无驱动结构硅微机械陀螺的信号处理

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1、第26卷第3期光电技术应用Vol.26，No.32011年6月ELECTRO-OPTICTECHNOLOGYAPPLICATIONJune，2011·信号与信息处理·无驱动结构硅微机械陀螺的信号处理徐国文（海军某军事代表室，辽宁沈阳110136）摘要：微机械陀螺因其微型化、低成本等优点，广泛用于微系统的姿态稳定与控制系统。研究了无驱动结构硅微机械陀螺的信号处理技术。通过硬件电路和软件算法及补偿技术，将旋转载体的滚动、俯仰和偏航的三维姿态角速度信号同时提取并输出。该陀螺可用于旋转载体的姿态测量和控制技术领域。关键词：无驱动；硅微机械

2、；陀螺；传感器中图分类号：V241.5；TP212.1文献标识码：A文章编号：1673-1255（2011）03-0053-04SignalProcessingforNon-drivenSiliconMicromachiningGyroXuGuo-wen（NavyMilitaryRepresentativeOffice，Shenyang110136,China）Abstract:Themicro-scaleandlowcostmicromachininggyroiswidelyusedintheattitudestabilizat

3、ionandcontrolsystemofMicrosystems.Thesignalprocessingtechnologyforthenon-drivensiliconmicromachin⁃inggyroisstudied.Thesignalfor3Dattitudeangularvelocityoftheroll,pitchandyawoftherotatingcarrierisextractedandoutputbyhardwarecircuits,softwarealgorithmandcompensationtech

4、nique.Thegyroisusedintheattitudemeasurementandcontroltechnologyfieldsoftherotatingcarrier.Keywords:non-driven；siliconmicromachining；gyro；sensor众所周知，不同原理结构的陀螺种类繁多，这1工作原理些陀螺都有不同的用途，但他们都有体积大、成本高等几乎不可克服的缺点。近年来发展起来的微无驱动结构硅微机械陀螺安装在旋转体的对机械陀螺有微型化、低成本等其他陀螺难于媲美的称中心，它由两块陶瓷片和一块硅片

5、构成三明治结优点，广泛用于微系统的姿态稳定与控制系统[1-2]。构。其结构原理图如图1所示，陶瓷电极极板和单微机械陀螺可分为有驱动结构和无驱动结构两晶硅摆构成电容式敏感元件，其结构如图2所示，在类。前者由驱动部分和敏感部分组成，相对于后者陀螺单晶硅摆上建立坐标系O-XYZ，用φ̇表示旋转结构设计与制作较复杂、成本高。无驱动结构硅微体的旋转角速度，α̇表示单晶硅摆绕弹性扭转支撑机械陀螺利用旋转体自身的旋转作为驱动力，陀螺柱摆动的相对角速度，Ω表示被测角速度。由刚体自身没有驱动部分，因此，结构设计与制作简单，成转动动力学可得单晶硅摆绕

6、Y轴转动运动方程为2本低。Bα̈+Dα̇+[(C-A)φ̇+KT]α=(C+B-A)φ̇ΩSinφ̇t无驱动结构硅微机械陀螺可用于旋转载体的（1）姿态修正，其特点是能同时敏感载体的旋转、俯仰式中A、B、C分别为单晶硅摆对应于X、Y、Z轴的转和偏航角速度，即该陀螺一个具有相当于3个互相动惯量；D为单晶硅摆偏转时受到的空气阻尼因子；垂直安装的一般角速度陀螺的功能。收稿日期：2011-05-09作者简介：徐国文（1970-），男，辽宁鞍山人，工程师，主要从事电子、光电陀螺等方面的研究工作.54光电技术应用第26卷y滞后β可以通过调整陀螺

7、敏感轴安装角度的方法补α̇偿。所以，该陀螺在技术上能实现同时检测载体的单口硅弹性陶瓷电极极板扭转支撑柱旋转、俯仰和偏航角速度[3]。x在输入角振动条件下，该陀螺的输出波形如图Ω3所示。该信号中含有载体运动的三维姿态角速度信息，可以通过测量其频率得到载体滚动角速度，O通过测量其幅值和相位得到载体俯仰或偏航角速φ̇度和方向。z单晶硅摆单口硅弹性扭转支撑柱图1无驱动结构硅微机械陀螺的结构原理ya0b3b2b1x图3输入为谐波角速度时偏航或俯仰角速度的波形a22检测电路与信号处理ha1a3微机械陀螺信号可用图4所示的电路进行检测。单晶硅摆

8、以角速率φ̇旋转时，偏转角α的变化将dα̇yx导致单晶硅摆和陶瓷电极极板构成的4个电容器dC1、C2、C3、C4发生变化。将电容变化信号转换成电压z信号之后经放大，可以得到幅值α与被测角速度Ω相图2敏感结构示意图关的电压信号。敏感载体旋转和俯仰角速