[发明专利]一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方法

摘要

本发明涉及硅微机械陀螺仪的动态标定技术，具体是一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方法。本发明解决了现有硅微机械陀螺仪动态标定方法标定结果不准确、标定过程费时费力、标定效率低下的问题。一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方法，该方法是采用如下步骤实现的：1)各个硅微机械陀螺仪均采用单独的驱动闭环回路；2)各个硅微机械陀螺仪共同配备一个外接信号源；各个硅微机械陀螺仪均配备单独的闭环式哥氏力等效信号发生装置；3)各个硅微机械陀螺仪均采用单独的检测闭环回路；4)各个硅微机械陀螺仪均配备单独的采集设备。本发明适用于硅微机械陀螺仪的动态标定。

主权项

一种面向闭环检测的微陀螺批量动态测试方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：1)各个硅微机械陀螺仪均采用单独的驱动闭环回路；驱动轴向结构产生驱动位移信号(XV)，并将驱动位移信号(XV)输出至驱动闭环回路；驱动闭环回路根据驱动位移信号(XV)产生驱动模态激励信号(XS)，并将驱动模态激励信号(XS)输出至驱动轴向结构，使得驱动位移信号(XV)的频率与驱动模态的谐振角频率相等，并使得驱动位移信号(XV)的幅值保持恒定；驱动模态激励信号(XS)的具体产生步骤如下：驱动前级放大接口对驱动位移信号(XV)进行提取和初步放大；驱动次级放大器对驱动前级放大接口的输出信号进行进一步放大；90°移相器对驱动次级放大器的输出信号进行转换；具体转换公式如下：XDEM＝V_dac sin(ω_dt)   (A4)；式(A4)中：XDEM为90°移相器的输出信号；V_dac为驱动次级放大器的输出信号；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；整流器对90°移相器的输出信号(XDEM)进行整流；驱动低通滤波器对整流器的输出信号的幅值信号进行提取；驱动比较器对驱动低通滤波器的输出信号和驱动位移工作点设置装置的输出信号进行比较；驱动位移控制器根据驱动比较器的输出信号产生控制信号；驱动调制器以90°移相器的输出信号为基准，对驱动位移控制器的输出信号进行调制；驱动直流信号叠加装置对驱动调制器的输出信号进行叠加；驱动直流信号叠加装置的输出信号作为驱动模态激励信号(XS)；2)各个硅微机械陀螺仪共同配备一个外接信号源；各个硅微机械陀螺仪均配备单独的闭环式哥氏力等效信号发生装置；所述闭环式哥氏力等效信号发生装置包括调制器、检测直流信号叠加装置、反相器、反相加法器；所述调制器包括AD633乘法器(N)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)；所述检测直流信号叠加装置包括第一电容(C1)、第五电阻(R5)；所述反相器包括第一运算放大器(T1)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)；所述反相加法器包括第二运算放大器(T2)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)；AD633乘法器(N)的1号引脚与90°移相器的输出端连接；AD633乘法器(N)的2号引脚接地；AD633乘法器(N)的3号引脚与负供电电压(‑VCC)连接；AD633乘法器(N)的4号引脚通过第一电阻(R1)接地；AD633乘法器(N)的5号引脚依次通过第二电阻(R2)、第一电阻(R1)接地；AD633乘法器(N)的5号引脚通过第一电容(C1)与检测力反馈结构的输入端连接；AD633乘法器(N)的5号引脚依次通过第一电容(C1)、第五电阻(R5)与直流电压基准(V_fDC)连接；AD633乘法器(N)的6号引脚与正供电电压(+VCC)连接；AD633乘法器(N)的7号引脚依次通过第十一电阻(R11)、第九电阻(R9)、第八电阻(R8)、第七电阻(R7)与外接信号源的输出端连接；AD633乘法器(N)的7号引脚依次通过第十一电阻(R11)、第九电阻(R9)、第八电阻(R8)与第一运算放大器(T1)的负输入端连接；AD633乘法器(N)的7号引脚依次通过第十一电阻(R11)、第九电阻(R9)与第一运算放大器(T1)的输出端连接；第一运算放大器(T1)的正输入端接地；AD633乘法器(N)的7号引脚依次通过第十一电阻(R11)、第十电阻(R10)与检测闭环控制器的输出端连接；AD633乘法器(N)的