閉環(huán)式哥氏力等效信號(hào)發(fā)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及硅微機(jī)械陀螺儀的動(dòng)態(tài)標(biāo)定技術(shù)，具體是一種閉環(huán)式哥氏力等效 信號(hào)發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微機(jī)械陀螺儀是一種采用哥氏效應(yīng)原理敏感載體輸入角速率信息的傳感器，其 具有體積小、功耗低、重量輕、成本低、抗過(guò)載特性強(qiáng)、易于集成化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，并廣 泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域（比如慣性導(dǎo)航、汽車(chē)安全、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等）。如圖1-圖3所示， 工作在閉環(huán)檢測(cè)狀態(tài)下的硅微機(jī)械陀螺儀包括陀螺結(jié)構(gòu)、陀螺測(cè)控電路。所述陀螺結(jié)構(gòu)包 括驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)、檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)。所述檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)包括檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)、哥氏質(zhì)量、檢測(cè) 位移提取結(jié)構(gòu)。所述陀螺測(cè)控電路包括驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路、檢測(cè)閉環(huán)回路。所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路 包括驅(qū)動(dòng)前級(jí)放大接口、驅(qū)動(dòng)次級(jí)放大器、90°移相器、整流器、驅(qū)動(dòng)低通濾波器、驅(qū)動(dòng)位移 工作點(diǎn)設(shè)置裝置、驅(qū)動(dòng)比較器、驅(qū)動(dòng)位移控制器、驅(qū)動(dòng)調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)直流信號(hào)疊加裝置。所述 檢測(cè)閉環(huán)回路包括檢測(cè)前級(jí)放大接口、檢測(cè)次級(jí)放大器、解調(diào)器、第一低通濾波器、檢測(cè)閉 環(huán)控制器。硅微機(jī)械陀螺儀的工作模態(tài)包含驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)。工作時(shí)，向硅微機(jī)械陀 螺儀的哥氏質(zhì)量施加輸入角速率信號(hào)，則硅微機(jī)械陀螺儀的檢測(cè)閉環(huán)回路產(chǎn)生輸出信號(hào)。
[0003] 工作在閉環(huán)檢測(cè)狀態(tài)下的硅微機(jī)械陀螺儀的動(dòng)力方程為：
[0005] 式（A1)中：x為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的位移；ωχ為硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振角頻 率；QX為硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)；Fdx為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)所受的驅(qū)動(dòng)力；mx為驅(qū) 動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；kx為驅(qū)動(dòng)模態(tài)等效剛度；cx為驅(qū)動(dòng)模態(tài)等效阻尼；Fd為驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū) 動(dòng)力幅度為驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)力的角頻率（通常有ωd=ωx) ;y為檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)的位移； ?y為硅微機(jī)械陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的諧振角頻率；Qy為硅微機(jī)械陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)； Ωz為硅微機(jī)械陀螺儀的輸入角速率；ky為檢測(cè)模態(tài)等效剛度；my為檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì) 量；cyS檢測(cè)模態(tài)等效阻尼；F。為哥氏力；Ff為檢測(cè)反饋力。
[0006] 由于硅微機(jī)械陀螺儀通常采用真空封裝，致使硅微機(jī)械陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的品質(zhì)因 數(shù)很大（在2000以上），因此對(duì)式（A1)進(jìn)一步求解可得：
[0007]
[0008]
[0009] 式（A2)-(A3)中：x為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的位移；AX為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)幅度；ωd為 驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)力的角頻率；FdS驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)力幅度；mx為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；ωx 為硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振角頻率；QX為硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)；y 為檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)的位移；Ωz為硅微機(jī)械陀螺儀的輸入角速率；ω￥為硅微機(jī)械陀螺儀檢測(cè) 模態(tài)的諧振角頻率；Qy為硅微機(jī)械陀螺儀檢測(cè)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)式（Α1)_(Α3)可知， 哥氏力的相位取決于驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的位移的導(dǎo)數(shù)，即哥氏力的相位與驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的位移 的相位相差90°，且驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)所受的驅(qū)動(dòng)力的相位與驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的位移的相位相差 90。。
