[发明专利]四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到微惯性导航系统的设计领域，特指一种应用于四质量块硅微机械陀螺的耦合误差抑制方法。

背景技术

硅微机械陀螺是构成微惯性导航系统中敏感角速度的核心传感器，具有体积小、重量轻、成本低、易于批量生产等优点，在军、民用领域均有着广阔的应用前景。

硅微机械陀螺依靠振动力学原理检测哥氏加速度来测量旋转角速度，属于速率型陀螺仪，其基本原理如图1所示：

图1是一个无耦合共用质量块的系统，其包括X方向弹簧101、Y方向弹簧104、质量102、X方向阻尼103、Y方向阻尼105，其中的自由度分别在X与Y方向。驱动端的运动在X方向，敏感端的运动在Y方向，驱动端的谐振频率ω_0x(实际系统约为5KHz)与敏感端的谐振频率ω_0y不同。图1中，X方向运动基座106、Y方向运动基座108、X方向导轨滑块107、Y方向导轨滑块109用于限定运动方向。

(1)利用驱动电路使得硅微机械陀螺表头的驱动端(X方向弹簧101，质量102，X方向阻尼103)处于谐振状态，即电路的工作频率等于硅微机械陀螺表头驱动端的谐振频率ω_0x，这保证了硅微机械陀螺的灵敏度最大化。

(2)当Z轴存在外界角速度Ω输入时，在哥氏效应作用下，在硅微机械陀螺表头敏感端(Y方向弹簧104，质量102，Y方向阻尼105)-Y轴产生哥氏加速度a_g＝-2Ωv，其大小正比于外界输入的角速度Ω与硅微机械陀螺表头驱动端的质量块的运动速度v。此质量块在哥氏力F_g＝Ma_g的作用下沿着硅微机械陀螺敏感端-Y轴产生与硅微机械陀螺表头驱动端同频率的振动，其振动位移幅值大小与哥氏力大小成正比。

(3)利用转台标定的方法可以确定出同步解调结果与角速度的线性关系即零次项系数与一次项系数，然后根据标定的线性关系可以随时从同步解调结果确定出外界角速度输入值，最终完成了角速度检测。

理想情况下应该是当外界角速度为零时哥氏力必然为零，因为哥氏力与外界角速度在理论上是严格的正比关系。当硅微机械陀螺表头的驱动端处于(或近似处于)机械谐振状态，驱动端质量块的振动位移被施加了恒幅控制时(此状态定义为：驱动电路正常工作)，如果外界的角速度输入为零，由于不存在哥氏力，在陀螺表头的敏感端——Y轴也不应该存在机械位移。现在普遍存在的问题是当硅微机械陀螺表头与配套的驱动电路正常工作时，在静止情况下只有地球自转角速度的分量，因此可以近似认为外界角速度输入为零，然而通过示波器或者频谱分析仪明显地观察到表头敏感端——Y轴输出的信号通过一次解调后的强度非常大，并非为零且幅值远远大于零，同时经过敏感二次解调后表现为零偏非常大。零偏指按照前述方法将同步解调结果按照事先标定的线性关系反解出外界输入的角速度，即外界角速度输入为零(或者近似为零)时陀螺的角速度测量输出。这种静止情况下的零偏非常大意味着并非由于地球自转引起的角速度检测输出，而是别的原因造成的。

这一现象在惯性技术领域被称之为硅微机械陀螺的耦合误差，即不是通过哥氏力效应途径耦合到敏感端，而是通过了其它途径——非哥氏力耦合途径。有文章研究结果表明非哥氏力耦合途径将硅微机械陀螺表头驱动端质量块的机械位移耦合到敏感端，其等效的外界角速度在几百度/每秒以上甚至更大，远远超过了硅微机械陀螺在一般情况下200度/每秒的检测范围。

如此大的耦合误差带来的直接结果是大幅度增加了微小角速度输入信号的检测难度。由外界角速度输入引起的哥氏力效应产生的有用信号相对于耦合误差来说是一个小量。举例，如果期望的角速度检测分辨率需要达到0.001度/每秒，角速度测量范围为200度/每秒，则检测的动态范围为：(200°/s)/(0.001°/s)＝2×10⁵；如果耦合误差假设为1000度/每秒，则检测的动态范围为：(1000°/s)/(0.001°/s)＝1×10⁶，则大大增加了检测的动态范围，因此增加了检测难度。从另外一方面来说，一个系统的检测动态范围是恒定的，当测量范围按照上述增加到5倍时，其检测分辨率将下降5倍，即只能够达到0.005度/每秒，因此降低了检测精度。

为此，现在针对如何减小耦合误差开展了广泛的研亢，其主要目的是提高信号的信噪比。另外耦合误差抑制后有利于采用全数字化检测方法，使得信号处理电路中的部分模拟电路可以省掉，易于小型化集成。

目前公开的文献中，研究减小耦合误差的方法主要有以下几个方面的思路：