专利名称：一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法
技术领域：
本发明涉及一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法，属于惯性传感器器件及信号处理领域。
背景技术：
石英微机械陀螺是近二十年来逐渐发展起来的一种MEMS惯性测量器件，用于角速度的测量，石英音叉陀螺具有体积小、重量轻、可靠性高、价格低的优点。石英微机械陀螺在工程应用中，对环境要求很高，但是温度变化对该器件的性能有很大影响，目前许多产品中都使用温度补偿技术。在温度补偿电路中，温度信息是补偿算法的依据，需要实时精确的获取陀螺敏感元件石英音叉的温度信息。常规的方法是在石英音叉陀螺中装入温度传感器，比如热敏电阻，根据其输出得到温度信息。但由于石英音叉敏感元件结构的特殊性及封装的需要，温度传感器无法封装于敏感元件内部。因此，根据这种温度信息进行补偿的实时性较差。在实际应用中，环境温度是随时变化的，变化方向和变化速率都不能预先确定，当温度变化速率较快时，由于迟滞效应，补偿结果将会严重偏离， 导致陀螺测量角速度的误差很大甚至出现错误。在中国电子科技集团第二十六研究所目前公开的名为“石英微机械陀螺敏感器件温度测量方法及温度补偿电路”的专利中(专利号申请号为201010115583. 4)，给出了一种测量幅控电压发生器的输出电压的线性关系Vk =-aT+b，得到音叉的温度信息。通过该方法有效解决了传统检测温度必须加外部温度传感器的问题以及温度响应的迟滞效应。但是该方法的不足之处在于，基于石英音叉的工作原理，温度和Vk的变化只是近似线性变化，是一个非线性的曲线，在上述申请专利的附图3中也可以看出这个非线性关系。而且，不同的音叉的温度和Vk的关系的性质不完全一致。所以上诉方法的两个局限性为由于模拟电路无法获取该变化的非线性信息，因此这种方法的线性方法处理，虽然能够获取温度信息，但是精度受到影响；此外，由于不同音叉的性质不完全一致，调试模拟电路需要较大工作量，一致性较差。
发明内容
基于现有技术存在的不足，本发明提供了一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法。本方法的原理为构建由石英音叉、模拟电路、ADC、DAC和数字信号处理单元组成的闭环驱动模块，通过数字信号处理方法产生谐振频率附近的正弦信号，并驱动石英音叉工作，然后反馈补偿使音叉工作在稳幅状态，检测驱动信号通过音叉的电流电压变换后的电压量，利用电压量的幅度变化因子g反应温度信息。一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法，其具体实现步骤为步骤一、在初始工作温度Ttl下，生成频率为石英音叉谐振频率的正弦信号，并加载到石英音叉驱动叉指，驱动石英音叉谐振。
步骤二、经过石英音叉后的正弦信号仍为同频的正弦电压信号，经过数模转换成为数字信号。步骤三、对步骤二产生的数字信号进行实时幅度检测，获取电流-电压变换后的电压幅值，通过幅度检测方法，得到幅度变化因子g并输出。步骤四、对步骤三得到的幅度变化因子g进行数字信号处理，改变幅度变化因子 g，然后反馈加载到石英音叉上，对谐振产生的电压幅值进行补偿，使步骤三检测到的正弦驱动信号稳定在预定值。步骤五、改变工作温度，重新进行步骤二至步骤四，得到新的幅度变化因子g。步骤六、在石英音叉工作于谐振频率，且稳幅驱动的情况下，石英音叉的输出经电流-电压变化后，通过步骤五在不同温度下获得的不同幅度变化因子g来标定音叉本身的温度。所述的标定音叉温度的第一种方法为在石英音叉陀螺工作的全温范围的上、下极限温度之间分别对驱动信号幅值进行测量，然后通过拟合建立工作温度T和幅度变化因子g的关系式T = a0+alg+a2g2+L+angna0, a,, ... an分别表示最小二乘法拟合系数。在经过多次测量得到T和g的对应关系后通过最小二乘法解算出来。解算出彻，B1,...知后，便可直接利用上式实时获取石英音叉的温度信息T。所述标定音叉温度的第二种方法为在石英音叉陀螺工作的全温范围的上、下极限温度之间以一定步长，分别对不同温度点的驱动信号幅值进行测量，建立温度和驱动幅度对应表。对应表建立后，通过查表的方法根据石英陀螺工作时幅度变化因子g，获得石英音叉当前的工作温度。有益效果与原有模拟电路线性评估温度的方法相比，本发明能显著提高石英音叉陀螺温度补偿的精度和灵活性。温度和音叉输出经过电流电压变换后的电压幅度之间呈非线性关系，本方法通过拟合或者查表的方法获取温度信息，能准确获得实时温度，有利于提高温度补偿的实时性和精度；对于不同性质的音叉，硬件无须变化，只需要在算法中给出不同的标定系数；如用户不需要提供温度，在数字信号处理单元内部可以直接应用幅度变化因子g 做温度补偿，不需增加额外器件。
图1是具体实施方式
中的音叉电学等效模型；图2是具体实施方式
中的电流电压变换模型；其中(a)为石英音叉等效为电学模型，(b)为石英音叉等效为串联谐振频率点的电学模型；图3是具体实施方式
中的石英音叉的动态电阻随温度变化关系；图4是具体实施方式
中的数字闭环驱动电路结构示意图；图5是具体实施方式
中的数字处理单元内部结构示意图；图6是具体实施方式
中的角速度检测系统的结构示意图；图7是具体实施方式
中应用测量结果进行幅度变化因子g和温度进行一阶拟合的关系图；图8是具体实施方式
