[发明专利]陀螺仪自校准和陀螺仪质量块摆幅测量装置、方法

说明书

技术领域

本发明属于智能传感器的技术领域，更具体地涉及一种陀螺仪自校准和陀螺仪质量块摆幅测量装置、方法。

背景技术

陀螺仪是一种能够测量载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。陀螺仪已有100多年的发展史，其发展过程大致可分为四个阶段：第一个阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二个阶段是40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三个阶段是60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺(70年代)、光纤陀螺(80年代)和微陀螺仪(90年代)。研究人员从20世纪80年代起就开始开发硅微型机械陀螺仪，它的发展是伴随着硅微机械加工技术的发展而发展起来的，微机械加工技术的产生和发展是基于IC工艺的。

传统的机械陀螺仪由于体积大、成本高、不适合批量生产等因素制约了其在很多方面的应用。MEMS陀螺仪具有光、机、电一体化、体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。微机械陀螺仪按振动结构可分为旋转振动结构陀螺仪和线振动结构陀螺仪；按材料可以分为硅材料陀螺仪和非硅材料陀螺仪；按驱动方式可以分为压电式驱动陀螺仪、静电式驱动陀螺仪和电磁式驱动陀螺仪；按工作模式可以分为速率陀螺和速率积分陀螺；按检测方式可以分为压电性检测陀螺仪、电容性检测陀螺仪、光学检测陀螺仪、压阻型检测陀螺仪和隧道效应检测陀螺仪；按加工方式分为体硅机械加工陀螺仪、表面微机械加工陀螺仪和LIGA技术陀螺仪。

传统陀螺仪的标定校准需要高精度转台以及其他外部设备做支撑，操作相对复杂，成本较高；再者陀螺仪只在出厂时进行一次出厂标定校准，但在运行过程中环境因素、器件老化、温度变化等都会引起陀螺仪系统参数的改变，从而影响陀螺仪的测量精度，很显然传统的标定校准不能消除这些因素对陀螺仪精度的影响；此外传统质量块摆幅测量是利用电容检测模块输出的电流信号中主瓣峰值的大小来测量质量块的摆幅，由于电流信号峰值的大小与跨阻放大器增益、电容、电阻、电压摆幅以及频率等电学参量有关，因此测量的摆幅并不精确。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种陀螺仪自校准装置及方法、以及陀螺仪质量块摆幅测量装置及方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种陀螺仪自校准装置，包括：

信号发生器，用于产生调制信号，该调制信号包括：

驱动信号，用于驱动陀螺仪谐振运动；

电激励信号，用于激励陀螺仪中的质量块产生摆幅；

检测及分析电路，用于检测摆幅得到摆幅信号，将摆幅信号转换为电压信号，并分析得到电压信号中的边频带比值；

其中，陀螺仪基于电激励信号的角速度与电压信号中的边频带比值之间存在的非线性关系，得到校准的外界环境的旋转角速度。

在本发明的一些实施例中，上述检测及分析电路包括：

检测电容，用于检测摆幅得到摆幅信号，输出与摆幅信号相关的电流信号；

跨阻放大器，用于将与摆幅信号相关的电流信号转换为电压信号；

频谱分析仪，用于分析得到电压信号中的边频带比值。

在本发明的一些实施例中，上述检测电容为平板电容。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪为MEMS陀螺仪；该MEMS陀螺仪为MEMS梳齿状陀螺仪。

在本发明的一些实施例中，上述信号发生器包括乘法器、移相器和加法器，所述调制信号是由所述驱动信号和电激励信号经由所述的乘法器、移相器和加法器整合得到。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明还提出一种陀螺仪质量块摆幅测量装置，采用上述的陀螺仪自校准装置，其中：

陀螺仪质量块的摆幅与所电压信号中的边频带比值存在非线性关系；

通过调节信号发生器，得到包括不同角速度电激励信号的多个调制信号、多个不同的摆幅信号及相对应的多个不同的边频带比值，推导得到摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系；

当陀螺仪中的质量块在除电激励信号外的其他外界环境作用下产生摆幅时，根据此时分析得到的电压信号中的边频带比值、以及摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系，即可得到此时陀螺仪中质量块的摆幅值。

在本发明的一些实施例中，上述陀螺仪质量块的摆幅与电压信号中的边频带比值的非线性关系为：

其中，y为陀螺仪质量块的摆幅，r为电压信号中的边频带比值。