[发明专利]一种基于乘法消除微机械陀螺同相误差系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于乘法消除微机械陀螺同相误差系统及方法，尤其是指一种基于乘法消除电容式微机械陀螺同相误差系统及方法。

背景技术

陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运动物体自身姿态和状态变化的传感器，其功能是敏感运动体的角速度。基于MEMS技术的第三代微机械陀螺仪，具有体积小、重量轻、带宽大、功耗低及抗冲击强度高等优点，被广泛应用于军事及民用领域。

现有技术中，电容式微机械陀螺仪的敏感结构采用体硅或者表面硅工艺加工制作而成，由于尺寸极其微小，通常为微米量级，在现有的工艺条件下，很难控制加工精度。因此，敏感结构在制造过程中存在着工艺误差。该误差直接影响硅微机械陀螺零点输出的稳定性、标度因子的非线性度及工作带宽等关键技术指标。同时，制约微机械陀螺在宇航、精确制导、精密仪器及深海探测等需要精确测量角速度信号领域的应用。

敏感结构的各种工艺误差，会在微机械陀螺提取角速度信号的处理过程中转变成正交误差和同相误差两种误差信号。正交误差和同相误差是角速度信号提取过程中的两种主要干扰信号，是制约微机械陀螺整体性能的主要因素。

其中，同相误差来源于微机械陀螺仪传感器结构的驱动轴与检测轴的不完全垂直，加载驱动电压时，驱动力在检测方向存在着分力，这个力与要检测的Coriolis力（科氏力）方向一致，相位也一致，导致在信号处理过程中很难区分角速度信号与此同相误差信号。由于同相误差与Coriolis加速度信号的频率及相位都相同，对于该误差信号的分离和抑制都比较困难，现有技术中，关于抑制同相误差的信号处理方案非常少，缺乏通用的，且能有效消除或抑制同相误差的信号处理方案。

如图1所示，传统的微机械陀螺角速度信号提取信号处理电路系统。由微机械陀螺的工作原理可知，要得到输入角速度信号的数值，必须测出敏感结构检测电容的变化量。然而，电容的变化量极其微弱，通常都淹没在低频的1/f噪声里，为了抑制1/f噪声，如图1所示，角速度提取电路一般都采用高频载波调制的方法，利用积分器构成电荷放大器，将检测电容的变化值转变成电压信号，然后经过两次相敏解调过程，第一次解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号；第二次解调得到与输入角速度信号成正比的电压信号。所述提取的最终输出信号包括角速度信号、正交误差信号及同相误差信号。

以下分析不存在相位误差时，考虑正交误差及同相误差时的输出信号：

由图1可知，第一次相敏解调后，得到的信号V_in(t)是与检测电容的变化量成正比的电压信号，存在正交误差及同相误差时，V_in(t)是角速度信号、正交误差信号及同相误差信号三者之和，可表示如下：

其中，V_cor表示Coriolis加速度信号的幅度；V_in-p表示同相误差信号的幅度；V_quc表示正交误差信号的幅度；W表示输入的角速度信号；ω表示微机械陀螺驱动信号的角频率；Φ表示驱动信号的相位。从式（1）中可以看出同相误差信号与Coriolis加速度信号频率及相位都相等，而正交误差信号与Coriolis加速度信号频率相等，相位相差90?。若不存在相位误差信号，则第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)就是驱动信号，它V_in(t)与进行乘法运算，运算如下：

经过低通滤波消除频率为2ω的高频项，则得到的输出信号V_out1(t)为：

由此可见，第二次相敏解调的参考信号为驱动信号V_ref(t)=V_d cos（ωt+Φ）时，最终输出信号中包含角速度信号和同相误差信号，正交误差被完全消除。

若第二次相敏解调的参考信号V_ref(t)与驱动信号正交，也即其表达式为，将它V_in(t)与进行乘法运算，运算如下：