專利名稱：硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)和微慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀的閉環(huán)檢測(cè)控制裝置及其應(yīng)用方法。
背景技術(shù)：
陀螺儀發(fā)展過程大致經(jīng)過框架式陀螺儀、液浮和氣浮陀螺、動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀、靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和振動(dòng)陀螺(硅微機(jī)械陀螺儀)等。動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀由于精度較高，零偏穩(wěn)定性在0. 001° Γ/h，成為國(guó)內(nèi)目前最主要的陀螺儀之一，應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到80%左右，但由于其結(jié)構(gòu)、材料和加工特性直接造成了它抗沖擊性能較差、啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)和成本較高，尤其是其相對(duì)較大的體積限制了它在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，雖然光纖陀螺和激光陀螺的精度已經(jīng)達(dá)到甚至超過動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀，但是它們體積較大，價(jià)格昂貴，從幾萬到幾十萬美元不等，相比動(dòng)力調(diào)諧陀螺不具有太大優(yōu)勢(shì)。而后續(xù)出現(xiàn)的硅微機(jī)械陀螺儀，雖然具有體積小、重量輕、低成本、低能耗、高可靠性、易于智能化和數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，但是受制于加工工藝和集成電路信號(hào)處理能力，硅微陀螺儀目前還處于1° 100°/h的中低精度階段，要實(shí)現(xiàn)中高精度還需要一個(gè)較長(zhǎng)發(fā)展過程。因此，市場(chǎng)應(yīng)用迫切需求一種體積較小、價(jià)格較低，而性能指標(biāo)與昂貴的機(jī)電陀螺儀相當(dāng)?shù)男滦屯勇輧x。硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀的研究正是為了滿足這一應(yīng)用需求。硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀技術(shù)是在撓性陀螺儀技術(shù)和硅微機(jī)械陀螺儀技術(shù)逐步成熟的基礎(chǔ)上新發(fā)展起來的高新技術(shù)。硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀最初是2003年由美國(guó)德雷鉬(Charies Stark Draper Lab.簡(jiǎn)稱 CSDDLyle J. Jenkins等人提出來的，但僅進(jìn)行了初步的理論探討。目前，關(guān)于硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀的相關(guān)報(bào)道較少，東南大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開展硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀研究的單位， 其結(jié)構(gòu)可參考公告號(hào)為CN 100392353C的專利文件中的相關(guān)描述。硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀由微型電機(jī)、轉(zhuǎn)子體、信號(hào)器、力矩器等組成，微型電機(jī)由傳統(tǒng)精密機(jī)械加工或微機(jī)電加工技術(shù)加工而成，主要用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子體高速旋轉(zhuǎn)，以獲得較大動(dòng)量矩；轉(zhuǎn)子體、信號(hào)器、力矩器采用體硅加工工藝加工而成，轉(zhuǎn)子體上設(shè)有上下極板。傳統(tǒng)的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀調(diào)諧一般通過精密機(jī)械加工技術(shù)反復(fù)調(diào)整扭桿的正剛度系數(shù)、平衡環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。而硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀由于硅薄片式平衡環(huán)既小又薄，由平衡環(huán)產(chǎn)生的負(fù)彈性力矩量級(jí)很小，僅相當(dāng)于扭桿正彈性力矩10_5，因此， 在硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀中無法采用傳統(tǒng)的方式來調(diào)諧。其次，在采用傳統(tǒng)的開環(huán)檢測(cè)方式進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，理想條件下(無殘余剛度)，外界輸入角速度的作用將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸的不斷進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，無法進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，并且進(jìn)動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子甚至?xí)c殼壁相碰，而失去測(cè)量功能；而在有殘余剛度存在時(shí)，開環(huán)檢測(cè)也存在測(cè)量范圍小、非線性大、信號(hào)檢測(cè)易受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)等開環(huán)系統(tǒng)參數(shù)變化的影響。而且，傳統(tǒng)的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀大多采用電感信號(hào)器和動(dòng)鐵式力矩器，不僅體積大、重量重(例如力矩器磁鋼)，而且在較高速率下工作時(shí)發(fā)熱量很大等缺點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)新型硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀提供一種基于再平衡技術(shù)的閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，解決對(duì)硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀進(jìn)行調(diào)諧的難題，使信號(hào)檢測(cè)受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)變化的影響較小。