[发明专利]一种能消除微机械陀螺仪正交误差的信号处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能消除微机械陀螺仪正交误差的信号处理方法，尤其是静电驱动电容式微机械陀螺仪。

背景技术

目前，微机械陀螺仪正交误差的抑制仍然存在诸多不足。陀螺仪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。90年代初期，随着微机械加工技术的迅猛发展，基于MEMS技术的第三代微机械陀螺仪诞生了，该陀螺仪具有体积小、重量轻、带宽大、功耗低、抗冲击强度高等优点，被广泛应用于军事、民用领域。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。这些误差将直接影响硅微机械陀螺仪零点输出的稳定性、标度因子的非线性度、工作带宽等关键技术指标。这也制约了微机械陀螺在宇航、精确制导、精密仪器、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，会在微机械陀螺仪提取角速度信号的处理过程中转变成两种误差信号，即正交误差和同相误差。

微机械陀螺仪的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，它们来源于微机械陀螺敏感结构的加工过程，是制约微机械陀螺整体性能的主要因素。在信号处理过程中减小或消除这两种误差信号不受加工工艺的制约，通用性强，是一种非常有效的技术方法。目前国内外学者在这方面的研究取得了一定的成果，但是也存在着不少缺憾，主要表现在：

1、利用同步解调技术消除正交误差时，难以实现参考信号与待解调信号的相位完全相等，实际的信号在处理过程中必然会因传输延时而产生相位误差，因此要求上述两个信号相位完全相等非常难实现，这也导致了在实际应用中，正交误差信号并不能被同步解调方法完全消除，对于这种情况导致的正交误差无法完全消除的问题，目前还没有相应的解决方案。

2、若采用静电力反馈形成闭环系统以抑制正交误差，正交误差的提取是建立在参考信号与待解调信号的相位正好相差90°的情况下，而要满足这个条件十分困难的，如何提取纯净的正交误差信号或者尽可能地消除相位误差是技术难点，目前还没有相应的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够消除或有效抑制静电驱动电容式微机械陀螺仪正交误差的信号处理方法，作为微机械陀螺仪角速度信号提取方案的有益补充，能够在完成角速度信号提取的同时，补偿正交误差信号对有用Coriolis加速度信号的影响，从而改善微机械陀螺仪零点输出的稳定性、标度因子的非线性度、工作带宽等关键技术指标，大幅度地提高微机械陀螺仪的整体性能，使测量结果更为准确。

本发明一种能消除微机械陀螺仪正交误差的信号处理方法，包括如下步骤：

步骤1、角速度提取电路利用由积分器构成的电荷放大器，将电容式微机械陀螺仪敏感结构检测电容的变化值转变成电压信号，将该电压信号滤波放大后经第一次相敏解调得到与检测电容的变化量成正比的电压信号，再经低通滤波与放大后获得输入信号V_in(t)；

步骤2、陀螺仪驱动信号一路经移相器后直接变成第一路解调参考信号V_ref1(t)，该陀螺仪驱动信号另一路经相同的移相器与一个90°移相器后变成与第一路解调参考信号V_ref2(t)正交的第二路解调参考信号，该移相器用于控制两解调参考信号的相位；

步骤3、上述两路解调参考信号分别对输入信号Vin(t)进行第二次相敏解调，所得信号经低通滤波后进行取和与作差；

步骤4、将步骤3得到的和值信号输入微分电路，微分电路的输出信号作为移相器的控制信号，当控制信号为零时，移相器停止工作且其移相值不变，当控制信号不为零时，移相器将继续工作直到微分电路输出的控制信号为零时为止，即由微分电路和移相器构成的反馈系统稳定于相位差Δφ＝45°时，和值输出信号V_out9为纯净的正交误差信号，差值输出信号V_out10中，正交误差被完全消除。