角速度陀螺信号测量及标定方法研究毕业论文

中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 32 页1 绪论1.1 引言1.1.1 硅微机械陀螺仪的背景微机械陀螺仪是基于微机械加工制造技术产生的高技术产品，是当代微机械电子系统（MEMS）领域和惯性领域新兴的重要的分支，而 MEMS 及其制造技术是在微电子工艺的基础上发展起来的 的前沿研究领域，它涉及到电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。它是未来低成本、高精度、微尺寸、低功耗、抗高过载、高可靠性惯性测量原件的发展方向。它不仅用于武器装备的惯性导航系统和姿态测量系统等军事领域，同时还可以用于 、飞机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的方向定位和姿态测量等民用商业领域。开展这一领域的研究工作，可以加速和促进我国对新型惯性测量原件的应用，这在高技术日益发展的今天有十分重要的研究意义。用微机电系统惯性制导和控制代替常规系统，特别是与 GPS 集合使用时，可提供精确度。针对这一背景，对硅微机械陀螺的研究具有深远的战略意义 1。1.1.2 硅微机械陀螺仪的现状微机械陀螺是 21 世纪微纳米高科技领域中为电子系统（MEMS）最具有代表性的惯性期间，世界许多国家都在开展积极研发。硅材料结构完整、弹性好、比较容易得到高 Q 值（Q 值是衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比，电感器的 Q 值越高，其损耗越小，效率越高， 电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关）的微机械结构，随着深反应离子刻蚀技术的出现，体硅微机械加工技术的加工精度明显提高，在硅衬底上用多品硅制作期间适宜批量生产、驱动和检测较为方便，成为当前低成本研发的主流 2。1988 年，美国 Draper lab 实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪，1933 年又研制出性能更佳的音叉式线振动陀螺仪，其引起世界各国的高度重视，中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 32 页纷纷投入财力物力开发研究。俄国莫斯科 Vector Ltd 正在研制精密的微机械陀螺，已经论证和仿真实验。英国 Newscast 大学和 Durham 大学合作，研究出了 振动模式硅微机械陀螺。经过十多年的努力，目前在技术上已经取得巨大进展，正在向中、高精度发展。硅微机械陀螺的结构常用的有振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳妆音叉结构、梁岛结构等，驱动方式有静电驱动，压电驱动和电磁驱动等，检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、 检测的陀螺设计较为常见，美国 ADI 公司已研制出了单片集成的梳妆静电驱动、叉指式电容检测的硅微机械陀螺 ADXRS 系列，该脱落可用于集成 GPS 系统的惯性测量组合 3。微机电陀螺是近年来出现的新技术，它是随着陀螺技术的发展趋势。随着微机械加工技术的发展，惯性仪表的各方面性能将迅速大幅度提高，并将在更广泛的领域内代替传统的惯性仪表。我国起步比较晚，目前在清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学、中国科技大学、中北大学等高校，以及中科院、航天部、信息产业部等研究单位均开展通用硅微机械陀螺的研制，已在理论和加工工艺上取得巨大成果。10 多年来研究队伍逐渐扩大，本世纪初已形成 40 多个单位的 50 多个研究小组，在硅微机械方面开展了大量的研究工作，取得了长足的发展。目前世界各国研制的硅微机械陀螺主要是有驱动结构的通用硅微机械 ，无驱动结构的旋转弹用硅微机械陀螺国外只有俄国在研究，目前有一维硅陀螺原型机，我国有两维硅陀螺原型机 4。1.1.3 本课题研究的方法与步骤（1）学习并分析角速度陀螺信号采集原理；（2）学习并设计角速度陀螺调理电路，研究角速度陀螺信号的测量及标定方法；（3）利用 PROTEL 软件，研究角速度陀螺信号的测量及标定方法；（4）综上给出测量及标定方法；（5）完成电路设计，实现硬件功能；中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 32 页2 角速度陀螺仪信号采集原理及标定方法2.1 引言2.1.1 陀螺仪的结构陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称铀高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪 5，陀螺仪的基本部件有：(1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值);(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等) 。陀螺仪的两个基本特性：一为定轴性，另一个是进动性，它们都建立在角动量守恒的原则下 6。定轴性:当陀螺转子以高速旋转时，若没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变：1、转子的转动惯量愈大，稳定性愈好；2、转子角速度愈大，稳定性愈好。