本發(fā)明屬于智能傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種陀螺儀自校準(zhǔn)和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置、方法。

背景技術(shù)：

陀螺儀是一種能夠測(cè)量載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。陀螺儀已有100多年的發(fā)展史，其發(fā)展過程大致可分為四個(gè)階段：第一個(gè)階段是滾珠軸承支承陀螺馬達(dá)和框架的陀螺；第二個(gè)階段是40年代末到50年代初發(fā)展起來的液浮和氣浮陀螺；第三個(gè)階段是60年代以后發(fā)展起來的干式動(dòng)力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺；目前陀螺的發(fā)展已進(jìn)入第四個(gè)階段，即靜電陀螺、激光陀螺(70年代)、光纖陀螺(80年代)和微陀螺儀(90年代)。研究人員從20世紀(jì)80年代起就開始開發(fā)硅微型機(jī)械陀螺儀，它的發(fā)展是伴隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，微機(jī)械加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是基于ic工藝的。

傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀由于體積大、成本高、不適合批量生產(chǎn)等因素制約了其在很多方面的應(yīng)用。mems陀螺儀具有光、機(jī)、電一體化、體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。微機(jī)械陀螺儀按振動(dòng)結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀和線振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀；按材料可以分為硅材料陀螺儀和非硅材料陀螺儀；按驅(qū)動(dòng)方式可以分為壓電式驅(qū)動(dòng)陀螺儀、靜電式驅(qū)動(dòng)陀螺儀和電磁式驅(qū)動(dòng)陀螺儀；按工作模式可以分為速率陀螺和速率積分陀螺；按檢測(cè)方式可以分為壓電性檢測(cè)陀螺儀、電容性檢測(cè)陀螺儀、光學(xué)檢測(cè)陀螺儀、壓阻型檢測(cè)陀螺儀和隧道效應(yīng)檢測(cè)陀螺儀；按加工方式分為體硅機(jī)械加工陀螺儀、表面微機(jī)械加工陀螺儀和liga技術(shù)陀螺儀。

傳統(tǒng)陀螺儀的標(biāo)定校準(zhǔn)需要高精度轉(zhuǎn)臺(tái)以及其他外部設(shè)備做支撐，操作相對(duì)復(fù)雜，成本較高；再者陀螺儀只在出廠時(shí)進(jìn)行一次出廠標(biāo)定校準(zhǔn)，但在運(yùn)行過程中環(huán)境因素、器件老化、溫度變化等都會(huì)引起陀螺儀系統(tǒng)參數(shù)的改變，從而影響陀螺儀的測(cè)量精度，很顯然傳統(tǒng)的標(biāo)定校準(zhǔn)不能消除這些因素對(duì)陀螺儀精度的影響；此外傳統(tǒng)質(zhì)量塊擺幅測(cè)量是利用電容檢測(cè)模塊輸出的電流信號(hào)中主瓣峰值的大小來測(cè)量質(zhì)量塊的擺幅，由于電流信號(hào)峰值的大小與跨阻放大器增益、電容、電阻、電壓擺幅以及頻率等電學(xué)參量有關(guān)，因此測(cè)量的擺幅并不精確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的主要目的在于提出一種陀螺儀自校準(zhǔn)裝置及方法、以及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置及方法，用于解決以上技術(shù)問題中的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出一種陀螺儀自校準(zhǔn)裝置，包括：

信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)包括：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)陀螺儀諧振運(yùn)動(dòng)；

電激勵(lì)信號(hào)，用于激勵(lì)陀螺儀中的質(zhì)量塊產(chǎn)生擺幅；

檢測(cè)及分析電路，用于檢測(cè)擺幅得到擺幅信號(hào)，將擺幅信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值；

其中，陀螺儀基于電激勵(lì)信號(hào)的角速度與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值之間存在的非線性關(guān)系，得到校準(zhǔn)的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述檢測(cè)及分析電路包括：