[0010] 由于硅微機(jī)械陀螺儀具有批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)標(biāo)定成為其應(yīng)用過(guò)程中的重 要環(huán)節(jié)。所述動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要包括：標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)定、帶寬的標(biāo)定、標(biāo)度因數(shù)對(duì)稱性的標(biāo)定、 標(biāo)度因數(shù)非線性度的標(biāo)定、標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性的標(biāo)定。目前，硅微機(jī)械陀螺儀的動(dòng)態(tài)標(biāo)定通常 采用轉(zhuǎn)臺(tái)或角振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行。實(shí)踐表明，此種標(biāo)定方法存在如下問(wèn)題：其一，轉(zhuǎn)臺(tái)或角振動(dòng)臺(tái) 在運(yùn)行中產(chǎn)生的誤差和干擾會(huì)對(duì)標(biāo)定結(jié)果造成直接和間接的影響，由此導(dǎo)致標(biāo)定結(jié)果不準(zhǔn) 確。其二，在標(biāo)定過(guò)程中，需要反復(fù)進(jìn)行硅微機(jī)械陀螺儀與臺(tái)面之間的安裝和拆卸，由此導(dǎo) 致標(biāo)定過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。其三，此種標(biāo)定方法無(wú)法同時(shí)對(duì)多個(gè)硅微機(jī)械陀螺儀進(jìn)行批量化動(dòng) 態(tài)標(biāo)定，由此導(dǎo)致標(biāo)定效率低下。
[0011] 基于此，有必要針對(duì)工作在閉環(huán)檢測(cè)狀態(tài)下的硅微機(jī)械陀螺儀發(fā)明一種全新的硅 微機(jī)械陀螺儀動(dòng)態(tài)標(biāo)定裝置，以解決現(xiàn)有硅微機(jī)械陀螺儀動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法存在的上述問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本實(shí)用新型為了解決現(xiàn)有硅微機(jī)械陀螺儀動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法標(biāo)定結(jié)果不準(zhǔn)確、標(biāo)定過(guò) 程費(fèi)時(shí)費(fèi)力、標(biāo)定效率低下的問(wèn)題，提供了一種閉環(huán)式哥氏力等效信號(hào)發(fā)生裝置。
[0013] 本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：閉環(huán)式哥氏力等效信號(hào)發(fā)生裝置，包括 調(diào)制器、檢測(cè)直流信號(hào)疊加裝置、反相器、反相加法器；
[0014] 所述調(diào)制器包括AD633乘法器、第一電阻、第二電阻；
[0015] 所述檢測(cè)直流信號(hào)疊加裝置包括第一電容、第五電阻；
[0016] 所述反相器包括第一運(yùn)算放大器、第七電阻、第八電阻；
[0017] 所述反相加法器包括第二運(yùn)算放大器、第九電阻、第十電阻、第十一電阻；
[0018]AD633乘法器的1號(hào)引腳與90°移相器的輸出端連接；AD633乘法器的2號(hào)引腳接 地；AD633乘法器的3號(hào)引腳與負(fù)供電電壓連接；AD633乘法器的4號(hào)引腳通過(guò)第一電阻接 地；AD633乘法器的5號(hào)引腳依次通過(guò)第二電阻、第一電阻接地；AD633乘法器的5號(hào)引腳通 過(guò)第一電容與檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)的輸入端連接;AD633乘法器的5號(hào)引腳依次通過(guò)第一電容、 第五電阻與直流電壓基準(zhǔn)連接；AD633乘法器的6號(hào)引腳與正供電電壓連接；AD633乘法器 的7號(hào)引腳依次通過(guò)第十一電阻、第九電阻、第八電阻、第七電阻與外接信號(hào)源的輸出端連 接；AD633乘法器的7號(hào)引腳依次通過(guò)第十一電阻、第九電阻、第八電阻與第一運(yùn)算放大器 的負(fù)輸入端連接;AD633乘法器的7號(hào)引腳依次通過(guò)第十一電阻、第九電阻與第一運(yùn)算放大 器的輸出端連接；第一運(yùn)算放大器的正輸入端接地；AD633乘法器的7號(hào)引腳依次通過(guò)第 十一電阻、第十電阻與檢測(cè)閉環(huán)控制器的輸出端連接；AD633乘法器的7號(hào)引腳通過(guò)第十一 電阻與第二運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接；AD633乘法器的7號(hào)引腳與第二運(yùn)算放大器的輸 出端連接；第二運(yùn)算放大器的正輸入端接地；AD633乘法器的8號(hào)引腳接地。
[0019] 具體使用過(guò)程如下：
[0020] 1)各個(gè)硅微機(jī)械陀螺儀均采用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路；驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)位 移信號(hào)，并將驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路；驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路根據(jù)驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)產(chǎn)生驅(qū) 動(dòng)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)，并將驅(qū)動(dòng)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)輸出至驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)的頻率 與驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振角頻率相等，并使得驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)的幅值保持恒定；驅(qū)動(dòng)模態(tài)激勵(lì)信號(hào) 的具體產(chǎn)生步驟如下：
