[发明专利]一种直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的模拟电路

说明书

技术领域

本发明属于微机械陀螺研究领域，是陀螺仪表的重要发展方向之一，对国民经济发展和国防现代化建设具有重要作用。

背景技术

陀螺是实现在惯性空间测量旋转角速度或角位移的装置。作为核心关键器件，陀螺广泛应用于导航制导与控制系统中，在当今科学技术领域具有极其重要的地位，在国民经济发展和国防现代化建设中发挥着重要作用。陀螺技术及应用的水平很大程度上反映着信息技术的水平，也影响着科学技术的发展与进步。

微机械陀螺仪以其体积小，质量轻，成本低，可靠性好，测量范围大和功耗低等一系列优点得到了各国的高度重视。由于电容检测具有温漂小，灵敏度高，可靠性好和稳定性好等优点,目前微机械陀螺仪多采用该种检测方式，但随着微惯性器件结构尺寸的不断缩小，检测输出信号的信噪比变得非常低，信号检测电路和处理电路极为复杂，不利于小型化和集成化。

2002年,加州大学伯克利分校的A.A.Seshia在IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems国际会议上提出了直接输出频率谐振式微机械陀螺的原理模型，直接输出频率谐振式微机械陀螺能直接将微弱的被测角速度转化为复合敏感结构的调频波，通过对调频波频率参数的解算便可以得到被测角速度，这类微陀螺具有谐振式传感器特有的迟滞小、重复性好、稳定性高、可靠性高、无需A/D或V/F变换直接与微处理器接口的优点，是陀螺仪表的重要发展方向之一。

当研究直接输出频率谐振式微机械陀螺谐振子的稳态测量问题时，其运动规律可以用类Mathieu方程描述：式中，δ表示谐振子的静态刚度，由其自身的结构特性与材料参数决定；ω为频率型微陀螺驱动模态的工作频率，由其与被测角速度Ω等共同引起谐振子的科氏效应，并反映在谐振子上的交变刚度ε上，显然其幅值与被测量的幅值Ω有关；t为时间，q(t)为谐振梁随时间的振动变化规律。类Mathieu方程解算出来的周期运动的频率即为此类陀螺检测模态的频率。

类Mathieu方程输出解的稳定性及稳定区间内解的特性都由其系数决定，类Mathieu方程的工程化应用至今尚未给出一个满意的近似解。“类Mathieu方程与谐振式传感器动态问题研究”被专家遴选为由国家自然科学基金委员会、教育部、科学技术部、中国科学院组织编写的“10000个科学难题（信息科学卷）”，2011，pp.798-800。正是由于类Mathieu方程研究的复杂性，针对直接输出频率谐振式微机械陀螺实际工作情况的研究还处于艰难的起步阶段。

对于微机械陀螺的研究，目前多集中于采用电容检测的微机械陀螺，对于此类陀螺的模拟电路，也有相关的研究，车录锋、熊彬等人在《微机械陀螺传感器模型与接口电路的混合模拟》一文中给出了微机械陀螺的一种电路模型，根据微机械陀螺的动力学方程建立了组合微机械陀螺振动特性和电学特性的传感器等效电路模型，此模型把陀螺的振动特性和检测角速度信号的电容变化有机结合起来，但此模型针对的是采用梳齿电容检测的微机械陀螺。

对于直接输出频率谐振式微机械陀螺，自2002年问世以来，发展的很慢，文献搜素发现多是关于其陀螺结构和原理的简单定性描述，关于其动态特性的研究则很少，樊尚春、李艳等人在《Dynamic characteristics of resonant gyroscopes study based on the Mathieu equation approximate solution》一文中运用Mathieu方程的近似解来研究直接输出频率谐振式微机械陀螺的动态特性，但是此文所用的小参数摄动法中有近似的步骤，从而引入了理论误差。而对于此类陀螺谐振子的模拟电路，未发现有相关报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对直接输出频率谐振式微机械陀螺，建立其谐振子动态特性的电路模型，实现模拟电路与谐振式微机械陀螺的对应，为直接输出频率谐振式微机械陀螺提供一种新的研究方案。