本發(fā)明屬于智能傳感器的技術(shù)領域，更具體地涉及一種陀螺儀自校準和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置、方法。

背景技術(shù)：

陀螺儀是一種能夠測量載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。陀螺儀已有100多年的發(fā)展史，其發(fā)展過程大致可分為四個階段：第一個階段是滾珠軸承支承陀螺馬達和框架的陀螺；第二個階段是40年代末到50年代初發(fā)展起來的液浮和氣浮陀螺；第三個階段是60年代以后發(fā)展起來的干式動力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺；目前陀螺的發(fā)展已進入第四個階段，即靜電陀螺、激光陀螺(70年代)、光纖陀螺(80年代)和微陀螺儀(90年代)。研究人員從20世紀80年代起就開始開發(fā)硅微型機械陀螺儀，它的發(fā)展是伴隨著硅微機械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，微機械加工技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是基于ic工藝的。

傳統(tǒng)的機械陀螺儀由于體積大、成本高、不適合批量生產(chǎn)等因素制約了其在很多方面的應用。mems陀螺儀具有光、機、電一體化、體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。微機械陀螺儀按振動結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu)陀螺儀和線振動結(jié)構(gòu)陀螺儀；按材料可以分為硅材料陀螺儀和非硅材料陀螺儀；按驅(qū)動方式可以分為壓電式驅(qū)動陀螺儀、靜電式驅(qū)動陀螺儀和電磁式驅(qū)動陀螺儀；按工作模式可以分為速率陀螺和速率積分陀螺；按檢測方式可以分為壓電性檢測陀螺儀、電容性檢測陀螺儀、光學檢測陀螺儀、壓阻型檢測陀螺儀和隧道效應檢測陀螺儀；按加工方式分為體硅機械加工陀螺儀、表面微機械加工陀螺儀和liga技術(shù)陀螺儀。

傳統(tǒng)陀螺儀的標定校準需要高精度轉(zhuǎn)臺以及其他外部設備做支撐，操作相對復雜，成本較高；再者陀螺儀只在出廠時進行一次出廠標定校準，但在運行過程中環(huán)境因素、器件老化、溫度變化等都會引起陀螺儀系統(tǒng)參數(shù)的改變，從而影響陀螺儀的測量精度，很顯然傳統(tǒng)的標定校準不能消除這些因素對陀螺儀精度的影響；此外傳統(tǒng)質(zhì)量塊擺幅測量是利用電容檢測模塊輸出的電流信號中主瓣峰值的大小來測量質(zhì)量塊的擺幅，由于電流信號峰值的大小與跨阻放大器增益、電容、電阻、電壓擺幅以及頻率等電學參量有關，因此測量的擺幅并不精確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的主要目的在于提出一種陀螺儀自校準裝置及方法、以及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置及方法，用于解決以上技術(shù)問題中的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出一種陀螺儀自校準裝置，包括：

信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制信號，該調(diào)制信號包括：

驅(qū)動信號，用于驅(qū)動陀螺儀諧振運動；

電激勵信號，用于激勵陀螺儀中的質(zhì)量塊產(chǎn)生擺幅；

檢測及分析電路，用于檢測擺幅得到擺幅信號，將擺幅信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并分析得到電壓信號中的邊頻帶比值；

其中，陀螺儀基于電激勵信號的角速度與電壓信號中的邊頻帶比值之間存在的非線性關系，得到校準的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述檢測及分析電路包括：

檢測電容，用于檢測擺幅得到擺幅信號，輸出與擺幅信號相關的電流信號；

跨阻放大器，用于將與擺幅信號相關的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；

頻譜分析儀，用于分析得到電壓信號中的邊頻帶比值。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述檢測電容為平板電容。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述陀螺儀為mems陀螺儀；該mems陀螺儀為mems梳齒狀陀螺儀。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述信號發(fā)生器包括乘法器、移相器和加法器，所述調(diào)制信號是由所述驅(qū)動信號和電激勵信號經(jīng)由所述的乘法器、移相器和加法器整合得到。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明還提出一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置，采用上述的陀螺儀自校準裝置，其中：

陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與所電壓信號中的邊頻帶比值存在非線性關系；

通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，得到包括不同角速度電激勵信號的多個調(diào)制信號、多個不同的擺幅信號及相對應的多個不同的邊頻帶比值，推導得到擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系；

當陀螺儀中的質(zhì)量塊在除電激勵信號外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時，根據(jù)此時分析得到的電壓信號中的邊頻帶比值、以及擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系，即可得到此時陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系為：

其中，y為陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅，r為電壓信號中的邊頻帶比值。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出一種陀螺儀自校準方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動信號和電激勵信號的調(diào)制信號；陀螺儀在驅(qū)動信號的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵信號的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測及分析電路檢測擺幅得到擺幅信號，將擺幅信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并分析得到電壓信號中的邊頻帶比值；

步驟3、重復步驟1至步驟2，得到包含不同角速度電激勵信號的至少兩個調(diào)制信號及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個調(diào)制信號中電激勵信號的角速度及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值，得到電激勵信號的角速度與所述電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系；

陀螺儀基于電激勵信號的角速度與電壓信號中的邊頻帶比值之間存在的非線性關系，得到校準的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提出一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動信號和電激勵信號的調(diào)制信號；陀螺儀在驅(qū)動信號的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵信號的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測及分析電路檢測擺幅并轉(zhuǎn)換為電壓信號，頻譜分析儀分析得到電壓信號中的邊頻帶比值；

步驟3、重復步驟1至步驟2，產(chǎn)生包括不同角速度電激勵信號的調(diào)制信號、至少兩個不同的擺幅及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個不同的擺幅及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值，得到擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系；

當陀螺儀中的質(zhì)量塊在除電激勵信號外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時，根據(jù)此時分析得到的電壓信號中的邊頻帶比值、以及步驟2-4中得到的擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系，即可得到此時陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

本發(fā)明提出的陀螺儀自校準及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置及方法，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明采用電激勵信號進行校準，無需使用高精度物理轉(zhuǎn)臺，從而簡化了陀螺儀在出廠時標定的過程，降低了標定校準成本；

2、采用電激勵信號進行自校準，因此校準的實施只需要常用的信號發(fā)生器即可，在陀螺儀的使用過程中，用戶可實時進行陀螺儀的自校準，因此避免了陀螺儀在使用過程中，由于器件老化、環(huán)境溫度變化、系統(tǒng)噪聲等產(chǎn)生的器件參數(shù)變化，從而避免了陀螺儀精度的下降；

3、本發(fā)明采用平板電容檢測陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅，且采用推導得到的電壓值的邊頻帶比值與擺幅的非線性關系，來測量陀螺儀在其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生的擺幅大小，因此能夠消除系統(tǒng)中運算放大器、電容、電阻等對擺幅的影響，使得測量結(jié)果更加靈敏。

附圖說明

圖1是陀螺儀在采用高精度物理轉(zhuǎn)臺進行標定校準時的整體電路圖；

圖2是本發(fā)明一實施例提出的陀螺儀自校準裝置的整體電路圖；

圖3是本發(fā)明一實施例提出的陀螺儀自校準裝置中信號發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有微機械陀螺儀精度較低、校準需要高精度轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，操作復雜成本較高而且傳統(tǒng)擺幅測量技術(shù)容易受其他電學原件影響的缺點，設計提出了一種陀螺儀自校準及質(zhì)量塊擺幅測量裝置及方法，其中設計相應的電信號作為系統(tǒng)輸入信號，分別在陀螺儀處于工作模態(tài)和校準模態(tài)時給予不同的電信號，其中的電激勵信號的作用于陀螺儀得到的輸出與實際的高精度物理轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)作用于陀螺儀得到的結(jié)果基本相同，即用電激勵信號就可以代替高精度物理轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)對陀螺儀的自校準，及對陀螺儀質(zhì)量塊擺幅的測量。這樣陀螺儀的校準工作就擺脫了高精度物理轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，簡化了陀螺儀校準過程和成本。

