MEMS陀螺仪驱动谐振频率的温度补偿方法

微机电系统(MEMS)陀螺的模态谐振频率和品质因子具有较强的温度敏感性,使得MEMS陀螺的输出零偏随温度漂移。为了解决零偏随温度漂移问题,提出了一种基于MEMS微机械陀螺的驱动谐振频率做温度基准的零偏温度补偿方法。温度在-40～60℃范围内变化,经多次循环测量陀螺零偏,获得零偏与温度之间的变化关系,并在此基础上,对零偏进行建模分析。利用谐振频率与温度的线性关系,以驱动谐振频率为温度参考,对陀螺零偏进行实时温度补偿。实验结果表明:上电零偏稳定性由补偿前的143. 81°/h变为补偿后的26. 51°/h,降低了5. 42倍;温度在-40～60℃范围内变化,补偿前后的零偏稳定性分别为1368. 05°/h和62. 86°/h,降低了22倍。     

基于LabVIEW的石英音叉陀螺闭环驱动的实现

分析了石英音叉陀螺驱动端幅频相频特性,设计了LabVIEW控制算法,使陀螺工作在最佳频率点;首先根据机电等效理论得出陀螺等效电路中串联支路电流等效于驱动端叉指振动速度,且串联支路电流在不同频率点处对频率的敏感度不同,然后通过对陀螺进行扫频得到了陀螺驱动端幅频相频特性,最后,基于在谐振频率点附近陀螺驱动端相频特性呈线性关系,设计了LabVIEW控制算法;根据该算法.设置相位分别为0°和～4°,40min内这两个谐振频率点处驱动反馈信号的标准差分别为1.4728e-005v、1.9229e-005v(1σ),因此,0相位处为较理想工作点,设置参考相位为各个谐振频率点的对应相位,通过比较可确定陀螺的最佳谐振频率点,提高陀螺驱动端的振动稳定性.     

一种改进的振动式微机械陀螺驱动电路

采用闭环控制电路使振动式微机械陀螺驱动模态保持谐振是提高其灵敏度和稳定性的最为直接、有效的方法.基于锁相控制环路是目前振动式陀螺驱动广泛采用的控制方法之一.对包括陀螺在内的锁相环各个环节进行了建模.对各部分模型线性化处理后,推导了微机械陀螺锁相环控制电路的系统传递函数.传递函数的分析表明该系统是一个有差系统,即压控振荡器发生频率和陀螺谐振频率总是存在一定的频差.文中引入了校正环节来消除稳态误差.采用音叉电容式微机械陀螺进行了实验,转台实验显示刻度因子有所提高,表明该控制方案能够有效的提高陀螺的灵敏度及其稳定性.     

振动式微机械陀螺的带宽特性分析

对振动式微机械陀螺的带宽特性进行了讨论,以设计的一种带解耦结构的振动式微机械陀螺为模型,利用数学工具软件MATLAB对其进行了带宽特性分析.分析结果表明,对于2自由度的陀螺,驱动频率的带宽不仅与驱动模态和检测模态的频率匹配有关,而且与两个模态的阻尼匹配有关.随着驱动模态和检测模态频率匹配的降低,带宽先增加然后基本保持不变.随着驱动和检测模态阻尼匹配的降低,带宽一直减小.通过实现驱动模态与检测模态的频率匹配和阻尼匹配可以获得最大机械灵敏度和最大驱动频率带宽.     

一种高Q值硅微陀螺谐振频率快速锁定方法

提出了一种高Q值微陀螺快速锁定谐振频率的方法,可以减小其锁相环的调节时间。该方法基于高Q值微陀螺驱动模态受迫响应的瞬态分量包含谐振频率信息且持续时间长的特点,首先简要介绍了高Q值对锁相环锁定过程的影响,重点分析了其对锁频速度的影响;然后通过理论推导以及系统仿真验证了所提方法的可行性和有效性;最后基于FPGA设计了数字驱动电路,并对高Q值陀螺（Q值约为200000）进行驱动模态谐振频率锁定测试。试验结果表明,该方案可以有效控制压控振荡器（VCO）输出信号频率由初始频率迅速跳频至谐振频率附近,并由锁相环迅速锁定。     

硅微陀螺模态频率温度特性的研究

硅微机械陀螺的零位输出受温度影响较大,为提高精度,对其进行温度误差补偿很有必要,而陀螺表头真空封装后内部温度难以直接测量.通过研究模态频率与温度之间的关系,发现驱动轴谐振频率与温度之间存在很好的线性相关性,同时具有很好的温度重复性.由于谐振频率的精度很高,所以用谐振频率测量温度会有很好的分辨率.因此,可以利用驱动模态的谐振频率来标定陀螺表头内部的温度,为下一步的温度补偿提供新的方法.     

振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.     

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。     

一种新的陀螺振子及工作方式的研究

本文提出了一种新形式的陀螺振子结构,介绍了其工作原理。当陀螺振子在驱动模态谐振时,检测与驱动正交振动位置的振动情况,推导出了两模态振动公式。利用有限元软件建模,对新振子能否满足驱动与检测模态频率相等的灵敏度要求进行仿真验证。     

圆柱壳体振动陀螺的模态交换技术研究

针对圆柱壳体振动陀螺的零偏漂移受温度影响大的问题,提出一种模态交换技术的方法。 该方法适用于对称型陀螺,通过驱动轴和检测轴两种单轴工作模态周期性互换,将输出的检测信号进行差分得到陀螺的最终输出。通过对陀螺的动力学模型研究,得出了两种单轴工作模态标度因数相反,零偏漂移变化趋势一致的结论,并通过实验得到了验证,设计了一种基于 FPGA数字电路进行了零偏常温和变温试验,结果显示,在常温下,零偏漂移变化趋势是一致的,零偏变化量通过模态交换方式后能够抑制到单轴模态的37.5％,在变温环境中,温度范围为10℃ ~60 ℃ ,在升降温过程中,驱动轴和检测轴的零偏漂移变化趋势也一致,零偏变化量通过模态交换方式后能够抑制到单轴模态的30%,验证了模态交换技术的可行性,提升了温度稳定性,最后分析了没有被完全抑制部分存在电极增益误差和角度误差。