专利名称：硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微电子机械系统(MEMS)和微惯性测量技术领域，特别是一种硅微动调混合陀螺仪的闭环检测控制装置及其应用方法。
背景技术：
陀螺仪发展过程大致经过框架式陀螺仪、液浮和气浮陀螺、动力调谐陀螺仪、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺(硅微机械陀螺仪)等。动力调谐陀螺仪由于精度较高，零偏稳定性在0. 001° Γ/h，成为国内目前最主要的陀螺仪之一，应用领域达到80%左右，但由于其结构、材料和加工特性直接造成了它抗冲击性能较差、启动时间较长和成本较高，尤其是其相对较大的体积限制了它在很多领域的应用。目前，虽然光纤陀螺和激光陀螺的精度已经达到甚至超过动力调谐陀螺仪，但是它们体积较大，价格昂贵，从几万到几十万美元不等，相比动力调谐陀螺不具有太大优势。而后续出现的硅微机械陀螺仪，虽然具有体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性、易于智能化和数字化等优点，但是受制于加工工艺和集成电路信号处理能力，硅微陀螺仪目前还处于1° 100°/h的中低精度阶段，要实现中高精度还需要一个较长发展过程。因此，市场应用迫切需求一种体积较小、价格较低，而性能指标与昂贵的机电陀螺仪相当的新型陀螺仪。硅微动调混合陀螺仪的研究正是为了满足这一应用需求。硅微动调混合陀螺仪技术是在挠性陀螺仪技术和硅微机械陀螺仪技术逐步成熟的基础上新发展起来的高新技术。硅微动调混合陀螺仪最初是2003年由美国德雷钼(Charies Stark Draper Lab.简称 CSDDLyle J. Jenkins等人提出来的，但仅进行了初步的理论探讨。目前，关于硅微动调混合陀螺仪的相关报道较少，东南大学是国内最早开展硅微动调混合陀螺仪研究的单位， 其结构可参考公告号为CN 100392353C的专利文件中的相关描述。硅微动调混合陀螺仪由微型电机、转子体、信号器、力矩器等组成，微型电机由传统精密机械加工或微机电加工技术加工而成，主要用于驱动转子体高速旋转，以获得较大动量矩；转子体、信号器、力矩器采用体硅加工工艺加工而成，转子体上设有上下极板。传统的动力调谐陀螺仪调谐一般通过精密机械加工技术反复调整扭杆的正刚度系数、平衡环的转动惯量及驱动电机的旋转角速度来实现调谐。而硅微动调混合陀螺仪由于硅薄片式平衡环既小又薄，由平衡环产生的负弹性力矩量级很小，仅相当于扭杆正弹性力矩10_5，因此， 在硅微动调混合陀螺仪中无法采用传统的方式来调谐。其次，在采用传统的开环检测方式进行调谐时，理想条件下(无残余刚度)，外界输入角速度的作用将导致转子自转轴的不断进动运动，无法进行信号检测，并且进动陀螺转子甚至会与壳壁相碰，而失去测量功能；而在有残余刚度存在时，开环检测也存在测量范围小、非线性大、信号检测易受机械结构参数和电路参数等开环系统参数变化的影响。而且，传统的动力调谐陀螺仪大多采用电感信号器和动铁式力矩器，不仅体积大、重量重(例如力矩器磁钢)，而且在较高速率下工作时发热量很大等缺点。发明内容本实用新型针对新型硅微动调混合陀螺仪提供一种基于再平衡技术的闭环检测控制装置，解决对硅微动调混合陀螺仪进行调谐的难题，使信号检测受机械结构参数和电路参数等系统参数变化的影响较小。为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，包括信号器、力矩器、信号处理模块；其特征是，所述信号器为电容信号器，包括 2对信号检测电极；力矩器为电容力矩器，包括2对力矩反馈电极；各电极的极板均平行于陀螺仪转子设置；1对信号检测电极对应1对力矩反馈电极，用于陀螺仪上1个轴的信号检测和力矩反馈；所述信号处理模块包括调制载波信号、预载高压、前置放大电路、信号解调电路、 差分放大电路和交直流叠加电路；调制载波信号为2对，每1对中的2个调制载波信号频率相同、幅值相同、相位相反；信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大电路进行放大，后通过信号解调电路对两轴信号以相应的基波为参考进行信号解调；解调后的两轴检测信号分别输入至两个差分放大电路的同向输入端和反向输入端；同时预载高压分别输入至上述两个差分放大电路的同向输入端；差分放大电路的输出端输出反馈电压信号；2个反馈电压信号通过交直流叠加电路与1对反相的调制载波信号进行叠加，然后输出至相应的力矩反馈电极。反馈电压可实现两个功能其一为实现闭环反馈控制，其二为实现负刚度调谐 预载高压作用在信号器的平面检测电容上，在静电力作用下，将产生静电负刚度，该静电负刚度与硅微动调混合陀螺仪的扭杆正刚度相反；因此通过调整预载高压的大小，可以调节静电负刚度的大小。作为一种改进，信号处理模块中还包括带通选频电路，带通选频电路的信号输入端连接前置放大电路的信号输出端；带通选频电路的信号输出端连接信号解调电路的输入端。具体的，带通选频电路采用多重反馈型带通滤波电路，用于分离两敏感轴的电容检测信号，其可采用现有的相关功能模块或利用现有成熟电路技术实现。作为一种改进，信号处理模块中还包括低通滤波电路，低通滤波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，低通滤波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，信号解调电路为相敏解调电路，低通滤波电路与相敏解调电路皆可采用现有的电路模块也可采用现有成熟电路技术实现，共同构成信号解调环节，将调制后的电容信号与噪声信号分离。作为一种改进，信号处理模块中还包括陷波电路，陷波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，陷波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，陷波电路可采用现有的相关电路模块或者利用现有成熟电路技术实现。由于陀螺转子与其自身上下电容极板间不可能绝对平行，因此陀螺转子转动时将产生与转动频率相同的交流干扰，陷波电路用于抑制由陀螺仪转子转动引起的交流干扰。作为一种改进，信号处理模块中还包括校正电路，校正电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，校正电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，校正电路可采用现有的相关电路模块或者利用现有成熟电路技术实现，其用于改善开环系统的幅值裕度和相角裕度特性。