中应用测量结果进行幅度变化因子g和温度进行二阶拟合的关系图；图9是具体实施方式
中应用测量结果进行幅度变化因子g和温度进行三阶拟合的关系图。
具体实施例方式为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的石英音叉陀螺驱动幅度随温度变化原理如下任何固体都可以用许多不同方式振动，即它有许多谐振频率。石英晶体压电谐振器也可以进行各种类型的振动，在每种振动中，都存在基频(一次谐波)、二次谐波、三次谐波等等。当只考虑基频时，石英晶体的电学等效模型可以表示为如图1所示。(；为静电电容，由石英晶体的介电常数和电极尺寸所决定。串联支路中的L1和C1是动态电感和动态电容，由石英晶体的尺寸、密度、压电常数和弹性常数决定。R1是动态电阻，反映了石英晶体机械损耗的大小。当在石英音叉一端加载电压信号，为获得流经音叉的电流信号，可以通过电流电压变换单元，通过电流电压变换单元的输出电压表示，当驱动信号频率等于石英音叉串联谐振频率时，石英音叉相当于一个电阻和一个电容的并联，这样，电流电压变换单元和石英音叉的示意图可由图2(a)简化为图2(b)。所示电路的电压放大倍数为
权利要求
1.一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法，其特征在于其具体实现步骤为步骤一、在初始工作温度Ttl下，生成频率为石英音叉谐振频率的正弦信号，并加载到石英音叉驱动叉指，驱动石英音叉谐振；步骤二、经过石英音叉后的正弦信号为同频的正弦电压信号，经过数模转换成为数字信号；步骤三、对步骤二产生的数字信号进行实时幅度检测，获取电流-电压变换后的电压幅值，通过幅度检测方法，得到幅度变化因子g并输出；步骤四、对步骤三得到的幅度变化因子g进行数字信号处理，改变幅度变化因子g，然后反馈加载到石英音叉上，对谐振产生的电压幅值进行补偿，使步骤三检测到的正弦驱动信号稳定在预定值；步骤五、改变工作温度，重新进行步骤二至步骤四，得到新的幅度变化因子g ；步骤六、在石英音叉工作于谐振频率，且稳幅驱动的情况下，石英音叉的输出经电流-电压变化后，通过步骤五在不同温度下获得的不同幅度变化因子g来标定音叉本身的温度。
2.根据权利要求1所述的一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法， 其特征在于步骤六所述的标定音叉温度的方法为在石英音叉陀螺工作全温范围的上、 下极限温度之间分别对驱动信号幅值进行测量，然后通过拟合建立工作温度T和幅度变化因子g的关系式T = a0+a1g+a2g2+L+angna0,ai,... an分别表示最小二乘法拟合系数，在经过多次测量得到T和g的对应关系后通过最小二乘法解算出来；然后直接利用上式实时获取石英音叉的温度信息T。
3.根据权利要求1所述的一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法， 其特征在于步骤六所述标定音叉温度的方法还可以为在石英音叉陀螺工作全温范围的上、下极限温度之间以一定步长，分别对不同温度点的驱动信号幅值进行测量，建立温度和驱动幅度对应表；然后通过查表的方法根据石英陀螺工作时幅度变化因子g，获得石英音叉当前的工作温度。
4.根据权利要求1所述的一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法，其特征在于其中一个实施电路包括电流电压变换单元、ADC单元、数字处理单元、DAC 单元；其中，数字处理单元包括正弦波发生器、频率控制、自动增益控制、相位检测、幅度检测自适应控制单元和温度标定单元；上述部分的连接关系为电流电压变换单元的输出经 ADC单元输入到数字处理单元，数字处理单元的输出经DAC单元后，驱动石英音叉；频率控制和自动增益控制的输出连接正弦波发生器，自适应控制单元的输出分别连接频率控制和自动增益控制，相位检测和幅度检测的输出分别输入自适应控制单元。正弦波发生器连接 DAC单元和温度标定单元，ADC单元的输出分别作为幅度检测的输入。
5.根据权利要求1和4所述的一种石英微机械陀螺敏感器件温度信息的数字化检测方法，其特征在于在数字处理单元内部增加敏感输出的解调方法获得石英陀螺的角速度输出，通过幅度变化因子g和温度关系，用g表征温度，对石英陀螺做角速度输出的温度补偿， 提高全温范围精度而不需增加额外器件。
全文摘要
本发明涉及一种石英微机械陀螺的敏感器件温度信息的数字化检测方法，属于惯性传感器器件及信号处理领域。本方法通过构建由石英音叉、模拟电路、ADC、DAC和数字信号处理单元组成的闭环驱动模块，采用数字信号处理方法产生谐振频率附近的正弦信号，并驱动石英音叉工作，然后反馈补偿使音叉工作在稳幅状态，检测驱动信号通过音叉的电流电压变换后的电压量，利用电压量的幅度变化因子g反应温度信息。本发明能显著提高石英音叉陀螺温度补偿的精度和灵活性；对于不同性质的音叉，硬件无须变化，只需要在算法中给出不同的标定系数；如用户不需要提供温度，在数字信号处理单元内部可以直接应用幅度变化因子g做温度补偿，不需增加额外器件。
文档编号G01K7/00GK102519617SQ20121000517
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者冯立辉, 孙雨南, 崔芳, 张志雄, 王健 申请人:北京理工大学