[发明专利]一种时分驱动和正交力反馈闭环的石英陀螺误差抑制方法

说明书

本发明涉及一种时分驱动和正交力反馈闭环的石英陀螺误差抑制方法，属于微机械惯性器件技术领域。包括1)驱动软件单元和驱动模块输出时分的正弦驱动激励信号，在相邻时间周期内交替输出正弦驱动激励信号和零电平信号；2)当驱动激励信号处于无信号的周期时段，检测模块开始进行信号检测，得到检测信号的同相分量和正交分量；3)建立同相和正交信号PI闭环控制，分别生成同相和正交力反馈闭环信号，再经数模转换生成力反馈闭环信号；4)将力反馈信号加载到石英音叉检测端进行力反馈闭环控制，使得石英音叉检测端位移为零。所述方法实现了对陀螺静电耦合和机械耦合误差的抑制，有效改善了陀螺的零位漂移且电路易实现。

技术领域

本发明涉及一种时分驱动和正交力反馈闭环的石英陀螺误差抑制方法，属于微机械惯性器件技术领域。

背景技术

陀螺是一种惯性敏感器件，用于测量物体相对于惯性空间的旋转角速度。微机械陀螺由于其体积小、重量轻、功耗低、成本低、易于批量生产等特点称为陀螺领域的重要发展方向并受到广泛关注。

石英音叉陀螺是微机械陀螺的一种典型代表，工作原理是石英晶体的压电/逆压电效应和柯氏效应，包括驱动和检测两对音叉，驱动音叉上设计制作有驱动电极，检测音叉上有检测电极。当频率为驱动音叉谐振频率的驱动激励信号加载到驱动音叉，由于逆压电效应，驱动叉指在交变的驱动电压信号下产生参考振动；当没有角速度输入的时候，检测音叉无敏感振动产生；当有输入角速度时，音叉将受到哥氏惯性力的作用，从而在垂直于角速度输入方向、参考振动方向的检测叉指上产生敏感振动，由于石英晶体的压电效应，检测电极上会出现与它成比例的电荷，该电荷经过放大并解调后得到一个正比于输入角速度的直流输出。

石英音叉陀螺的驱动音叉的谐振频率和检测音叉的谐振频率之差称为石英音叉陀螺的频差，频差越小，石英音叉陀螺的灵敏度越高，性能越好，但是对于检测音叉开环解调方案，频差就是石英音叉陀螺的带宽，因此，为了保证石英音叉陀螺具有一定的带宽，通常需要采用一定频差的陀螺。

现有技术有一种石英音叉陀螺的信号检测系统设计方案，主要包括：振动部(即角速度敏感元件)、检测电路、时序信号输出电路(解调信号生成电路)、驱动电路。在该方案中，振动监控信号来自振动部，该信号经过低通滤波器、比较器和第一移相器后产生用于同步检测的时序信号。即该部分电路生成解调信号。驱动电路包括第二移相器和振幅调整器，输出驱动信号。检测电路用于对微弱检测信号进行放大检测，电路主要包括同步检测器和滤波器。同步检测器需要来自同步信号输出电路生成的解调信号进行同步检测。

上述技术方案给出了石英音叉陀螺的工作原理和工程实现方案，在驱动部分，通过模拟AGC电路实现驱动幅值恒定；在检测部分，通过模拟电路进行解调得到角速度信息。由于采用模拟电路方案，对于石英音叉陀螺的静电耦合效应只能采取屏蔽的方式，对于机械耦合误差只能依赖于表芯的加工精度，因此不能充分发挥出陀螺表芯的性能。现有方案虽然取得了良好的技术效果，但是，在引起石英音叉陀螺零位误差的两种重要误差源静电耦合和正交耦合的抑制方面还存在很大改进空间。因此，本发明致力于解决上述技术的缺陷，提出一种时分驱动和正交力反馈闭环的石英音叉陀螺误差抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有石英陀螺无法有效减小静电耦合和正交耦合从而使石英音叉陀螺产生零位误差的技术问题，提出了一种时分驱动和正交力反馈闭环的石英陀螺误差抑制方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

所述石英陀螺误差抑制方法依托的石英陀螺装置，包括石英音叉、驱动模块、检测模块、数字信号处理模块以及正交力反馈闭环模块；

其中，石英音叉为微机械结构装置，其余部分为电路装置；石英音叉，简称音叉包括音叉驱动单元和音叉检测单元两部分，且音叉驱动单元又称为石英音叉驱动端，音叉检测单元又称为石英音叉检测端；音叉驱动单元上设置有驱动电极；音叉检测单元上设置有检测电极，其中，检测电极包括检测电极1和检测电极2；检测电极1用于提取角速度信号，检测电极2用于加载力反馈信号。