本發(fā)明公開了一種陀螺儀自校準裝置，包括：

信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生調(diào)制信號，該調(diào)制信號包括：

驅(qū)動信號，用于驅(qū)動陀螺儀諧振運動；

電激勵信號，用于激勵陀螺儀中的質(zhì)量塊產(chǎn)生擺幅；

檢測及分析電路，用于檢測擺幅得到擺幅信號，將擺幅信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并分析得到電壓信號中的邊頻帶比值；

其中，陀螺儀基于電激勵信號的角速度與所述電壓信號中的邊頻帶比值之間存在的非線性關系，得到校準的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

在陀螺儀需要處于工作狀態(tài)時，只需通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號僅包括驅(qū)動信號，就可進行陀螺儀的正常工作。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述檢測及分析電路包括：

檢測電容，用于檢測擺幅得到擺幅信號，輸出與擺幅信號相關的電流信號；

跨阻放大器，用于將與擺幅信號相關的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；

頻譜分析儀，用于分析得到電壓信號中的邊頻帶比值。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述檢測電容為平板電容。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述陀螺儀為mems陀螺儀；該mems陀螺儀為mems梳齒狀陀螺儀。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述信號發(fā)生器包括乘法器、移相器和加法器，調(diào)制信號是由驅(qū)動信號和電激勵信號經(jīng)由乘法器、移相器和加法器整合得到。

本發(fā)明還公開了一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置，該陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置與上述的陀螺儀自校準裝置相同，其中：

陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與所電壓信號中的邊頻帶比值存在非線性關系；

通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，得到包括不同角速度電激勵信號的多個調(diào)制信號、多個不同的擺幅信號及相對應的多個不同的邊頻帶比值，推導得到擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系；

當陀螺儀處于工作狀態(tài)時，其中的質(zhì)量塊在除電激勵信號外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時，根據(jù)工作狀態(tài)下分析得到的電壓信號中的邊頻帶比值、以及上述推導得到的擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系，即可得到此時陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系為：

其中，y為陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅，r為電壓信號中的邊頻帶比值。

本發(fā)明還公開了一種陀螺儀自校準方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動信號和電激勵信號的調(diào)制信號；陀螺儀在驅(qū)動信號的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵信號的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測及分析電路檢測擺幅得到擺幅信號，將擺幅信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并分析得到電壓信號中的邊頻帶比值；

步驟3、重復步驟1至步驟2，得到包含不同角速度電激勵信號的至少兩個調(diào)制信號及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個調(diào)制信號中電激勵信號的角速度及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值，得到電激勵信號的角速度與所述電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系；

陀螺儀基于電激勵信號的角速度與所述電壓信號中的邊頻帶比值之間存在的非線性關系，得到校準的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

本發(fā)明還公開了一種陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量方法，包括以下步驟：

步驟1、調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器產(chǎn)生包括驅(qū)動信號和電激勵信號的調(diào)制信號；陀螺儀在驅(qū)動信號的作用下諧振，陀螺儀中的質(zhì)量塊在電激勵信號的作用下產(chǎn)生擺幅；

步驟2、檢測及分析電路檢測擺幅并轉(zhuǎn)換為電壓信號，頻譜分析儀分析得到電壓信號中的邊頻帶比值；

步驟3、重復步驟1至步驟2，產(chǎn)生包括不同角速度電激勵信號的調(diào)制信號、至少兩個不同的擺幅及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值；

步驟4、根據(jù)至少兩個不同的擺幅及相對應的至少兩個不同的邊頻帶比值，得到擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系；

當陀螺儀中的質(zhì)量塊在除電激勵信號外的其他外界環(huán)境作用下產(chǎn)生擺幅時，根據(jù)此時分析得到的電壓信號中的邊頻帶比值、以及步驟4中得到的擺幅與電壓信號中的邊頻帶比值的非線性關系，即可得到此時陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅值。

