[发明专利]硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械系统（MEMS）和微惯性测量技术领域，特别是一种硅微动调混合陀螺仪的闭环检测控制装置及其应用方法。

背景技术

陀螺仪发展过程大致经过框架式陀螺仪、液浮和气浮陀螺、动力调谐陀螺仪、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺（硅微机械陀螺仪）等。动力调谐陀螺仪由于精度较高，零偏稳定性在0.001^o～1^o/h，成为国内目前最主要的陀螺仪之一，应用领域达到80％左右，但由于其结构、材料和加工特性直接造成了它抗冲击性能较差、启动时间较长和成本较高，尤其是其相对较大的体积限制了它在很多领域的应用。目前，虽然光纤陀螺和激光陀螺的精度已经达到甚至超过动力调谐陀螺仪，但是它们体积较大，价格昂贵，从几万到几十万美元不等，相比动力调谐陀螺不具有太大优势。而后续出现的硅微机械陀螺仪，虽然具有体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性、易于智能化和数字化等优点，但是受制于加工工艺和集成电路信号处理能力，硅微陀螺仪目前还处于1^o～100^o/h的中低精度阶段，要实现中高精度还需要一个较长发展过程。因此，市场应用迫切需求一种体积较小、价格较低，而性能指标与昂贵的机电陀螺仪相当的新型陀螺仪。

硅微动调混合陀螺仪的研究正是为了满足这一应用需求。硅微动调混合陀螺仪技术是在挠性陀螺仪技术和硅微机械陀螺仪技术逐步成熟的基础上新发展起来的高新技术。硅微动调混合陀螺仪最初是2003年由美国德雷铂（Charies Stark Draper Lab.简称CSDL）Lyle J. Jenkins等人提出来的，但仅进行了初步的理论探讨。目前，关于硅微动调混合陀螺仪的相关报道较少，东南大学是国内最早开展硅微动调混合陀螺仪研究的单位，其结构可参考公告号为CN 100392353C的专利文件中的相关描述。

硅微动调混合陀螺仪由微型电机、转子体、信号器、力矩器等组成，微型电机由传统精密机械加工或微机电加工技术加工而成，主要用于驱动转子体高速旋转，以获得较大动量矩；转子体、信号器、力矩器采用体硅加工工艺加工而成，转子体上设有上下极板。传统的动力调谐陀螺仪调谐一般通过精密机械加工技术反复调整扭杆的正刚度系数、平衡环的转动惯量及驱动电机的旋转角速度来实现调谐。而硅微动调混合陀螺仪由于硅薄片式平衡环既小又薄，由平衡环产生的负弹性力矩量级很小，仅相当于扭杆正弹性力矩10^-5, 因此，在硅微动调混合陀螺仪中无法采用传统的方式来调谐。其次，在采用传统的开环检测方式进行调谐时，理想条件下（无残余刚度），外界输入角速度的作用将导致转子自转轴的不断进动运动，无法进行信号检测，并且进动陀螺转子甚至会与壳壁相碰，而失去测量功能；而在有残余刚度存在时，开环检测也存在测量范围小、非线性大、信号检测易受机械结构参数和电路参数等开环系统参数变化的影响。而且，传统的动力调谐陀螺仪大多采用电感信号器和动铁式力矩器，不仅体积大、重量重（例如力矩器磁钢），而且在较高速率下工作时发热量很大等缺点。

发明内容

本发明针对新型硅微动调混合陀螺仪提供一种基于再平衡技术的闭环检测控制装置，解决对硅微动调混合陀螺仪进行调谐的难题，使信号检测受机械结构参数和电路参数等系统参数变化的影响较小。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，包括信号器、力矩器、信号处理模块；其特征是，所述信号器为电容信号器，包括2对信号检测电极；力矩器为电容力矩器，包括2对力矩反馈电极；各电极的极板均平行于陀螺仪转子设置；1对信号检测电极对应1对力矩反馈电极，用于陀螺仪上1个轴的信号检测和力矩反馈； 

所述信号处理模块包括调制载波信号、预载高压、前置放大电路、信号解调电路、差分放大电路和交直流叠加电路；调制载波信号为2对，每1对中的2个调制载波信号频率相同、幅值相同、相位相反；

信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大电路进行放大，后通过信号解调电路对两轴信号以相应的基波为参考进行信号解调；解调后的两轴检测信号分别输入至两个差分放大电路的同向输入端和反向输入端；同时预载高压分别输入至上述两个差分放大电路的同向输入端；差分放大电路的输出端输出反馈电压信号；2个反馈电压信号通过交直流叠加电路与1对反相的调制载波信号进行叠加，然后输出至相应的力矩反馈电极。