硅微机械谐振式陀螺仪测控技术分析

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1、摘要摘要随着微电子科学和微型制造技术的发展，硅微机械陀螺仪的性能不断提高，与传统的机电类陀螺仪和光电类陀螺仪相比，它具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性好、测量范围大等优点，在军民两用领域都有着重要的应用价值和广泛的应用前景。目前，硅微机械陀螺仪常采用电容检测方式，即通过测量其检测极板上的电容变化量而获取角速度信息。该方式对机电接口的寄生电容和电阻非常敏感。这是因为硅微陀螺仪中需要测量的位移非常微小，对应的电容变化量在10一9F，电容相对变化量AC／C也为10～，而周围环境的寄生电容为几个口F，检测输出信号的信

2、噪比非常低。硅微机械谐振式陀螺仪是将谐振式传感器的工作原理应用到陀螺仪的检测方式中，输出信号是频率信号，抗干扰性好，具有准数字式传感器的特点，避免了电容检测方式中输出信号的低信噪比问题。本文以硅微机械谐振式陀螺仪为研究对象，致力于测控方法的研究及其测控电路的设计，包括理论分析、电路设计与实现以及性能测试等。论文的主要工作概括为以下几个方面：首先，本文对目前国内外几种典型的谐振式传感器进行了概述，研究了谐振式传感器的检测方式，分析了各自的优缺点。给出了一种硅微机械谐振式陀螺仪静电驱动、频率检测的结构形式，并阐述了其工作

3、机理。通过对双端音叉谐振器(DETF)谐振梁的横向振动运动分析，得出了输出信号最大频偏与输入角速度之间的关系。推导了双端音叉谐振器(DETF)驱动模态的第一主振型和第二主振型谐振频率的表达式，并对模型进行了谐响应分析，得出了双端音叉谐振器(DETF)的固有运动模态主要有同相模态和反相模态。分析了谐振梁弹性系数非线性引起的频率偏移误差，给出了谐振梁固有谐振频率与振幅之间的关系表达式。其次，本文系统研究了梳齿电容驱动器的工作原理，推导了陀螺仪单边和双边驱动的静电驱动力公式，讨论了驱动位移和驱动速度两种不同的驱动检测方法。

4、分析了双端音叉谐振器谐振梁的静态特性，给出了直流偏置电压极限值的表达式。分析比较了自激闭环驱动电路、自适应闭环驱动电路和锁相闭环驱动电路的优缺点，提出了一种自动增益控制的锁相环闭环驱动方案，通过锁相环路控制跟踪谐振器的谐振频率，自动增益控制环路控制振幅，实现系统的稳频和稳幅。再次，本文研究了硅微机械谐振式陀螺仪输出信号的特征，分析了输出信号的频谱分布。系统研究了差分检测机理，给出了机械灵敏度的表达式，分析了影响机械灵敏度的因素。在分析了基于锁相环(PLL)解调技术方案的基础上，设计了一种基于FPGA的数字化解调方案，

5、提出了最大频差检测方法，根据原理方法提出了相差检测电路算法设计，并对方案中的主要功能模块进行设计与仿真，给出了基于FPGA的数字化最大频差测量电路的实验结果。结果表明测量电路对最大频偏有很好的测量效果。最后，本文利用二倍频电流信号测量法测试了硅微机械谐振式陀螺仪的驱动模态幅频响应特性，得出了陀螺仪质量块、双端音叉谐振器(DEllF)反向振动模态(工作模态)的谐振频率和品质因数，为系统的控制参数设计提供依据。采用了锁相闭环驱动和基于FPGA的数字检测方案制作了硬件电路。依据国产微机械陀螺仪测试细则，对锁相闭环驱动、开环

6、差分检测的硅微机械谐振式陀螺仪的性能进行了综合测试，包括标度因数、标度因数不对称度、标度因数非线性度、标度因数重复性、零偏及零偏稳定性等。实验结果表明：准数字化的谐振式传感器设计思想在硅微陀螺仪上的应用是可行的，为今后改进结构，进一步提高性能研究奠定了良好的基础。关键词：硅微机械谐振式陀螺仪，信噪比，双端音叉谐振器(DETF)，谐振频率，锁相环，最大频偏，现场可编程门阵列(FPGA)，相差检测东南大学博士论文ABSTRACTWiththeprogressofmicroelectronicsandothermicrof

7、abricationtechniques，siliconmicromachinedgyroscopesperformanceisadvancedcontinually．Comparedwiththeelectro—mechanicalgyroscopeandoptoelectronicsgyroscope，thisgyroscopehasabroadapplicationinmilitaryandcivilfieldsduetothevirtuesofsmallsize，lightweight，lowpowerdis

8、sipation，lowcost，highreliability,andlargemeasuringrangeandsoon．Atpresentthemeasurementmethodforthesiliconmicromachinedgyroscopesoftenadoptedcapacitancedetection，namelytheinf