線性調(diào)諧微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)技術(shù)的研究.pdf

1、微機(jī)械陀螺是用于測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)，因而存在廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景，越來越受到學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的重視。
　　近年來，微機(jī)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(cè)精度。本論文以靜電驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)型可調(diào)諧柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺為研究背景，從微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)和靜電調(diào)諧技術(shù)三大方面進(jìn)行了較為全面的研究，并針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中尚存在的問題進(jìn)行了新的

2、探索，以期對(duì)現(xiàn)有微機(jī)械陀螺共有知識(shí)體系提供新的有益補(bǔ)充，論文的主要工作內(nèi)容及貢獻(xiàn)如下
　　1)對(duì)微機(jī)械陀螺振動(dòng)特性及其辨識(shí)技術(shù)的研究:
　　a)從抑制寄生電容導(dǎo)致的電學(xué)耦合角度分別對(duì)微機(jī)械陀螺位移檢測(cè)型和速度檢測(cè)型電路進(jìn)行了分析，提出了微機(jī)械陀螺速度檢測(cè)型電路的去耦合設(shè)計(jì)方案。該方案通過將施加在陀螺上的致動(dòng)信號(hào)與陀螺的振動(dòng)輸出信號(hào)在頻域上相隔離來實(shí)現(xiàn)電學(xué)耦合的抑制，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該方案有效去除了諧振曲線中由電學(xué)耦合所導(dǎo)致的反諧

3、振峰及相應(yīng)的相位變化;
　　b)首次提出了一種基于CORDIC算法的微機(jī)械陀螺振動(dòng)特性辨識(shí)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(jià)昂貴、操作繁瑣的缺點(diǎn)，在精度與靈活性上找到了平衡點(diǎn)，適用于對(duì)陀螺振動(dòng)特性進(jìn)行辨識(shí);
　　2)對(duì)微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究:
　　c)從改善微機(jī)械陀螺振動(dòng)的暫態(tài)響應(yīng)特性角度出發(fā)，針對(duì)廣泛采用的PLL-AGC驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化后的陀螺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明起振穩(wěn)定時(shí)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(dòng)位移信號(hào)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(dòng)技術(shù)下對(duì)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(jìn)行力平衡檢測(cè)，測(cè)得其1小時(shí)零偏輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為48.7deg/h，Allan方差8deg/h;
　　d)從改善微機(jī)械陀螺振動(dòng)穩(wěn)定性的角度出發(fā)，首次提出了恒頻驅(qū)動(dòng)概念。恒頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)可保證陀螺振動(dòng)輸出信號(hào)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(dòng)位移(x)和驅(qū)動(dòng)速度(v)的同時(shí)穩(wěn)定（|v|=2πf·|x|）。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明恒頻驅(qū)動(dòng)控制下驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)的幅度和相位的穩(wěn)定性分別達(dá)到22ppm和6.97×10-6πrad(1σ)，并在恒頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)下同樣對(duì)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(jìn)行力平衡檢測(cè)，測(cè)得其1小時(shí)零偏輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)技術(shù)測(cè)得的結(jié)果;
　　3)對(duì)微機(jī)械陀螺檢測(cè)技術(shù)的研究:
　　e)借助于恒頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)可有效減少系統(tǒng)變量的優(yōu)勢(shì)，首次得到了微機(jī)械陀螺力平衡檢測(cè)系統(tǒng)的解析分析表達(dá)式，該表達(dá)式可進(jìn)一步在模態(tài)匹配條件下實(shí)現(xiàn)化簡(jiǎn)，從而首次實(shí)現(xiàn)陀螺暫態(tài)響應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及帶寬的按需設(shè)計(jì)。基于解析分析的結(jié)果，以25Hz為目標(biāo)對(duì)模態(tài)匹配陀螺力平衡檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行帶寬設(shè)計(jì)，測(cè)試結(jié)果表明其階躍響應(yīng)超調(diào)量為5％，響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)間56毫秒，實(shí)際測(cè)試帶

7、寬24.5Hz。同時(shí)測(cè)得力平衡條件下陀螺實(shí)現(xiàn)了正交分離，輸入±500deg/s時(shí)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(cè)性能與未匹配陀螺進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步將帶寬設(shè)計(jì)為10Hz后對(duì)陀螺系統(tǒng)進(jìn)行大氣及室溫下零偏穩(wěn)定性測(cè)試，其1小時(shí)零偏輸出標(biāo)準(zhǔn)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(cè)帶寬下兩模態(tài)頻差為34.7Hz的陀螺測(cè)得的結(jié)果，該

8、結(jié)果優(yōu)于已有文獻(xiàn)關(guān)于大氣下工作微機(jī)械陀螺的最好結(jié)果;
　　f)針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)由于電機(jī)物理限制無法提供較高擺動(dòng)頻率，進(jìn)而影響陀螺帶寬測(cè)試的問題，基于力平衡檢測(cè)系統(tǒng)提出了一種無轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)，可在無轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺靈敏度、量程、線性度、帶寬等指標(biāo)的標(biāo)定;
　　4)對(duì)微機(jī)械陀螺靜電調(diào)諧技術(shù)的研究:
　　g)針對(duì)現(xiàn)有模態(tài)自動(dòng)匹配方案匹配時(shí)間較長(zhǎng)以及無法實(shí)時(shí)應(yīng)用的不足，提出了模態(tài)快速自動(dòng)初始匹配方案以及力平衡檢測(cè)下

9、陀螺模態(tài)實(shí)時(shí)自動(dòng)匹配方案?；谕勇萏幱陟o態(tài)（未受到角速度輸入）時(shí)，科氏零偏遠(yuǎn)小于正交誤差的客觀事實(shí)，由正交誤差的相位信息設(shè)計(jì)了陀螺模態(tài)初始自動(dòng)匹配方案，該方案下測(cè)得匹配完成時(shí)間約為250毫秒，遠(yuǎn)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(hào)，提出了一種力平衡檢測(cè)陀螺的模態(tài)自動(dòng)實(shí)時(shí)匹配方案，該外加信號(hào)的頻率高于陀螺測(cè)量帶寬且與角速度信號(hào)正交，該方案可實(shí)時(shí)工作，不影響陀螺對(duì)角速度輸入的檢測(cè);
　　h)針對(duì)變面積可調(diào)諧電容結(jié)構(gòu)的線性