檢測(cè)電容，用于檢測(cè)擺幅得到擺幅信號(hào)，輸出與擺幅信號(hào)相關(guān)的電流信號(hào)；

跨阻放大器，用于將與擺幅信號(hào)相關(guān)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；

頻譜分析儀，用于分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述檢測(cè)電容為平板電容。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述陀螺儀為mems陀螺儀；該mems陀螺儀為mems梳齒狀陀螺儀。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述信號(hào)發(fā)生器包括乘法器、移相器和加法器，所述調(diào)制信號(hào)是由所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)經(jīng)由所述的乘法器、移相器和加法器整合得到。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明還提出一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置，采用上述的陀螺儀自校準(zhǔn)裝置，其中：

陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與所電壓信號(hào)中的邊頻帶比值存在非線性關(guān)系；

通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，得到包括不同角速度電激勵(lì)信號(hào)的多個(gè)調(diào)制信號(hào)、多個(gè)不同的擺幅信號(hào)及相對(duì)應(yīng)的多個(gè)不同的邊頻帶比值，推導(dǎo)得到擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系；

當(dāng)陀螺儀中的質(zhì)量塊在除電激勵(lì)信號(hào)外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時(shí)，根據(jù)此時(shí)分析得到的電壓信號(hào)中的邊頻帶比值、以及擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系，即可得到此時(shí)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系為：

其中，y為陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅，r為電壓信號(hào)中的邊頻帶比值。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出一種陀螺儀自校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制信號(hào)；陀螺儀在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測(cè)及分析電路檢測(cè)擺幅得到擺幅信號(hào)，將擺幅信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值；

步驟3、重復(fù)步驟1至步驟2，得到包含不同角速度電激勵(lì)信號(hào)的至少兩個(gè)調(diào)制信號(hào)及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個(gè)調(diào)制信號(hào)中電激勵(lì)信號(hào)的角速度及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值，得到電激勵(lì)信號(hào)的角速度與所述電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系；

陀螺儀基于電激勵(lì)信號(hào)的角速度與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值之間存在的非線性關(guān)系，得到校準(zhǔn)的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提出一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制信號(hào)；陀螺儀在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測(cè)及分析電路檢測(cè)擺幅并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，頻譜分析儀分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值；

步驟3、重復(fù)步驟1至步驟2，產(chǎn)生包括不同角速度電激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制信號(hào)、至少兩個(gè)不同的擺幅及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個(gè)不同的擺幅及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值，得到擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系；

當(dāng)陀螺儀中的質(zhì)量塊在除電激勵(lì)信號(hào)外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時(shí)，根據(jù)此時(shí)分析得到的電壓信號(hào)中的邊頻帶比值、以及步驟2-4中得到的擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系，即可得到此時(shí)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

本發(fā)明提出的陀螺儀自校準(zhǔn)及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置及方法，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明采用電激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，無需使用高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)，從而簡(jiǎn)化了陀螺儀在出廠時(shí)標(biāo)定的過程，降低了標(biāo)定校準(zhǔn)成本；

2、采用電激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行自校準(zhǔn)，因此校準(zhǔn)的實(shí)施只需要常用的信號(hào)發(fā)生器即可，在陀螺儀的使用過程中，用戶可實(shí)時(shí)進(jìn)行陀螺儀的自校準(zhǔn)，因此避免了陀螺儀在使用過程中，由于器件老化、環(huán)境溫度變化、系統(tǒng)噪聲等產(chǎn)生的器件參數(shù)變化，從而避免了陀螺儀精度的下降；

3、本發(fā)明采用平板電容檢測(cè)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅，且采用推導(dǎo)得到的電壓值的邊頻帶比值與擺幅的非線性關(guān)系，來測(cè)量陀螺儀在其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生的擺幅大小，因此能夠消除系統(tǒng)中運(yùn)算放大器、電容、電阻等對(duì)擺幅的影響，使得測(cè)量結(jié)果更加靈敏。