7号引脚通过第十一电阻(R11)与第二运算放大器(T2)的负输入端连接；AD633乘法器(N)的7号引脚与第二运算放大器(T2)的输出端连接；第二运算放大器(T2)的正输入端接地；AD633乘法器(N)的8号引脚接地；闭环式哥氏力等效信号发生装置根据90°移相器的输出信号(XDEM)、外接信号源的输出信号(V_ftest)、检测闭环控制器的输出信号(V_close)产生哥氏力等效信号(V_f)，并将哥氏力等效信号(V_f)输出至检测力反馈结构；哥氏力等效信号(V_f)的具体产生公式如下：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为哥氏力等效信号；V_fAC为调制器的输出信号；V_fDC为直流电压基准；XDEM为90°移相器的输出信号；V_fadd为反相加法器的输出信号；V_ftest为外接信号源的输出信号；V_close为检测闭环控制器的输出信号；检测力反馈结构根据哥氏力等效信号(V_f)产生检测模态反馈力(F_yf)，并将检测模态反馈力(F_yf)输出至哥氏质量；检测模态反馈力(F_yf)的具体产生公式如下：F_yf＝V_fDCV_fACK_FBy   (A8)；式(A8)中：F_yf为检测模态反馈力；V_fDC为直流电压基准；V_fAC为调制器的输出信号；K_FBy为检测力反馈结构的电压‑静电力转换系数；哥氏质量根据检测模态反馈力(F_yf)产生哥氏力等效合力(F_ceq)，并将哥氏力等效合力(F_ceq)输出至检测位移提取结构；哥氏力等效合力(F_ceq)的具体产生公式如下：F_ceq＝F_c+F_yf   (A9)；F_c＝2A_xm_yω_dΩ_z sin(ω_dt)   (A10)；式(A9)‑(A10)中：F_ceq为哥氏力等效合力；F_c为哥氏力；F_yf为检测模态反馈力；A_x为驱动轴向结构的运动幅度；m_y为检测轴向结构的等效质量；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；Ω_z为硅微机械陀螺仪的输入角速率；将式(A4)代入式(A6)，并结合式(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为哥氏力等效合力；A_x为驱动轴向结构的运动幅度；m_y为检测轴向结构的等效质量；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；Ω_z为硅微机械陀螺仪的输入角速率；V_fDC为直流电压基准；V_close为检测闭环控制器的输出信号；K_FBy为检测力反馈结构的电压‑静电力转换系数；V_dac为驱动次级放大器的输出信号；V_ftest为外接信号源的输出信号；根据式(A11)可知，硅微机械陀螺仪的输入角速率与外接信号源的输出信号之间的转换关系为：${\mathrm{\Ω}}_z=\frac{V_{fDC}{K}_{FBy}{V}_{dac}}{2A_x{m}_y{\mathrm{\ω}}_d}{V}_{ftest}---\left(A12\right);$式(A12)中：Ω_z为硅微机械陀螺仪的输入角速率；V_fDC为直流电压基准；K_FBy为检测力反馈结构的电压‑静电力转换系数；V_dac为驱动次级放大器的输出信号；V_ftest为外接信号源的输出信号；A_x为驱动轴向结构的运动幅度；m_y为检测轴向结构的等效质量；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；根据式(A12)可知，通过调整外接信号源的输出信号，可以等效地获得硅微机械陀螺仪的输入角速率；检测位移提取结构根据哥氏力等效合力(F_ceq)产生检测位移信号(YV)，并将检测位移信号(YV)输出至检测闭环回路；3)各个硅微机械陀螺仪均采用单独的检测闭环回路；检测闭环回路根据检测位移信号(YV)产生最终输出信号；最终输出信号的具体产生步骤如下：检测前级放大接口将检测位移信号(YV)转化为电压信号，并对电压信号进行初步放大；检测次级放大器对检测前级放大接口的输出信号进行进一步放大；解调器以90°移相器的输出信号为基准，将检测次级放大器的输出信号解调为二倍频信号和直流信号，并将二倍频信号和直流信号均输出至第一低通滤波器；第一低通滤波器将二倍频信号滤除，并将直流信号输出至检测闭环控制器；检测闭环控制器的输出信号(V_close)作为最终输出信号；4)各个硅微机械陀螺仪均配备单独的采集设备；采集设备采集最终输出信号，并将最终输出信号和外接信号源的输出信号进行对比，然后对对比结果进行分析，并根据分析结果进行标度因数的标定、带宽的标定、标度因数对称性的标定、标度因数非线性度的标定、标度因数重复性的标定。