在本發(fā)明的一些實施例中，提出一種陀螺儀中質(zhì)量塊擺幅的測量裝置，該裝置的電路包括：

mems梳齒狀振動陀螺儀的輸入電信號，該輸入電信號包括驅(qū)動信號和電激勵信號。本方案采用兩自由度的硅基微機械梳齒狀陀螺儀，在忽略結(jié)構(gòu)誤差、頻率失調(diào)、外部環(huán)境變化的前提下可以推導出適用于兩自由度陀螺儀的動力學運動方程，采用本實施例設計的電激勵信號作用于陀螺儀得到的擺幅與高精度轉(zhuǎn)臺作用于陀螺儀得到的擺幅相同，即用電激勵信號可以代替高精度轉(zhuǎn)臺用于陀螺儀標定校準。

平板電容檢測模塊：本實施例針對梳齒狀陀螺儀的結(jié)構(gòu)設計了平板電容檢測模塊，利用平行板電容的非線性來消除跨阻放大器、電阻以及增益對擺幅測量精度的影響。在平板電容輸出信號中有多重諧波，每一個諧波都包含機械運動信息，理論推導發(fā)現(xiàn)各個諧波之間的比值與質(zhì)量塊的擺幅直接相關，因此可以采用各個諧波之間的比值來測量擺幅。

信號處理電路主要包括跨阻放大器和頻譜分析儀?？缱璺糯笃鲗⑵桨咫娙輽z測模塊的輸出電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓，并進行放大；頻譜分析儀主要是分析輸出電壓信號的頻譜特性并計算相鄰邊頻帶的比值。

通過調(diào)節(jié)輸入電信號中電激勵信號的角速度，可得到多個陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值的組合，根據(jù)該多個組合即可推導得出陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值的函數(shù)關系。在陀螺儀在工作模態(tài)時，分析得到該工作模態(tài)下的邊頻帶比值，再根據(jù)陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值的函數(shù)關系，即可推算出當前工作模態(tài)下，陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅大小，完成陀螺儀中質(zhì)量塊擺幅的測量。

在本發(fā)明的一些實施例中，提出一種mems梳齒狀陀螺儀自校準方法，該方法采用輸入電信號中的電激勵信號代替高精度物理轉(zhuǎn)臺，來對陀螺儀進行自校準，并采用邊頻帶比值的方法精確測量質(zhì)量快的擺幅。陀螺儀在驅(qū)動信號作用下處于驅(qū)動模態(tài)，質(zhì)量塊在豎直方向上沒有擺幅，將陀螺儀放置在高精度物理轉(zhuǎn)臺上時陀螺儀的質(zhì)量塊由于受到科里奧利力的作用會在豎直方向上產(chǎn)生一個擺幅。實驗發(fā)現(xiàn)在沒有高精度轉(zhuǎn)臺時對陀螺儀施加合適的電激勵信號，也會使陀螺儀來豎直方向上產(chǎn)生一個基本相同擺幅，該偏移量與高精度轉(zhuǎn)臺下產(chǎn)生的偏移量僅相差一個與陀螺儀振動模態(tài)相關的常數(shù)。因此可以采用電激勵信號對陀螺儀進行自校準，為了對陀螺儀的擺幅信號進行精確測量，本實施例采用平行板電容進行測量，利用平行板電容的非線性消除跨阻放大器、電壓、電阻對擺幅測量的影響。平行板電容器的輸出信號先要經(jīng)過跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號，最后用頻譜分析儀測量邊頻帶之間的比值。通過不斷改變電激勵信號的角速度的大小，并記錄不同角速度下系統(tǒng)輸出的邊頻帶比值的大小，繪制出角速度與邊頻帶比值的關系曲線，根據(jù)此非線性關系，即可對陀螺儀測量得到的外界環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度進行校準。

為了說明本發(fā)明公開的陀螺儀自校準及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置及方法，完成陀螺儀自校準和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量的可行性，以下通過具體電路進行說明。