附圖說明

圖1是陀螺儀在采用高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)時(shí)的整體電路圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例提出的陀螺儀自校準(zhǔn)裝置的整體電路圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例提出的陀螺儀自校準(zhǔn)裝置中信號(hào)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有微機(jī)械陀螺儀精度較低、校準(zhǔn)需要高精度轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，操作復(fù)雜成本較高而且傳統(tǒng)擺幅測(cè)量技術(shù)容易受其他電學(xué)原件影響的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)提出了一種陀螺儀自校準(zhǔn)及質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置及方法，其中設(shè)計(jì)相應(yīng)的電信號(hào)作為系統(tǒng)輸入信號(hào)，分別在陀螺儀處于工作模態(tài)和校準(zhǔn)模態(tài)時(shí)給予不同的電信號(hào)，其中的電激勵(lì)信號(hào)的作用于陀螺儀得到的輸出與實(shí)際的高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)作用于陀螺儀得到的結(jié)果基本相同，即用電激勵(lì)信號(hào)就可以代替高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺儀的自校準(zhǔn)，及對(duì)陀螺儀質(zhì)量塊擺幅的測(cè)量。這樣陀螺儀的校準(zhǔn)工作就擺脫了高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了陀螺儀校準(zhǔn)過程和成本。

本發(fā)明公開了一種陀螺儀自校準(zhǔn)裝置，包括：

信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制信號(hào)包括：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)陀螺儀諧振運(yùn)動(dòng)；

電激勵(lì)信號(hào)，用于激勵(lì)陀螺儀中的質(zhì)量塊產(chǎn)生擺幅；

檢測(cè)及分析電路，用于檢測(cè)擺幅得到擺幅信號(hào)，將擺幅信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值；

其中，陀螺儀基于電激勵(lì)信號(hào)的角速度與所述電壓信號(hào)中的邊頻帶比值之間存在的非線性關(guān)系，得到校準(zhǔn)的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

在陀螺儀需要處于工作狀態(tài)時(shí)，只需通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)僅包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可進(jìn)行陀螺儀的正常工作。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述檢測(cè)及分析電路包括：

檢測(cè)電容，用于檢測(cè)擺幅得到擺幅信號(hào)，輸出與擺幅信號(hào)相關(guān)的電流信號(hào)；

跨阻放大器，用于將與擺幅信號(hào)相關(guān)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；

頻譜分析儀，用于分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述檢測(cè)電容為平板電容。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述陀螺儀為mems陀螺儀；該mems陀螺儀為mems梳齒狀陀螺儀。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述信號(hào)發(fā)生器包括乘法器、移相器和加法器，調(diào)制信號(hào)是由驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)經(jīng)由乘法器、移相器和加法器整合得到。

本發(fā)明還公開了一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置，該陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置與上述的陀螺儀自校準(zhǔn)裝置相同，其中：

陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與所電壓信號(hào)中的邊頻帶比值存在非線性關(guān)系；

通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，得到包括不同角速度電激勵(lì)信號(hào)的多個(gè)調(diào)制信號(hào)、多個(gè)不同的擺幅信號(hào)及相對(duì)應(yīng)的多個(gè)不同的邊頻帶比值，推導(dǎo)得到擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系；

當(dāng)陀螺儀處于工作狀態(tài)時(shí)，其中的質(zhì)量塊在除電激勵(lì)信號(hào)外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時(shí)，根據(jù)工作狀態(tài)下分析得到的電壓信號(hào)中的邊頻帶比值、以及上述推導(dǎo)得到的擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系，即可得到此時(shí)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系為：

其中，y為陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅，r為電壓信號(hào)中的邊頻帶比值。

本發(fā)明還公開了一種陀螺儀自校準(zhǔn)方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制信號(hào)；陀螺儀在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測(cè)及分析電路檢測(cè)擺幅得到擺幅信號(hào)，將擺幅信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值；

