[發明專利]一種基于多參數融合的微機電陀螺標度因數補償方法

有效

• 申請號: 201811617310.2
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN111380561B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 崔健;趙前程;閆桂珍
• 申請（專利權）人: 北京大學;北京微元時代科技有限公司
• 主分類號: G01C25/00
• 分類號: G01C25/00;G01C19/5776
• 代理公司: 暫無信息
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本發明的目的是提供一種用于微機電陀螺標度因數的溫度補償方法，該方法通過測量開環檢測模式下的影響微機電陀螺標度因數的主要參數，將其組成多元參數組，將各個參數進行函數加權對標度因數的全溫變化曲線進行多元函數擬合，從而實現對陀螺標度因數的精確補償。

技術領域

本發明涉及了一種用于微機電陀螺標度因數的補償方法，采用多參數融合補償方法，屬于微機電慣性傳感器技術領域。

背景技術

微機電陀螺是用微電子工藝加工的特征尺寸在微米量級的器件，用于測量載體的角速度，其體積小、成本低、適于批量加工及易與ASIC集成，有著廣泛的應用前景和迫切的市場需求，目前已成功應用于汽車、消費類電子等工業、民用領域以及制導武器等軍用領域。

微機電振動式陀螺基于科里奧利力原理工作，通常有兩個模態：驅動模態和檢測模態。正常工作時，陀螺在驅動軸向上作閉環恒幅振動，當沿陀螺的敏感軸有角速率輸入時，會在檢測模態方向上產生一個正比于外界角速率輸入的科里奧利力(簡稱科氏力)，陀螺振動質量塊在該科氏力作用下沿檢測軸向振動，其位移變化可以通過電容拾取結構變為電容變化，再通過微小電容讀出電路將電容變化量轉換為電壓變化量，最后通過同步解調以獲得角速率信息。

標度因數是指單位角速率輸入時所帶來的陀螺輸出，單位一般是mV/(°/s)或者LSB/(°/s)，其溫度穩定性是微機電陀螺的關鍵指標之一。為了獲得較好的標度因數溫度穩定性，要對陀螺的標度因數進行溫度補償，通常在全溫范圍內采集陀螺的標度因數以及對應的溫度值，再利用最小二乘法對溫度和標度因數進行擬合補償。該溫度補償技術的關鍵在于實時而精確地獲取陀螺敏感表頭的溫度信息，目前常用的方法是在陀螺表頭附近安裝溫度傳感器實時測量環境溫度信息。該方法的優點是簡單易行，其缺點是由于溫度梯度的存在，溫度傳感器所獲取的溫度并不能真實反映陀螺表頭的實際溫度值，這會導致補償效果變差。針對此問題文獻：陳懷，張嶸，周斌，陳志勇，.微機械陀螺儀溫度特性及補償算法研究[J].傳感器技術，2004，(10)；滿海鷗，肖定邦，吳學忠，陳志華，侯占強，.硅微陀螺模態頻率溫度特性的研究[J].傳感技術學報，2009，(8)；鳳瑞，裘安萍，施芹，蘇巖，.雙質量硅微機械陀螺固有頻率溫度特性研究[J].南京理工大學學報，2013，(1)等分析了陀螺的驅動軸相位、頻率與溫度的關系，指出驅動軸諧振頻率與溫度成近似線性關系，因此可利用頻率信息進行溫度補償，克服了外置溫度傳感器與陀螺表頭溫度不完全一致的缺點。由于陀螺的標度因數受兩模態頻差、解調相位誤差、電路增益誤差等影響，因此單一諧振頻率或者溫度傳感器輸出并不能完全反映陀螺標度因數變化的特性，因此補償效果有限。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于微機電陀螺標度因數的溫度補償方法，該方法通過測量開環檢測模式下的影響微機電陀螺標度因數的主要參數，將其組成多元參數組，將各個參數進行函數加權對標度因數的全溫變化曲線進行多元函數擬合，從而實現對陀螺標度因數的精確補償。

具體地，開環工作方式下的高真空封裝的微機電陀螺的標度因數可以表達為式(1)，

其中，δ為與結構和前置電路相關的常數，R為陀螺驅動閉環控制回路中自動增益控制器(AGC)的控制參考電壓，代表了驅動振動幅度，ω_nd為驅動頻率，ω_ns為檢測模態諧振頻率，Δω為兩模態諧振頻率的差值，θ為解調相位誤差，K_d為解調增益。將式(1)對溫度求導，同時考慮到兩模態的諧振頻率溫度變化有較好的一致性，可得到標度因數的溫度靈敏度如式(2)所示

式(2)說明影響陀螺標度因數的主要參數有驅動振動幅度R，模態頻差Δω，解調增益K_d以及解調相位誤差θ。通常電路解調增益K_d與溫度具有強相關性，而溫度可以用陀螺的驅動頻率進行表達，因此標度因數的預測模型可以寫為式(3)。