[发明专利]一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法

说明书

本发明公开了一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法，该系统包括驱动闭环回路、检测闭环回路和标度因数温度补偿模块；驱动闭环回路产生硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω_x和ω_x的正弦信号sinω_xt，并将ω_x和sinω_xt分别输出至标度因数温度补偿模块和检测闭环回路；检测闭环回路基于sinω_xt产生未经标度因数温度补偿的角速度信号，并输入至标度因数温度补偿模块；标度因数温度补偿模块基于ω_x对未经标度因数温度补偿的角速度信号进行标度因数温度补偿，并产生经补偿的角速度输出信号；经补偿的角速度输出信号与ω_x无关。本发明基于陀螺仪力反馈闭环检测模式实现标度因数温度补偿，能够提升陀螺仪标度因数的温度稳定性。

技术领域

本发明涉及硅微陀螺仪领域，特别是涉及一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法。

背景技术

硅微陀螺仪作为一种利用哥氏效应敏感输入角速度的传感器，是MEMS技术在惯性导航领域的重要应用之一，具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，在军用与民用领域均得到了广泛的应用。

硅微陀螺仪具有驱动模态和检测模态两个工作模态，其中，驱动模态实时跟踪驱动模态谐振频率并维持驱动方向上恒定的振幅；检测模态实时检测敏感轴输入角速度引起的模态振动，从而获取输入角速度的大小。另外，检测模态分为开环检测与闭环检测两种形式，开环检测利用检测模态振动引起的电信号直接表征输入角速度；闭环检测在开环检测角速度的基础上利用闭环控制器产生信号，通过力反馈结构平衡检测模态的振动，从而闭环控制器的输出表征输入角速度的大小。

由于硅材料的温度敏感特性导致硅微陀螺仪输出信号随温度剧烈变化，从而恶化硅微陀螺仪标度因数的温度稳定性。为了提高温度稳定性需要进行标度因数温度补偿。现有标度因数温度补偿方法主要有算法补偿、虚拟哥氏力补偿、微机械平台补偿等方法，其中，算法补偿效果严重依赖补偿模型的准确性和陀螺仪输出重复性；虚拟哥氏力所引入的额外模态振动将干扰陀螺仪信号的检测精度和限制工作带宽；微机械平台补偿需要额外设计并加工可动微平台从而提高了加工难度与成本。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法。

技术方案：本发明的用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统包括驱动闭环回路、检测闭环回路和标度因数温度补偿模块；所述驱动闭环回路用于实现陀螺仪闭环驱动；所述驱动闭环回路跟踪硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω_x并产生ω_x的正弦信号sinω_xt，且将ω_x和sinω_xt分别输出至所述标度因数温度补偿模块和所述检测闭环回路；所述检测闭环回路包括检测模态驱动电极、检测模态检测电极、哥氏信号解调模块、检测模态闭环控制器和乘法器；检测模态检测电极基于陀螺仪敏感轴角速度Ω产生振动信号；哥氏信号解调模块对检测模态检测电极的振动信号进行解调得到哥氏信号；检测模态闭环控制器基于哥氏信号产生未经标度因数温度补偿的角速度信号，并输入至标度因数温度补偿模块；所述乘法器将来自驱动闭环回路的正弦信号sinω_xt与未经标度因数温度补偿的角速度信号相乘后产生力反馈信号；检测模态驱动电极基于力反馈信号产生振动，以平衡哥氏效应所引起的检测模态检测电极的振动，实现陀螺仪闭环检测；所述标度因数温度补偿模块基于ω_x对未经标度因数温度补偿的角速度信号进行标度因数温度补偿，并产生经补偿的角速度输出信号；其中，经补偿的角速度输出信号与ω_x无关。

进一步地，所述经补偿的角速度输出信号是通过将所述未经标度因数温度补偿的角速度信号除以ω_x后再乘以一个固定系数得到，所述固定系数用于调节温度补偿后的标度因数的数值的量级。