步驟3、重復(fù)步驟1至步驟2，得到包含不同角速度電激勵(lì)信號(hào)的至少兩個(gè)調(diào)制信號(hào)及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個(gè)調(diào)制信號(hào)中電激勵(lì)信號(hào)的角速度及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值，得到電激勵(lì)信號(hào)的角速度與所述電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系；

陀螺儀基于電激勵(lì)信號(hào)的角速度與所述電壓信號(hào)中的邊頻帶比值之間存在的非線性關(guān)系，得到校準(zhǔn)的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

本發(fā)明還公開了一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制信號(hào)；陀螺儀在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵(lì)信號(hào)的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測(cè)及分析電路檢測(cè)擺幅并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，頻譜分析儀分析得到電壓信號(hào)中的邊頻帶比值；

步驟3、重復(fù)步驟1至步驟2，產(chǎn)生包括不同角速度電激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制信號(hào)、至少兩個(gè)不同的擺幅及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個(gè)不同的擺幅及相對(duì)應(yīng)的至少兩個(gè)不同的邊頻帶比值，得到擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系；

當(dāng)陀螺儀中的質(zhì)量塊在除電激勵(lì)信號(hào)外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時(shí)，根據(jù)此時(shí)分析得到的電壓信號(hào)中的邊頻帶比值、以及步驟4中得到的擺幅與電壓信號(hào)中的邊頻帶比值的非線性關(guān)系，即可得到此時(shí)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提出一種陀螺儀中質(zhì)量塊擺幅的測(cè)量裝置，該裝置的電路包括：

mems梳齒狀振動(dòng)陀螺儀的輸入電信號(hào)，該輸入電信號(hào)包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)。本方案采用兩自由度的硅基微機(jī)械梳齒狀陀螺儀，在忽略結(jié)構(gòu)誤差、頻率失調(diào)、外部環(huán)境變化的前提下可以推導(dǎo)出適用于兩自由度陀螺儀的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，采用本實(shí)施例設(shè)計(jì)的電激勵(lì)信號(hào)作用于陀螺儀得到的擺幅與高精度轉(zhuǎn)臺(tái)作用于陀螺儀得到的擺幅相同，即用電激勵(lì)信號(hào)可以代替高精度轉(zhuǎn)臺(tái)用于陀螺儀標(biāo)定校準(zhǔn)。

平板電容檢測(cè)模塊：本實(shí)施例針對(duì)梳齒狀陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了平板電容檢測(cè)模塊，利用平行板電容的非線性來消除跨阻放大器、電阻以及增益對(duì)擺幅測(cè)量精度的影響。在平板電容輸出信號(hào)中有多重諧波，每一個(gè)諧波都包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息，理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)各個(gè)諧波之間的比值與質(zhì)量塊的擺幅直接相關(guān)，因此可以采用各個(gè)諧波之間的比值來測(cè)量擺幅。

信號(hào)處理電路主要包括跨阻放大器和頻譜分析儀?？缱璺糯笃鲗⑵桨咫娙輽z測(cè)模塊的輸出電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓，并進(jìn)行放大；頻譜分析儀主要是分析輸出電壓信號(hào)的頻譜特性并計(jì)算相鄰邊頻帶的比值。

