線性調(diào)諧微機械陀螺驅(qū)動和檢測技術(shù)的研究.pdf

1、微機械陀螺是用于測量物體轉(zhuǎn)動信息的一類傳感器，由于其具有體積小、功耗低、可批量化生產(chǎn)等固有特點，因而存在廣泛的市場應用前景，越來越受到學術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的重視。
　　近年來，微機械陀螺逐步向高精度方向發(fā)展，以模態(tài)匹配為代表的一系列新技術(shù)被有效采用，大幅提升了陀螺的檢測精度。本論文以靜電驅(qū)動電容檢測型可調(diào)諧柵結(jié)構(gòu)微機械陀螺為研究背景，從微機械陀螺的驅(qū)動、檢測和靜電調(diào)諧技術(shù)三大方面進行了較為全面的研究，并針對現(xiàn)有技術(shù)中尚存在的問題進行了新的

2、探索，以期對現(xiàn)有微機械陀螺共有知識體系提供新的有益補充，論文的主要工作內(nèi)容及貢獻如下
　　1)對微機械陀螺振動特性及其辨識技術(shù)的研究:
　　a)從抑制寄生電容導致的電學耦合角度分別對微機械陀螺位移檢測型和速度檢測型電路進行了分析，提出了微機械陀螺速度檢測型電路的去耦合設(shè)計方案。該方案通過將施加在陀螺上的致動信號與陀螺的振動輸出信號在頻域上相隔離來實現(xiàn)電學耦合的抑制，實驗測試表明該方案有效去除了諧振曲線中由電學耦合所導致的反諧

3、振峰及相應的相位變化;
　　b)首次提出了一種基于CORDIC算法的微機械陀螺振動特性辨識技術(shù)。該技術(shù)可擺脫人工掃頻效率和精度低下以及網(wǎng)絡(luò)分析儀代價昂貴、操作繁瑣的缺點，在精度與靈活性上找到了平衡點，適用于對陀螺振動特性進行辨識;
　　2)對微機械陀螺驅(qū)動技術(shù)的研究:
　　c)從改善微機械陀螺振動的暫態(tài)響應特性角度出發(fā)，針對廣泛采用的PLL-AGC驅(qū)動技術(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。對優(yōu)化后的陀螺進行實驗測試，表明起振穩(wěn)定時間由閉

4、環(huán)控制前的186毫秒改善到閉環(huán)控制后的42毫秒，驅(qū)動位移信號的幅度穩(wěn)定性為52ppm，相位穩(wěn)定性為2.80×10-4π rad(1σ)，并在優(yōu)化后的驅(qū)動技術(shù)下對一模態(tài)間諧振頻率差為34.7Hz的陀螺在大氣及室溫條件下進行力平衡檢測，測得其1小時零偏輸出數(shù)據(jù)的標準差為48.7deg/h，Allan方差8deg/h;
　　d)從改善微機械陀螺振動穩(wěn)定性的角度出發(fā)，首次提出了恒頻驅(qū)動概念。恒頻驅(qū)動技術(shù)可保證陀螺振動輸出信號的頻率、幅度以

5、及初始相位均保持穩(wěn)定，并且由于頻率的恒定，還可保證驅(qū)動位移(x)和驅(qū)動速度(v)的同時穩(wěn)定（|v|=2πf·|x|）。實驗測試結(jié)果表明恒頻驅(qū)動控制下驅(qū)動位移信號的幅度和相位的穩(wěn)定性分別達到22ppm和6.97×10-6πrad(1σ)，并在恒頻驅(qū)動技術(shù)下同樣對一模態(tài)間諧振頻率差為34.7Hz的陀螺在大氣及室溫條件下進行力平衡檢測，測得其1小時零偏輸出數(shù)據(jù)的標準差為32.3deg/h，Allan方差6deg/h，相關(guān)結(jié)果均優(yōu)于相同條件下采

6、用優(yōu)化后PLL-AGC驅(qū)動技術(shù)測得的結(jié)果;
　　3)對微機械陀螺檢測技術(shù)的研究:
　　e)借助于恒頻驅(qū)動技術(shù)可有效減少系統(tǒng)變量的優(yōu)勢，首次得到了微機械陀螺力平衡檢測系統(tǒng)的解析分析表達式，該表達式可進一步在模態(tài)匹配條件下實現(xiàn)化簡，從而首次實現(xiàn)陀螺暫態(tài)響應的優(yōu)化設(shè)計以及帶寬的按需設(shè)計。基于解析分析的結(jié)果，以25Hz為目標對模態(tài)匹配陀螺力平衡檢測系統(tǒng)進行帶寬設(shè)計，測試結(jié)果表明其階躍響應超調(diào)量為5％，響應穩(wěn)定時間56毫秒，實際測試帶

7、寬24.5Hz。同時測得力平衡條件下陀螺實現(xiàn)了正交分離，輸入±500deg/s時殘余耦合系數(shù)約為150ppm，在±500deg/s范圍內(nèi)的陀螺輸出非線性度為0.036％。為將模態(tài)匹配陀螺系統(tǒng)的檢測性能與未匹配陀螺進行對比，進一步將帶寬設(shè)計為10Hz后對陀螺系統(tǒng)進行大氣及室溫下零偏穩(wěn)定性測試，其1小時零偏輸出標準差為11.2deg/h，Allan方差1.2deg/h，相關(guān)結(jié)果均優(yōu)于相同檢測帶寬下兩模態(tài)頻差為34.7Hz的陀螺測得的結(jié)果，該

8、結(jié)果優(yōu)于已有文獻關(guān)于大氣下工作微機械陀螺的最好結(jié)果;
　　f)針對轉(zhuǎn)臺由于電機物理限制無法提供較高擺動頻率，進而影響陀螺帶寬測試的問題，基于力平衡檢測系統(tǒng)提出了一種無轉(zhuǎn)臺標定技術(shù)，運用該技術(shù)，可在無轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的情況下實現(xiàn)對陀螺靈敏度、量程、線性度、帶寬等指標的標定;
　　4)對微機械陀螺靜電調(diào)諧技術(shù)的研究:
　　g)針對現(xiàn)有模態(tài)自動匹配方案匹配時間較長以及無法實時應用的不足，提出了模態(tài)快速自動初始匹配方案以及力平衡檢測下

9、陀螺模態(tài)實時自動匹配方案?；谕勇萏幱陟o態(tài)（未受到角速度輸入）時，科氏零偏遠小于正交誤差的客觀事實，由正交誤差的相位信息設(shè)計了陀螺模態(tài)初始自動匹配方案，該方案下測得匹配完成時間約為250毫秒，遠小于現(xiàn)有其他技術(shù)方案;通過引入外加虛擬正交誤差信號，提出了一種力平衡檢測陀螺的模態(tài)自動實時匹配方案，該外加信號的頻率高于陀螺測量帶寬且與角速度信號正交，該方案可實時工作，不影響陀螺對角速度輸入的檢測;
　　h)針對變面積可調(diào)諧電容結(jié)構(gòu)的線性