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為一種硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)裝置，包括信號(hào)器、力矩器、信號(hào)處理模塊；其特征是，所述信號(hào)器為電容信號(hào)器，包括 2對(duì)信號(hào)檢測(cè)電極；力矩器為電容力矩器，包括2對(duì)力矩反饋電極；各電極的極板均平行于陀螺儀轉(zhuǎn)子設(shè)置；1對(duì)信號(hào)檢測(cè)電極對(duì)應(yīng)1對(duì)力矩反饋電極，用于陀螺儀上1個(gè)軸的信號(hào)檢測(cè)和力矩反饋；所述信號(hào)處理模塊包括調(diào)制載波信號(hào)、預(yù)載高壓、前置放大電路、信號(hào)解調(diào)電路、 差分放大電路和交直流疊加電路；調(diào)制載波信號(hào)為2對(duì)，每1對(duì)中的2個(gè)調(diào)制載波信號(hào)頻率相同、幅值相同、相位相反；信號(hào)檢測(cè)電極檢測(cè)到的兩軸信號(hào)通過前置放大電路進(jìn)行放大，后通過信號(hào)解調(diào)電路對(duì)兩軸信號(hào)以相應(yīng)的基波為參考進(jìn)行信號(hào)解調(diào)；解調(diào)后的兩軸檢測(cè)信號(hào)分別輸入至兩個(gè)差分放大電路的同向輸入端和反向輸入端；同時(shí)預(yù)載高壓分別輸入至上述兩個(gè)差分放大電路的同向輸入端；差分放大電路的輸出端輸出反饋電壓信號(hào)；2個(gè)反饋電壓信號(hào)通過交直流疊加電路與1對(duì)反相的調(diào)制載波信號(hào)進(jìn)行疊加，然后輸出至相應(yīng)的力矩反饋電極。反饋電壓可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能其一為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，其二為實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度調(diào)諧 預(yù)載高壓作用在信號(hào)器的平面檢測(cè)電容上，在靜電力作用下，將產(chǎn)生靜電負(fù)剛度，該靜電負(fù)剛度與硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀的扭桿正剛度相反；因此通過調(diào)整預(yù)載高壓的大小，可以調(diào)節(jié)靜電負(fù)剛度的大小。作為一種改進(jìn)，信號(hào)處理模塊中還包括帶通選頻電路，帶通選頻電路的信號(hào)輸入端連接前置放大電路的信號(hào)輸出端；帶通選頻電路的信號(hào)輸出端連接信號(hào)解調(diào)電路的輸入端。具體的，帶通選頻電路采用多重反饋型帶通濾波電路，用于分離兩敏感軸的電容檢測(cè)信號(hào)，其可采用現(xiàn)有的相關(guān)功能模塊或利用現(xiàn)有成熟電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為一種改進(jìn)，信號(hào)處理模塊中還包括低通濾波電路，低通濾波電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，低通濾波電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。具體的，信號(hào)解調(diào)電路為相敏解調(diào)電路，低通濾波電路與相敏解調(diào)電路皆可采用現(xiàn)有的電路模塊也可采用現(xiàn)有成熟電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)，共同構(gòu)成信號(hào)解調(diào)環(huán)節(jié)，將調(diào)制后的電容信號(hào)與噪聲信號(hào)分離。作為一種改進(jìn)，信號(hào)處理模塊中還包括陷波電路，陷波電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，陷波電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。具體的，陷波電路可采用現(xiàn)有的相關(guān)電路模塊或者利用現(xiàn)有成熟電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于陀螺轉(zhuǎn)子與其自身上下電容極板間不可能絕對(duì)平行，因此陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同的交流干擾，陷波電路用于抑制由陀螺儀轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交流干擾。作為一種改進(jìn)，信號(hào)處理模塊中還包括校正電路，校正電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，校正電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。具體的，校正電路可采用現(xiàn)有的相關(guān)電路模塊或者利用現(xiàn)有成熟電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其用于改善開環(huán)系統(tǒng)的幅值裕度和相角裕度特性。[0014]作為一種改進(jìn)，信號(hào)處理模塊中還包括解耦電路，解耦電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，解耦電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。具體的，兩軸的校正后檢測(cè)信號(hào)同時(shí)輸入至解耦電路中，進(jìn)行解耦運(yùn)算消除彼此影響后得到更精確的反饋信號(hào)。解耦電路可采用現(xiàn)有的相關(guān)電路模塊或者利用現(xiàn)有成熟電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的，所述信號(hào)處理模塊中的前置放大電路采用公共端差分型前置放大電路， 用于放大兩敏感軸的電容檢測(cè)信號(hào)，其可采用現(xiàn)有的相關(guān)功能模塊或利用現(xiàn)有成熟電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的，所述2對(duì)載波信號(hào)的頻率不同，每1對(duì)中的2個(gè)載波信號(hào)為通過1個(gè)基波信號(hào)源分別連接同相放大器和反相放大器輸出得到。使用不同的兩個(gè)載波信號(hào)對(duì)電容檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制及解調(diào)，更加便于區(qū)分兩軸的敏感檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)抑制周圍寄生效應(yīng)的影響。 基波信號(hào)源可由現(xiàn)有的相關(guān)信號(hào)源器件提供。