[发明专利]微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及微机械惯性传感器技术领域，尤其涉及一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法及系统。

背景技术

微机械陀螺是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的器件，用于测量载体的角速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，属于惯性传感器。有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用领域以及惯性制导和战术导弹等军用领域。

微机械振动式陀螺一般有两个轴向：驱动轴向和检测轴向。正常工作时，须保证陀螺在驱动轴向上作恒幅振动，当沿陀螺的敏感轴有角速率输入时，就会在检测轴向产生一个正比于外界角速率输入的科里奥利力(简称科氏力或哥氏力)，陀螺振动质量块在该科氏力作用下沿检测轴向振动，其位移变化可以通过电容拾取结构变为电容变化，再通过微小电容读出电路将电容变化量转换为电压变化量，最后通过同步解调以获得角速率信息。

标度因子和带宽是微机械陀螺性能指标中比较关键的两个指标。标度因子是指单位角速率输入时所带来的电压输出，单位一般是mV/(°/s)。带宽是指在测量的针对外界动态角速率的幅频响应中幅值下降3dB所对应的频率范围。现有的测量标度因子和带宽的方法是利用转台产生一系列角速率，然后测量陀螺的输出电压，再进行标定，如文献Y.Hong，S.Kim，and J.H.Lee，″Modeling ofangular-rate bandwidth for a vibrating microgyroscope，″MicrosystemTechnologies，vol.9，pp.441-448，Sep 2003.该方法适合最终的整机标定。但在调试过程中，为了获得要求的标度因子和带宽，需要频繁上下转台，使得调试过程繁琐，效率低下。

此外为了延展陀螺的测量带宽，提高量程和线性度等，需要对陀螺的检测模态进行闭环控制，其中最关键的是能够得到陀螺对外界角速率的响应，这个响应相当于控制对象。在实际系统调试时，控制对象的获得是有难度的，主要是因为转台的限制，角振动频率达到kHz量级比较困难。即使可以通过转台扫频得到控制对象频响，在系统调试时也需要频繁上下转台操作，使设计过程变得繁琐而低效。现有方法如文献：董煜茜，高钟毓，张嵘，″微机械角速率传感器的性能分析，″传感技术学报，pp.28-36，1998；王巍，王岩，″振动轮式硅微陀螺仪检测轴的闭环特性，″中国惯性技术学报，pp.738-742，2007.都是假设陀螺工作在模态匹配模式下，然后通过近似成一阶惯性环节来描述控制对象。这种方法适用于模态匹配模式下的陀螺，不适用于模态分离模式下的陀螺，此外对于控制对象的辨识精度不够。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法，以在不使用转台的情况下获得陀螺检测模态的频响特性，为工作在开环和闭环检测条件下微机械陀螺标度因子和带宽的测量提供简便途径，提高测试效率。

一方面，本发明公开了一种微机械陀螺带宽与标度因子的测量方法，所述微机械陀螺包括检测轴向结构，其中，该检测轴向结构包括加力结构、振动质量块和振动拾取结构；所述方法包括如下步骤：

步骤1，通过所述加力结构将虚拟科里奥利力施加在所述振动质量块上，获取位移变化量；所述虚拟科里奥利力为电压信号与转化系数的乘积；所述电压信号为作为虚拟角速率与虚拟驱动模态振动速度信号的乘积，所述转换系数为该电压信号施加至所述加力结构时，将电压转换为力所对应的比例系数。

步骤2，将所述位移变化量通过所述振动拾取结构转变为电容变化量；然后，由前置读出电路将该电容变化量转换为电压变化量，所述电压变化量表征所述振动质量块的振动信息。

步骤3，用解调参考信号对所述电压变化量进行解调，并将解调后的电压变化量进行低通滤波，获得陀螺对该虚拟角速率的频率响应。

步骤4，改变虚拟角速率的频率，对陀螺进行扫频操作，得到陀螺对一系列不同频率虚拟角速率的频率响应。

步骤5，对所述虚拟角速率的频率响应进行增益调节，获取陀螺对真实角速率的响应，从而测量出陀螺的标度因子和带宽。

上述测量方法中，所述虚拟角速率由网络分析仪产生，幅值恒定。

上述测量方法中，虚拟驱动模态振动速度由信号发生器产生，其频率与微机械陀螺驱动模态的固有谐振频率相等。

上述测量方法中，所述步骤3中的解调参考信号由虚拟驱动模态振动速度信号通过移相得到。