通過調(diào)節(jié)輸入電信號(hào)中電激勵(lì)信號(hào)的角速度，可得到多個(gè)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值的組合，根據(jù)該多個(gè)組合即可推導(dǎo)得出陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值的函數(shù)關(guān)系。在陀螺儀在工作模態(tài)時(shí)，分析得到該工作模態(tài)下的邊頻帶比值，再根據(jù)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值的函數(shù)關(guān)系，即可推算出當(dāng)前工作模態(tài)下，陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅大小，完成陀螺儀中質(zhì)量塊擺幅的測(cè)量。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提出一種mems梳齒狀陀螺儀自校準(zhǔn)方法，該方法采用輸入電信號(hào)中的電激勵(lì)信號(hào)代替高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)，來對(duì)陀螺儀進(jìn)行自校準(zhǔn)，并采用邊頻帶比值的方法精確測(cè)量質(zhì)量快的擺幅。陀螺儀在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下處于驅(qū)動(dòng)模態(tài)，質(zhì)量塊在豎直方向上沒有擺幅，將陀螺儀放置在高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)陀螺儀的質(zhì)量塊由于受到科里奧利力的作用會(huì)在豎直方向上產(chǎn)生一個(gè)擺幅。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在沒有高精度轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)對(duì)陀螺儀施加合適的電激勵(lì)信號(hào)，也會(huì)使陀螺儀來豎直方向上產(chǎn)生一個(gè)基本相同擺幅，該偏移量與高精度轉(zhuǎn)臺(tái)下產(chǎn)生的偏移量僅相差一個(gè)與陀螺儀振動(dòng)模態(tài)相關(guān)的常數(shù)。因此可以采用電激勵(lì)信號(hào)對(duì)陀螺儀進(jìn)行自校準(zhǔn)，為了對(duì)陀螺儀的擺幅信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，本實(shí)施例采用平行板電容進(jìn)行測(cè)量，利用平行板電容的非線性消除跨阻放大器、電壓、電阻對(duì)擺幅測(cè)量的影響。平行板電容器的輸出信號(hào)先要經(jīng)過跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最后用頻譜分析儀測(cè)量邊頻帶之間的比值。通過不斷改變電激勵(lì)信號(hào)的角速度的大小，并記錄不同角速度下系統(tǒng)輸出的邊頻帶比值的大小，繪制出角速度與邊頻帶比值的關(guān)系曲線，根據(jù)此非線性關(guān)系，即可對(duì)陀螺儀測(cè)量得到的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行校準(zhǔn)。

為了說明本發(fā)明公開的陀螺儀自校準(zhǔn)及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置及方法，完成陀螺儀自校準(zhǔn)和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量的可行性，以下通過具體電路進(jìn)行說明。

1、采用高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)

如圖1所示，是mems陀螺儀在在采用高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)時(shí)的整體電路圖，該電路由信號(hào)發(fā)生器1、mems梳齒狀陀螺儀2、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)3、電容檢測(cè)模塊4、跨阻放大器5和頻譜分析儀6組成。信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生作用于mems梳齒狀陀螺儀2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使陀螺儀產(chǎn)生正弦諧振運(yùn)動(dòng)；高精度轉(zhuǎn)臺(tái)3產(chǎn)生一定旋轉(zhuǎn)角速度作用于mems梳齒狀陀螺儀2，電容檢測(cè)模塊4用于精確檢測(cè)陀螺儀中質(zhì)量塊在豎直方向上的擺幅，并輸出電流信號(hào)；跨阻放大器5用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，而頻譜分析儀6是用來分析電壓信號(hào)中相鄰邊頻帶之間的比值。在此狀態(tài)下，mems梳齒狀陀螺儀2處于高階諧振模態(tài)，其豎直方向上的動(dòng)力學(xué)方程為：

方程中y是陀螺儀中的質(zhì)量塊在豎直方向上的擺幅，w是正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，q是陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)，λ是與陀螺儀類型相關(guān)的常量，λ的關(guān)系式為λ＝2n/(n²+1)，n為陀螺儀包含的簡(jiǎn)并對(duì)的個(gè)數(shù)。ω為高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角速度，f是常量。解上述微分方程組得：

其中θ1表示采用高精度物理轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)時(shí)檢測(cè)到的擺幅信號(hào)的相移；a1是一個(gè)與旋轉(zhuǎn)角速度ω相關(guān)的量。

2、采用電激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行自校準(zhǔn)

如圖2所示，是mems陀螺儀采用電激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行自校準(zhǔn)時(shí)的整體電路圖，該電路包括：信號(hào)發(fā)生器7，mems梳齒狀陀螺儀2，平板電容8、跨阻放大器5以及頻譜分析儀6。