[0021] 驅(qū)動(dòng)前級(jí)放大接口對(duì)驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)進(jìn)行提取和初步放大；
[0022] 驅(qū)動(dòng)次級(jí)放大器對(duì)驅(qū)動(dòng)前級(jí)放大接口的輸出信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大；
[0023] 90°移相器對(duì)驅(qū)動(dòng)次級(jí)放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；具體轉(zhuǎn)換公式如下：
[0024]XDEM=Vdacsin(〇dt) (A4)；
[0025] 式（A4)中：XDEM為90°移相器的輸出信號(hào)；Vda。為驅(qū)動(dòng)次級(jí)放大器的輸出信號(hào)； ?,為驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)力的角頻率；
[0026] 整流器對(duì)90°移相器的輸出信號(hào)進(jìn)行整流；
[0027] 驅(qū)動(dòng)低通濾波器對(duì)整流器的輸出信號(hào)的幅值信號(hào)進(jìn)行提??；
[0028] 驅(qū)動(dòng)比較器對(duì)驅(qū)動(dòng)低通濾波器的輸出信號(hào)和驅(qū)動(dòng)位移工作點(diǎn)設(shè)置裝置的輸出信 號(hào)進(jìn)行比較；
[0029] 驅(qū)動(dòng)位移控制器根據(jù)驅(qū)動(dòng)比較器的輸出信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)；
[0030] 驅(qū)動(dòng)調(diào)制器以90°移相器的輸出信號(hào)為基準(zhǔn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)位移控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制；
[0031] 驅(qū)動(dòng)直流信號(hào)疊加裝置對(duì)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的輸出信號(hào)進(jìn)行疊加；
[0032] 驅(qū)動(dòng)直流信號(hào)疊加裝置的輸出信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)；
[0033] 2)各個(gè)硅微機(jī)械陀螺儀共同配備一個(gè)外接信號(hào)源；各個(gè)硅微機(jī)械陀螺儀均配備 單獨(dú)的閉環(huán)式哥氏力等效信號(hào)發(fā)生裝置；
[0034] 閉環(huán)式哥氏力等效信號(hào)發(fā)生裝置根據(jù)90°移相器的輸出信號(hào)、外接信號(hào)源的輸出 信號(hào)、檢測(cè)閉環(huán)控制器的輸出信號(hào)產(chǎn)生哥氏力等效信號(hào)，并將哥氏力等效信號(hào)輸出至檢測(cè) 力反饋結(jié)構(gòu)；哥氏力等效信號(hào)的具體產(chǎn)生公式如下：
[0035] Vf=VfAc+VfDc (A5)；
[0036] VfAC=XDEM*Vfadd (A6)；
[0037] Vfadd=Vftest_Vclose (A7);
[0038] 式（A5)_(A7)中：Vf為哥氏力等效信號(hào)；VfA#調(diào)制器的輸出信號(hào)；VfDC為直流電壓 基準(zhǔn)；XDEM為90°移相器的輸出信號(hào)；Vfadd為反相加法器的輸出信號(hào)；Vftest為外接信號(hào)源 的輸出信號(hào)；為檢測(cè)閉環(huán)控制器的輸出信號(hào)；
[0039] 檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)根據(jù)哥氏力等效信號(hào)產(chǎn)生檢測(cè)模態(tài)反饋力，并將檢測(cè)模態(tài)反饋力 輸出至哥氏質(zhì)量；檢測(cè)模態(tài)反饋力的具體產(chǎn)生公式如下（該公式之所以表示如下，是由于 在梳齒結(jié)構(gòu)中，靜電力大小由直流和交流施加電壓的乘積與梳齒相關(guān)參數(shù)共同決定）：
[0040] Fyf -VfDcVfAcKfBy (A8);
[0041] 式（A8)中：Fyf為檢測(cè)模態(tài)反饋力；VfDC為直流電壓基準(zhǔn)；VfAC為調(diào)制器的輸出信 號(hào)；KFBy為檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)的電壓-靜電力轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0042] 哥氏質(zhì)量根據(jù)檢測(cè)模態(tài)反饋力產(chǎn)生哥氏力等效合力，并將哥氏力等效合力輸出至 檢測(cè)位移提取結(jié)構(gòu)；哥氏力等效合力的具體產(chǎn)生公式如下：
[0043] Fceq=Fc+Fyf (A9)；
[0044] Fc= 2Axmy〇dQzsin(〇dt) (A10)；
[0045] 式（A9)-(A10)中：Freq為哥氏力等效合力；F。為哥氏力；Fyf為檢測(cè)模態(tài)反饋力；Ax 為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)幅度；my為檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；ωd為驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)力的角頻 率；Ωζ為硅微機(jī)械陀螺儀的輸入角速率；
[0046] 將式（Α4)代入式（Α6)，并結(jié)合式（Α5) - (Α10)，可得：
[0047] Fceq- [2AxmyωdΩz_VfDCVci0seKFByVdac+VfDCVftestKFByVdac]sin(ωdt) (All);
[0048] 式（All)中：為哥氏力等效合力；AX為驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)幅度；my為檢測(cè) 軸向結(jié)構(gòu)的等效質(zhì)量；為驅(qū)動(dòng)模態(tài)驅(qū)動(dòng)力的角頻率；Ωz為硅微機(jī)械陀螺儀的輸入角速 率；VfDe為直流電壓基準(zhǔn)；為檢測(cè)閉環(huán)控制器的輸出信號(hào)；KFBy為檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)的電 壓-靜電力轉(zhuǎn)換系數(shù)；Vda。為驅(qū)動(dòng)次級(jí)放大器的輸出信號(hào)；Vftast為外接信號(hào)源的輸出信號(hào)；
[0049] 根據(jù)式（All)可知，硅微機(jī)械陀螺儀的輸入