一種面向開環(huán)檢測的微陀螺批量動態(tài)測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及硅微機械陀螺儀的動態(tài)標定技術(shù)，具體是一種面向開環(huán)檢測的微陀螺 批量動態(tài)測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微機械陀螺儀是一種采用哥氏效應(yīng)原理敏感載體輸入角速率信息的傳感器，其 具有體積小、功耗低、重量輕、成本低、抗過載特性強、易于集成化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點，并廣 泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域（比如慣性導(dǎo)航、汽車安全、工業(yè)控制、消費電子等）。如圖1-圖3所示， 工作在開環(huán)檢測狀態(tài)下的硅微機械陀螺儀包括陀螺結(jié)構(gòu)、陀螺測控電路。所述陀螺結(jié)構(gòu)包 括驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)、檢測軸向結(jié)構(gòu)。所述檢測軸向結(jié)構(gòu)包括檢測力反饋結(jié)構(gòu)、哥氏質(zhì)量、檢測 位移提取結(jié)構(gòu)。所述陀螺測控電路包括驅(qū)動閉環(huán)回路、檢測開環(huán)回路。所述驅(qū)動閉環(huán)回路 包括驅(qū)動前級放大接口、驅(qū)動次級放大器、90°移相器、整流器、驅(qū)動低通濾波器、驅(qū)動位移 工作點設(shè)置裝置、驅(qū)動比較器、驅(qū)動位移控制器、驅(qū)動調(diào)制器、驅(qū)動直流信號疊加裝置。所述 檢測開環(huán)回路包括檢測前級放大接口、檢測次級放大器、解調(diào)器、第一低通濾波器。硅微機 械陀螺儀的工作模態(tài)包含驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)。工作時，向娃微機械陀螺儀的哥氏質(zhì)量施 加輸入角速率信號，則硅微機械陀螺儀的檢測開環(huán)回路產(chǎn)生輸出信號。
[0003] 工作在開環(huán)檢測狀態(tài)下的硅微機械陀螺儀的動力方程為：
[0012] 式（Al)中：x為驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的位移；ωχ為硅微機械陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的諧振角頻 率；QX為硅微機械陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)；Fdx為驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)所受的驅(qū)動力；mx為驅(qū) 動軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；kx為驅(qū)動模態(tài)等效剛度；cx為驅(qū)動模態(tài)等效阻尼；Fd為驅(qū)動模態(tài)驅(qū) 動力幅度；為驅(qū)動模態(tài)驅(qū)動力的角頻率（通常有ω d= ω x) ;y為檢測軸向結(jié)構(gòu)的位移； ?y為硅微機械陀螺儀檢測模態(tài)的諧振角頻率；Qy為硅微機械陀螺儀檢測模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)； Ω z為硅微機械陀螺儀的輸入角速率；k y為檢測模態(tài)等效剛度；my為檢測軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì) 量；檢測模態(tài)等效阻尼；F。為哥氏力。
[0013] 由于硅微機械陀螺儀通常采用真空封裝，致使硅微機械陀螺儀檢測模態(tài)的品質(zhì)因 數(shù)很大（在2000以上），因此對式（Al)進一步求解可得：
[0017] 式（A2)-(A3)中：x為驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的位移；AX為驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的運動幅度；ω d為 驅(qū)動模態(tài)驅(qū)動力的角頻率；FdS驅(qū)動模態(tài)驅(qū)動力幅度；mx為驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；ω x 為硅微機械陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的諧振角頻率；QX為硅微機械陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)；y 為檢測軸向結(jié)構(gòu)的位移；Ω z為硅微機械陀螺儀的輸入角速率；ω ￥為硅微機械陀螺儀檢測 模態(tài)的諧振角頻率；Qy為硅微機械陀螺儀檢測模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)式（Α1)_(Α3)可知， 哥氏力的相位取決于驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的位移的導(dǎo)數(shù)，即哥氏力的相位與驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的位移 的相位相差90°，且驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)所受的驅(qū)動力的相位與驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的位移的相位相差 90。。