其中，信號(hào)發(fā)生器7的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，信號(hào)發(fā)生器7產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)為fsin(w+ω′)t，以此調(diào)制信號(hào)作為陀螺儀系統(tǒng)的輸入。如圖3所示，此調(diào)制信號(hào)由兩路信號(hào)經(jīng)加法器8整合得到，其中一路由經(jīng)由第一移相器9的驅(qū)動(dòng)信號(hào)fcos(wt)和電激勵(lì)信號(hào)cos(ω′t)經(jīng)第一乘法器10相乘得到；其中另一路由驅(qū)動(dòng)信號(hào)fcos(wt)和經(jīng)由第二移相器11的電激勵(lì)信號(hào)cos(ω′t)經(jīng)第二乘法器12相乘得到。在此狀態(tài)下，mems梳齒狀陀螺儀2的動(dòng)力學(xué)微分方程為：

其中，方程中y是陀螺儀中的質(zhì)量塊在豎直方向上的擺幅，w是正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，q是陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)，λ是與陀螺儀類型相關(guān)的常量，λ的關(guān)系式為λ＝2n/(n²+1)，n為陀螺儀包含的簡(jiǎn)并對(duì)的個(gè)數(shù)。ω′為電激勵(lì)信號(hào)的角速度，f是常量。解上述微分方程，得到如下表達(dá)式：

從上式可以看出，陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅大小與電激勵(lì)信號(hào)的角速度直接相關(guān)，其中，θ2表示采用電激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行自校準(zhǔn)時(shí)檢測(cè)到的擺幅信號(hào)的相移；a2是一個(gè)與電激勵(lì)信號(hào)的角速度ω′相關(guān)的量：

從上述分析可知，在電激勵(lì)信號(hào)作用下，陀螺儀中的質(zhì)量塊在豎直方向上也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)擺幅，通過對(duì)比陀螺儀在采用高精度轉(zhuǎn)臺(tái)和電激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)的擺幅公式，可以看出在高精度物理旋轉(zhuǎn)和電激勵(lì)信號(hào)作用下，陀螺儀中質(zhì)量塊產(chǎn)生的擺幅大小基本相同，唯一不同點(diǎn)是λ，該值是與陀螺儀的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的常數(shù)。因此在陀螺儀的標(biāo)定校準(zhǔn)過程中可以用電激勵(lì)信號(hào)代替高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。

以下對(duì)本發(fā)明一實(shí)施例提出的陀螺儀自校準(zhǔn)及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置及方法，進(jìn)行自校準(zhǔn)和擺幅測(cè)量的原理進(jìn)行說明。

本實(shí)施例提出一種陀螺儀自校準(zhǔn)及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置及方法，其中陀螺儀自校準(zhǔn)裝置和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置相同，陀螺儀自校準(zhǔn)方法和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量方法采用本實(shí)施例提出的裝置實(shí)施。

其中，如圖2所示，陀螺儀自校準(zhǔn)裝置和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測(cè)量裝置包括：信號(hào)發(fā)生器7，mems梳齒狀陀螺儀2，平板電容8、跨阻放大器5以及頻譜分析儀6。

在正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電激勵(lì)信號(hào)作用下質(zhì)量塊會(huì)在y軸方向上產(chǎn)生擺幅，擺幅大小如公式(2-2)所示。

由于質(zhì)量的擺幅運(yùn)動(dòng)會(huì)在平板電容8上產(chǎn)生感測(cè)電容cs，感測(cè)電容cs與擺幅y的關(guān)系可表示為

其中，ε是介電常數(shù)，a是平行板電容的面積，g為平行板電容的初始間距。從式(3-1)中可以看出，y(t)的相位在后續(xù)計(jì)算中沒有作用，因此不再考慮相位的影響。將感測(cè)電容轉(zhuǎn)換為傅里葉級(jí)數(shù)得到公式(3-2)，

其中函數(shù)pi(y)(即p2k(y)和p2k+1(y))為電容cs中與運(yùn)動(dòng)頻率相關(guān)的多個(gè)諧波的振幅，函數(shù)pi(y)的幾何級(jí)數(shù)可表示為：