1、采用高精度物理轉(zhuǎn)臺進行標定校準

如圖1所示，是mems陀螺儀在在采用高精度物理轉(zhuǎn)臺進行標定校準時的整體電路圖，該電路由信號發(fā)生器1、mems梳齒狀陀螺儀2、高精度轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)3、電容檢測模塊4、跨阻放大器5和頻譜分析儀6組成。信號發(fā)生器1產(chǎn)生作用于mems梳齒狀陀螺儀2的驅(qū)動信號，使陀螺儀產(chǎn)生正弦諧振運動；高精度轉(zhuǎn)臺3產(chǎn)生一定旋轉(zhuǎn)角速度作用于mems梳齒狀陀螺儀2，電容檢測模塊4用于精確檢測陀螺儀中質(zhì)量塊在豎直方向上的擺幅，并輸出電流信號；跨阻放大器5用于將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，而頻譜分析儀6是用來分析電壓信號中相鄰邊頻帶之間的比值。在此狀態(tài)下，mems梳齒狀陀螺儀2處于高階諧振模態(tài)，其豎直方向上的動力學方程為：

方程中y是陀螺儀中的質(zhì)量塊在豎直方向上的擺幅，w是正弦驅(qū)動信號的頻率，q是陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)，λ是與陀螺儀類型相關的常量，λ的關系式為λ＝2n/(n²+1)，n為陀螺儀包含的簡并對的個數(shù)。ω為高精度物理轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角速度，f是常量。解上述微分方程組得：

其中θ1表示采用高精度物理轉(zhuǎn)臺進行標定校準時檢測到的擺幅信號的相移；a1是一個與旋轉(zhuǎn)角速度ω相關的量。

2、采用電激勵信號進行自校準

如圖2所示，是mems陀螺儀采用電激勵信號進行自校準時的整體電路圖，該電路包括：信號發(fā)生器7，mems梳齒狀陀螺儀2，平板電容8、跨阻放大器5以及頻譜分析儀6。

其中，信號發(fā)生器7的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，信號發(fā)生器7產(chǎn)生的調(diào)制信號為fsin(w+ω′)t，以此調(diào)制信號作為陀螺儀系統(tǒng)的輸入。如圖3所示，此調(diào)制信號由兩路信號經(jīng)加法器8整合得到，其中一路由經(jīng)由第一移相器9的驅(qū)動信號fcos(wt)和電激勵信號cos(ω′t)經(jīng)第一乘法器10相乘得到；其中另一路由驅(qū)動信號fcos(wt)和經(jīng)由第二移相器11的電激勵信號cos(ω′t)經(jīng)第二乘法器12相乘得到。在此狀態(tài)下，mems梳齒狀陀螺儀2的動力學微分方程為：

其中，方程中y是陀螺儀中的質(zhì)量塊在豎直方向上的擺幅，w是正弦驅(qū)動信號的頻率，q是陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)，λ是與陀螺儀類型相關的常量，λ的關系式為λ＝2n/(n²+1)，n為陀螺儀包含的簡并對的個數(shù)。ω′為電激勵信號的角速度，f是常量。解上述微分方程，得到如下表達式：

從上式可以看出，陀螺儀中質(zhì)量塊的擺幅大小與電激勵信號的角速度直接相關，其中，θ2表示采用電激勵信號進行自校準時檢測到的擺幅信號的相移；a2是一個與電激勵信號的角速度ω′相關的量：

從上述分析可知，在電激勵信號作用下，陀螺儀中的質(zhì)量塊在豎直方向上也會產(chǎn)生一個擺幅，通過對比陀螺儀在采用高精度轉(zhuǎn)臺和電激勵信號進行校準時的擺幅公式，可以看出在高精度物理旋轉(zhuǎn)和電激勵信號作用下，陀螺儀中質(zhì)量塊產(chǎn)生的擺幅大小基本相同，唯一不同點是λ，該值是與陀螺儀的運動狀態(tài)相關的常數(shù)。因此在陀螺儀的標定校準過程中可以用電激勵信號代替高精度轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)。

以下對本發(fā)明一實施例提出的陀螺儀自校準及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置及方法，進行自校準和擺幅測量的原理進行說明。

本實施例提出一種陀螺儀自校準及陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置及方法，其中陀螺儀自校準裝置和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置相同，陀螺儀自校準方法和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量方法采用本實施例提出的裝置實施。

其中，如圖2所示，陀螺儀自校準裝置和陀螺儀質(zhì)量塊擺幅測量裝置包括：信號發(fā)生器7，mems梳齒狀陀螺儀2，平板電容8、跨阻放大器5以及頻譜分析儀6。