[0014]作为一种改进，信号处理模块中还包括解耦电路，解耦电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，解耦电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，两轴的校正后检测信号同时输入至解耦电路中，进行解耦运算消除彼此影响后得到更精确的反馈信号。解耦电路可采用现有的相关电路模块或者利用现有成熟电路技术实现。优选的，所述信号处理模块中的前置放大电路采用公共端差分型前置放大电路， 用于放大两敏感轴的电容检测信号，其可采用现有的相关功能模块或利用现有成熟电路技术实现。优选的，所述2对载波信号的频率不同，每1对中的2个载波信号为通过1个基波信号源分别连接同相放大器和反相放大器输出得到。使用不同的两个载波信号对电容检测信号进行调制及解调，更加便于区分两轴的敏感检测信号，同时抑制周围寄生效应的影响。 基波信号源可由现有的相关信号源器件提供。优选的，所述校正电路包括两级运算放大器，第一级运算放大器的反相输入端即校正电路的信号输入端；第一级运算放大器的输出端连接第二级运算放大器的反相输入端；第二级运算放大器的输出端即校正电路的信号输出端；两级运算放大器的反相输入端与信号输出端之间跨接有T型电路。在应用时可通过设置运算放大器的增益放大倍数，调整零极点来改善系统的动态和静态性能。优选的，本实用新型的解耦电路采用对角线解耦，将系统解耦成两个二型二阶系统，解耦网络的传递函数为
权利要求1.一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，包括信号器、力矩器、信号处理模块；其特征是，所述信号器为电容信号器，包括2对信号检测电极；力矩器为电容力矩器，包括2对力矩反馈电极；各电极的极板均平行于陀螺仪转子设置；1对信号检测电极对应1对力矩反馈电极，用于敏感陀螺仪上1个轴的输入角速度和平衡输入力矩；所述信号处理模块包括调制载波信号、预载高压、前置放大电路、信号解调电路、差分放大电路和交直流叠加电路；调制载波信号为2对，每1对中的2个调制载波信号频率相同、幅值相同、相位相反；信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大电路进行放大，后通过信号解调电路对两轴信号，以相应的基波为参考进行信号解调；解调后的两轴检测信号分别输入至两个差分放大电路的同向输入端和反向输入端；同时预载高压分别输入至上述两个差分放大电路的同向输入端；差分放大电路的输出端输出反馈电压信号，输出的反馈电压信号通过交直流叠加电路与一对反相的调制载波信号叠加，然后输出至力矩反馈电极。
2.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括带通选频电路，带通选频电路的信号输入端连接前置放大电路信号输出端；带通选频电路的信号输出端连接信号解调电路输入端。
3.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括低通滤波电路，低通滤波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，低通滤波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。
4.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括陷波电路，陷波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，陷波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。
5.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括校正电路，校正电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，校正电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。
6.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括解耦电路，解耦电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，解耦电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。
7.根据权利要求1-6任一项所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，2对载波信号的频率不同，每1对中的2个载波信号为通过1个基波信号源分别连接同相放大器和反相放大器输出得到。
8.根据权利要求5所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，所述校正电路包括两级运算放大器，第一级运算放大器的反相输入端即校正电路的信号输入端； 第一级运算放大器的输出端连接第二级运算放大器的反相输入端；第二级运算放大器的输出端即校正电路的信号输出端；两级运算放大器的反相输入端与信号输出端之间跨接有T 型电路。
9.根据权利要求6所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，所述解耦电路采用对角线解耦，将系统解耦成两个二型二阶系统，解耦网络的传递函数为
专利摘要本实用新型公开一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，其包括信号器、力矩器和信号处理模块；信号器包括2对信号检测电极；力矩器包括2对力矩反馈电极；分别用于敏感陀螺仪上2个轴的输入角速度和平衡输入力矩。信号处理模块包括调制载波信号、预载高压、前置放大电路、信号解调电路、差分放大电路和交直流叠加电路。信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大后进行信号解调；每个解调后检测信号分别通过两个差分放大电路，与预载高压进行同相和反相运算后放大输出，输出的反馈电压信号通过交直流叠加电路与一对反相调制载波信号叠加，然后输出至力矩反馈电极。本实用新型采用电容检测和静电力反馈形式解决了硅微动调混合陀螺仪的调谐难题。
文档编号G01C25/00GK202119447SQ20112022403
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者李坤宇, 李宏生, 杨波, 王寿荣, 薛海燕, 黄丽斌 申请人:东南大学