其中，p0(y)為陀螺儀輸出電壓信號(hào)能量譜中主瓣的高度。

則平板電容在輸出端產(chǎn)生的電流i(t)為：

其中，is(t)為平板電容因?yàn)殚g距發(fā)生變化而引起的電流；vs為平板電容上的感應(yīng)電壓。輸出電流經(jīng)過跨阻放大器5，由于跨阻放大器的電阻為r，則跨阻放大器的輸出電壓為：

v＝-ri；(3-5)

推導(dǎo)得出輸出電壓中的多個(gè)邊頻帶的振幅由下式表示：

其中，w為電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)頻率也是陀螺儀的諧振頻率。ωc和ωd分別表示輸出電壓能量譜中主瓣對(duì)應(yīng)的頻率和第一旁瓣對(duì)應(yīng)的頻率。此時(shí)將邊頻帶的擺幅進(jìn)行歸一化處理，即將各個(gè)邊頻帶的擺幅與函數(shù)pi(y)相除得到相鄰邊頻帶比值r(y)，該相鄰邊頻帶的表達(dá)式如下所示：

則相鄰邊頻帶比值r(y)與陀螺儀質(zhì)量塊的振幅值還可以表示為：

由公式(3-7)和公式(3-8)可知，陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值直接相關(guān)。

結(jié)合公式(2-2)給出的電激勵(lì)信號(hào)的角速度與陀螺儀質(zhì)量塊擺幅的關(guān)系，可以得知電激勵(lì)信號(hào)的角速度與邊頻帶的比值直接相關(guān)，結(jié)合公式(2-3)，兩者關(guān)系可表示為：

綜合上述描述可知，本實(shí)施例的電激勵(lì)信號(hào)能使陀螺儀的質(zhì)量塊產(chǎn)生一個(gè)擺幅，而且該擺幅與高精度轉(zhuǎn)臺(tái)作用下得到的擺幅基本相同，僅相差一個(gè)常量。陀螺儀的質(zhì)量塊的擺幅與電激勵(lì)信號(hào)的角速度直接相關(guān)，而通過平板電容及頻譜分析儀得到的邊頻帶比值又與陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅大小成比例關(guān)系，因此可得出邊頻帶比值與電激勵(lì)信號(hào)的角速度也存在確定的非線性關(guān)系，如公式(3-9)所示，。

本實(shí)施例提出的陀螺儀自校準(zhǔn)裝置，通過不斷調(diào)整電激勵(lì)信號(hào)的頻率(角速度)，并記錄不同角速度下頻譜分析儀測(cè)得的邊頻帶比值，繪制陀螺儀系統(tǒng)輸入和輸出的關(guān)系曲線，即可實(shí)現(xiàn)陀螺儀的自校準(zhǔn)。在陀螺儀測(cè)量未知環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可以根據(jù)陀螺儀系統(tǒng)測(cè)得的邊頻帶比值，和繪制陀螺儀系統(tǒng)輸入和輸出的關(guān)系曲線，即可得到此時(shí)環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

本實(shí)施例針對(duì)mems陀螺儀精度不高，而且校準(zhǔn)需要高精度轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，操作復(fù)雜、成本高的問題，以mems梳齒狀陀螺儀為研究對(duì)象，提出了適用于mems陀螺儀的基于擺幅測(cè)量的自校準(zhǔn)方案。本發(fā)明采用輸入電信號(hào)代替高精度轉(zhuǎn)臺(tái)，簡(jiǎn)化了校準(zhǔn)流程，節(jié)省成本；針對(duì)電容檢測(cè)模塊本發(fā)明采用創(chuàng)新型的平行板電容檢測(cè)方式結(jié)合頻譜分析儀來測(cè)量擺幅，使測(cè)量的擺幅不受電學(xué)原件參數(shù)改變的影響，測(cè)量的結(jié)果更精確。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。