[0018] 由于硅微機械陀螺儀具有批量化生產(chǎn)的特點，其動態(tài)標定成為其應(yīng)用過程中的重 要環(huán)節(jié)。所述動態(tài)標定主要包括：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(fù)性的標定。目前，硅微機械陀螺儀的動態(tài)標定通常 采用轉(zhuǎn)臺或角振動臺進行。實踐表明，此種標定方法存在如下問題：其一，轉(zhuǎn)臺或角振動臺 在運行中產(chǎn)生的誤差和干擾會對標定結(jié)果造成直接和間接的影響，由此導(dǎo)致標定結(jié)果不準 確。其二，在標定過程中，需要反復(fù)進行硅微機械陀螺儀與臺面之間的安裝和拆卸，由此導(dǎo) 致標定過程費時費力。其三，此種標定方法無法同時對多個硅微機械陀螺儀進行批量化動 態(tài)標定，由此導(dǎo)致標定效率低下。
[0019] 基于此，有必要針對工作在開環(huán)檢測狀態(tài)下的硅微機械陀螺儀發(fā)明一種全新的硅 微機械陀螺儀動態(tài)標定方法，以解決現(xiàn)有硅微機械陀螺儀動態(tài)標定方法存在的上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有硅微機械陀螺儀動態(tài)標定方法標定結(jié)果不準確、標定過程費 時費力、標定效率低下的問題，提供了一種面向開環(huán)檢測的微陀螺批量動態(tài)測試方法。
[0021] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種面向開環(huán)檢測的微陀螺批量動態(tài)測試方 法，該方法是采用如下步驟實現(xiàn)的：
[0022] 1)各個硅微機械陀螺儀均采用單獨的驅(qū)動閉環(huán)回路；驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動位 移信號，并將驅(qū)動位移信號輸出至驅(qū)動閉環(huán)回路；驅(qū)動閉環(huán)回路根據(jù)驅(qū)動位移信號產(chǎn)生驅(qū) 動模態(tài)激勵信號，并將驅(qū)動模態(tài)激勵信號輸出至驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)，使得驅(qū)動位移信號的頻率 與驅(qū)動模態(tài)的諧振角頻率相等，并使得驅(qū)動位移信號的幅值保持恒定；驅(qū)動模態(tài)激勵信號 的具體產(chǎn)生步驟如下：
[0023] 驅(qū)動前級放大接口對驅(qū)動位移信號進行提取和初步放大；
[0024] 驅(qū)動次級放大器對驅(qū)動前級放大接口的輸出信號進行進一步放大；
[0025] 90°移相器對驅(qū)動次級放大器的輸出信號進行轉(zhuǎn)換；具體轉(zhuǎn)換公式如下：
[0026] XDEM = Vdac sin (codt) (A4)；
[0027] 式（A4)中：XDEM為90°移相器的輸出信號；Vda。為驅(qū)動次級放大器的輸出信號； ?,為驅(qū)動模態(tài)驅(qū)動力的角頻率；
[0028] 整流器對90°移相器的輸出信號進行整流；
[0029] 驅(qū)動低通濾波器對整流器的輸出信號的幅值信號進行提??；
[0030] 驅(qū)動比較器對驅(qū)動低通濾波器的輸出信號和驅(qū)動位移工作點設(shè)置裝置的輸出信 號進行比較；
[0031] 驅(qū)動位移控制器根據(jù)驅(qū)動比較器的輸出信號產(chǎn)生控制信號；
[0032] 驅(qū)動調(diào)制器以90°移相器的輸出信號為基準，對驅(qū)動位移控制器的輸出信號進行 調(diào)制；
[0033] 驅(qū)動直流信號疊加裝置對驅(qū)動調(diào)制器的輸出信號進行疊加；
[0034] 驅(qū)動直流信號疊加裝置的輸出信號作為驅(qū)動模態(tài)激勵信號；
[0035] 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 單獨的開環(huán)式哥氏力等效信號發(fā)生裝置；
[0036] 所述開環(huán)式哥氏力等效信號發(fā)生裝置包括調(diào)制器、檢測直流信號疊加裝置；
[0037] 所述調(diào)制器包括AD633乘法器、第一電阻、第二電阻；
[0038] 所述檢測直流信號疊加裝置包括第一電容、第五電阻；
[0039] AD633乘法器的1號引腳與90°移相器的輸出端連接；AD633乘法器的2號引腳接 地；AD633乘法器的3號引腳與負供電電壓連接；AD633乘法器的4號引腳通過第一電阻接 地；AD633乘法器的5號引腳依次通過第二電阻、第一電阻接地；AD633乘法器的5號引腳通 過第一電容與檢測力反饋結(jié)構(gòu)的輸入端連接;AD633乘法器的5號引腳依次通過第一電容、 第五電阻與直流電壓基準連接；AD633乘法器的6號引腳與正供電電壓連接；AD633乘法器 的7號引腳與外接信號源的輸出端連接;AD633乘法器的8號引腳接地；
[0040] 開環(huán)式哥氏力等效信號發(fā)生裝置根據(jù)90°移相器的輸出信號和外接信號源的輸 出信號產(chǎn)生哥氏力等效信號，并將哥氏力等效信號輸出至檢測力反饋結(jié)構(gòu)；哥氏力等效信 號的具體產(chǎn)生公式如下：
[0041] Vf= VfAC+VfDC (A5);
[0042] VfAC=XDEM*Vftest (A6);