一種微機械陀螺儀，尤其是一種正交偏置自動消除的微機械陀螺儀。

背景技術

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical?System，MEMS)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。微機械陀螺儀是一種重要的慣性MEMS器件。典型的微機械陀螺儀由傳感器件和接口電路兩部分構成，其工作原理是基于哥氏力(Coriolis?Force)效應。以諧振式電容型微機械陀螺儀為例，如圖1所示，閉環(huán)驅動電路先將傳感器件的驅動模態(tài)(X方向)驅動至諧振狀態(tài)，當有外界角速度Ω_z輸入時，在檢測模態(tài)(Y方向)將會產生大小為2MΩv的哥氏力F_c，此哥氏力會造成Y方向產生頻率與X方向相同的調幅位移信號y(t)，從而引起檢測極板等效電容C(t)變化，通過檢測電路讀出C(t)并解調濾波，即可得到反映輸入角速度信號Ω_z的輸出電壓信號V_out。當存在解調相位誤差時，等效機械正交誤差Ω_q會泄露到輸出端。

根據(jù)MEMS陀螺儀的工作原理，其動力學方程可表示為

其中，m為陀螺儀質量塊，x、y分別是X軸和Y軸的位移，x'、y'，x″、y″分別為x、y的一階和二階導數(shù)，D_x、D_y分別為X軸和Y軸阻尼系數(shù)，k_x、k_y分別為X軸和Y軸彈性系數(shù)，F(xiàn)_x為X軸驅動力，F(xiàn)_c為哥氏力，其表達式為

其中，Ω_z為Z軸方向的輸入角速度，m為陀螺儀質量塊質量。機械正交誤差由X軸耦合至Y軸的彈性系數(shù)k_yx引起，相應的作用力F_q可表示為

F_q＝-k_yxx??(3)。

根據(jù)式(2)和(3)，機械正交誤差等效的輸入角速度Ω_q可表示為

其中，ω_d為驅動軸諧振角頻率。

由于機械正交誤差與角速度輸入信號相位是正交的，因此可以通過同步解調有效消除機械正交誤差。但是，由于傳感器與接口電路均會因為非理性效應引入相移，不可避免的存在解調相位誤差。

當存在解調相位誤差Δθ時，陀螺儀檢測端輸出可表示為

S＝G_V/Ω·cosΔθ·Ω_z+B_q??(5)，

其中G_V/Ω為陀螺儀標度因子，B_q為正交偏置，可表示為

B_q＝G_V/Ω·Ω_q·sinΔθ??(6)，