在正弦驅(qū)動信號和電激勵信號作用下質(zhì)量塊會在y軸方向上產(chǎn)生擺幅，擺幅大小如公式(2-2)所示。

由于質(zhì)量的擺幅運動會在平板電容8上產(chǎn)生感測電容cs，感測電容cs與擺幅y的關系可表示為

其中，ε是介電常數(shù)，a是平行板電容的面積，g為平行板電容的初始間距。從式(3-1)中可以看出，y(t)的相位在后續(xù)計算中沒有作用，因此不再考慮相位的影響。將感測電容轉(zhuǎn)換為傅里葉級數(shù)得到公式(3-2)，

其中函數(shù)pi(y)(即p2k(y)和p2k+1(y))為電容cs中與運動頻率相關的多個諧波的振幅，函數(shù)pi(y)的幾何級數(shù)可表示為：

其中，p0(y)為陀螺儀輸出電壓信號能量譜中主瓣的高度。

則平板電容在輸出端產(chǎn)生的電流i(t)為：

其中，is(t)為平板電容因為間距發(fā)生變化而引起的電流；vs為平板電容上的感應電壓。輸出電流經(jīng)過跨阻放大器5，由于跨阻放大器的電阻為r，則跨阻放大器的輸出電壓為：

v＝-ri；(3-5)

推導得出輸出電壓中的多個邊頻帶的振幅由下式表示：

其中，w為電信號的驅(qū)動頻率也是陀螺儀的諧振頻率。ωc和ωd分別表示輸出電壓能量譜中主瓣對應的頻率和第一旁瓣對應的頻率。此時將邊頻帶的擺幅進行歸一化處理，即將各個邊頻帶的擺幅與函數(shù)pi(y)相除得到相鄰邊頻帶比值r(y)，該相鄰邊頻帶的表達式如下所示：

則相鄰邊頻帶比值r(y)與陀螺儀質(zhì)量塊的振幅值還可以表示為：

由公式(3-7)和公式(3-8)可知，陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅與邊頻帶比值直接相關。

結(jié)合公式(2-2)給出的電激勵信號的角速度與陀螺儀質(zhì)量塊擺幅的關系，可以得知電激勵信號的角速度與邊頻帶的比值直接相關，結(jié)合公式(2-3)，兩者關系可表示為：

綜合上述描述可知，本實施例的電激勵信號能使陀螺儀的質(zhì)量塊產(chǎn)生一個擺幅，而且該擺幅與高精度轉(zhuǎn)臺作用下得到的擺幅基本相同，僅相差一個常量。陀螺儀的質(zhì)量塊的擺幅與電激勵信號的角速度直接相關，而通過平板電容及頻譜分析儀得到的邊頻帶比值又與陀螺儀質(zhì)量塊的擺幅大小成比例關系，因此可得出邊頻帶比值與電激勵信號的角速度也存在確定的非線性關系，如公式(3-9)所示，。

本實施例提出的陀螺儀自校準裝置，通過不斷調(diào)整電激勵信號的頻率(角速度)，并記錄不同角速度下頻譜分析儀測得的邊頻帶比值，繪制陀螺儀系統(tǒng)輸入和輸出的關系曲線，即可實現(xiàn)陀螺儀的自校準。在陀螺儀測量未知環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度時，可以根據(jù)陀螺儀系統(tǒng)測得的邊頻帶比值，和繪制陀螺儀系統(tǒng)輸入和輸出的關系曲線，即可得到此時環(huán)境的旋轉(zhuǎn)角速度。

本實施例針對mems陀螺儀精度不高，而且校準需要高精度轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，操作復雜、成本高的問題，以mems梳齒狀陀螺儀為研究對象，提出了適用于mems陀螺儀的基于擺幅測量的自校準方案。本發(fā)明采用輸入電信號代替高精度轉(zhuǎn)臺，簡化了校準流程，節(jié)省成本；針對電容檢測模塊本發(fā)明采用創(chuàng)新型的平行板電容檢測方式結(jié)合頻譜分析儀來測量擺幅，使測量的擺幅不受電學原件參數(shù)改變的影響，測量的結(jié)果更精確。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。