優(yōu)選的，所述校正電路包括兩級(jí)運(yùn)算放大器，第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端即校正電路的信號(hào)輸入端；第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端連接第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端；第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端即校正電路的信號(hào)輸出端；兩級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端與信號(hào)輸出端之間跨接有T型電路。在應(yīng)用時(shí)可通過設(shè)置運(yùn)算放大器的增益放大倍數(shù)，調(diào)整零極點(diǎn)來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。優(yōu)選的，本實(shí)用新型的解耦電路采用對(duì)角線解耦，將系統(tǒng)解耦成兩個(gè)二型二階系統(tǒng)，解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求1.一種硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)裝置，包括信號(hào)器、力矩器、信號(hào)處理模塊；其特征是，所述信號(hào)器為電容信號(hào)器，包括2對(duì)信號(hào)檢測(cè)電極；力矩器為電容力矩器，包括2對(duì)力矩反饋電極；各電極的極板均平行于陀螺儀轉(zhuǎn)子設(shè)置；1對(duì)信號(hào)檢測(cè)電極對(duì)應(yīng)1對(duì)力矩反饋電極，用于敏感陀螺儀上1個(gè)軸的輸入角速度和平衡輸入力矩；所述信號(hào)處理模塊包括調(diào)制載波信號(hào)、預(yù)載高壓、前置放大電路、信號(hào)解調(diào)電路、差分放大電路和交直流疊加電路；調(diào)制載波信號(hào)為2對(duì)，每1對(duì)中的2個(gè)調(diào)制載波信號(hào)頻率相同、幅值相同、相位相反；信號(hào)檢測(cè)電極檢測(cè)到的兩軸信號(hào)通過前置放大電路進(jìn)行放大，后通過信號(hào)解調(diào)電路對(duì)兩軸信號(hào)，以相應(yīng)的基波為參考進(jìn)行信號(hào)解調(diào)；解調(diào)后的兩軸檢測(cè)信號(hào)分別輸入至兩個(gè)差分放大電路的同向輸入端和反向輸入端；同時(shí)預(yù)載高壓分別輸入至上述兩個(gè)差分放大電路的同向輸入端；差分放大電路的輸出端輸出反饋電壓信號(hào)，輸出的反饋電壓信號(hào)通過交直流疊加電路與一對(duì)反相的調(diào)制載波信號(hào)疊加，然后輸出至力矩反饋電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，信號(hào)處理模塊中還包括帶通選頻電路，帶通選頻電路的信號(hào)輸入端連接前置放大電路信號(hào)輸出端；帶通選頻電路的信號(hào)輸出端連接信號(hào)解調(diào)電路輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，信號(hào)處理模塊中還包括低通濾波電路，低通濾波電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，低通濾波電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，信號(hào)處理模塊中還包括陷波電路，陷波電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，陷波電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，信號(hào)處理模塊中還包括校正電路，校正電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，校正電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，信號(hào)處理模塊中還包括解耦電路，解耦電路的信號(hào)輸入端連接信號(hào)解調(diào)電路的信號(hào)輸出端，解耦電路的信號(hào)輸出端連接差分放大電路的信號(hào)輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，2對(duì)載波信號(hào)的頻率不同，每1對(duì)中的2個(gè)載波信號(hào)為通過1個(gè)基波信號(hào)源分別連接同相放大器和反相放大器輸出得到。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，所述校正電路包括兩級(jí)運(yùn)算放大器，第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端即校正電路的信號(hào)輸入端； 第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端連接第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端；第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端即校正電路的信號(hào)輸出端；兩級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端與信號(hào)輸出端之間跨接有T 型電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)控制裝置，其特征是，所述解耦電路采用對(duì)角線解耦，將系統(tǒng)解耦成兩個(gè)二型二階系統(tǒng)，解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為
專利摘要本實(shí)用新型公開一種硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀閉環(huán)檢測(cè)裝置，其包括信號(hào)器、力矩器和信號(hào)處理模塊；信號(hào)器包括2對(duì)信號(hào)檢測(cè)電極；力矩器包括2對(duì)力矩反饋電極；分別用于敏感陀螺儀上2個(gè)軸的輸入角速度和平衡輸入力矩。信號(hào)處理模塊包括調(diào)制載波信號(hào)、預(yù)載高壓、前置放大電路、信號(hào)解調(diào)電路、差分放大電路和交直流疊加電路。信號(hào)檢測(cè)電極檢測(cè)到的兩軸信號(hào)通過前置放大后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)；每個(gè)解調(diào)后檢測(cè)信號(hào)分別通過兩個(gè)差分放大電路，與預(yù)載高壓進(jìn)行同相和反相運(yùn)算后放大輸出，輸出的反饋電壓信號(hào)通過交直流疊加電路與一對(duì)反相調(diào)制載波信號(hào)疊加，然后輸出至力矩反饋電極。本實(shí)用新型采用電容檢測(cè)和靜電力反饋形式解決了硅微動(dòng)調(diào)混合陀螺儀的調(diào)諧難題。
文檔編號(hào)G01C25/00GK202119447SQ20112022403
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者李坤宇, 李宏生, 楊波, 王壽榮, 薛海燕, 黃麗斌 申請(qǐng)人:東南大學(xué)