所谓“转动惯量”，是描述刚体在转动中惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用在两个绕定轴转动的不同刚体上，它们所获得的角速度通常是不一样的，转动惯量大的刚体所获得的角速度小，也就是保持原有转动状态的惯性大；反之，转动惯量小的刚体所获得的角速度大，也就是保持原有转动状态的惯性小。中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 32 页进动性:当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性，叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩 H 的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩 M 的方向，而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。这可以通过右手定则来判定。即伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与 4 指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。进动角速度的大小取决于外力矩 M 的大小和转子动量矩 H 的大小,其计算式为 =M/H。进动性的大小也有三个影响的因素：1、外界作用力愈大，其进动角速度也愈大；2、转子的转动惯量愈大，进动角速度愈小；3、转子的角速度愈大，进动角速度愈小。2.1.2 陀螺仪的主要参数电源（V）：这个参数规定了陀螺仪正常工作所需的直流电源电压范围；电源电流(mA)：这个参数规定了陀螺仪正常工作所消耗的电流大小；睡眠模式电源电流 (mA):这个参数规定了陀螺仪在睡眠模式下所消耗电流；关机模式下的电源电流(A):该参数规定了陀螺仪电源关闭时所消耗电流；全量程(dps):这个参数规定了陀螺仪的量程范围；零速率输出值(电压或最低效位):这个参数规定了当陀螺仪没有被施加角速率时的零速率输出信号的数值；灵敏度(mV/dps 或 dps/LSB):这个参数规定了在零速率输出值时 1dps 与模拟陀螺仪输出电压变化的关系，用 mV/dps 表示；数字陀螺仪的灵敏度(dps/LSB)表示 1 个最低有效位与 dps 的关系；灵敏度变化与温度关系(%/C):这个参数规定了当温度偏离 25室温时，以为单位的灵敏度百分比变化；零速率输出值变化与温度关系(dps/):这个参数规定了当温度偏离 25室温时，以为单位的零速率输出值的变化；中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 32 页非线性(%FS):这个参数规定了陀螺仪输出与最佳匹配直线之间的最大误差占全量程(FS) 的百分比；系统带宽(Hz):这个参数规定了角速率信号频率范围：从直流到模拟陀螺仪可测量的内部带宽（BW）；速率噪声密度(dps/Hz)：这个参数规定了能够从陀螺仪输出以及 BW 参数获得的模拟陀螺仪和数字陀螺仪的标准分辨率；自测 (mV or dps):这个功能可用于测试陀螺仪工作是否正常。这个功能的好处是在陀螺仪安装到印刷电路板后无需旋转印刷电路板即可测试陀螺仪 7。2.1.3 微机械陀螺仪的工作原理微机械陀螺仪利用了哥氏力现象 8，其原理如图 2.1 所示。当图中的物体沿X 轴做周期性振动或其他运动时，并且 XY 坐标系沿 Z 轴做角速度为 z 旋转运动，就会在该物体上产生一个沿 Y 轴方向的哥氏力。 图 2.1 哥氏力现象2.1.4 陀螺仪校准陀螺仪在出厂前都经过严格的性能测试以及灵敏度和零速率输出值校准 9。不过，当陀螺仪组装到印刷电路板后，因为机械或电焊应力的影响，零速率输出值和灵敏度可能会略微偏离工厂校准调试值。对于游戏机和遥控器等应用，设计中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 32 页人员只要用数据表中的典型零速率和灵敏度参数，即可把陀螺仪的测量信号转换成角速率。对于要求严格的应用，设计人员需要重新校准陀螺仪的零速率输出值、灵敏度和以下重要参数:（1）失准 (又称跨轴灵敏度)；（2）线性加速度灵敏度或 g-灵敏度；（3）长期运行偏差稳定性；（4）导通-导通偏差稳定性；（5）长时间工作后偏差和灵敏度漂移。为修正导通-导通偏差不稳定性，在陀螺仪上电后，用户可以采集 50100 个输出数据样本，取这些样本的平均值作导通零速率输出值 R0 ，假设该陀螺仪是静止状态。因为温度变化和测量噪声，当陀螺仪是静止状态时，陀螺仪的每次读数可能略有不同。设定一个阈值 Rth ，如果陀螺仪测量值的绝对值小于阈值，则使陀螺仪的读数归零。这个方法将消除零速率噪声，当陀螺仪静止时，角位移不会累加。 每当陀螺仪静止时，用户可以采集 50100 个陀螺仪数据，然后取这些样本的平均值作为零速率输出值 R0。这个方法可以消除零速率运行偏差和微小温度变化。 在零速率采样后，必须从上面的几步开始考虑不稳定性因此。应该强调的是，MEMS 陀螺仪的灵敏度非常稳定，受工作时间和环境温度的影响很小，仅上面提到的高灵敏度应用才需要校准过程。使用角速率测量台确定灵敏度，因为陀螺仪能够直接测量角速率，所以角速率测量台是校准陀螺仪灵敏度的最佳参考标准。在一个精确角速率测量台内有一个内嵌温度单元。为了确保在校准陀螺仪过程中角速率测量台不受环境振动的影响，角速率测量台被置于一个振动隔离平台之上。 把手持设备置于一个正方体的铝盒或塑料盒内，然后把整个系统安装在角速率测量台上进行校准。使角速率测量台沿顺时针和逆时针两个不同方向旋转。如果被校准的是多轴陀螺仪，把方正形测试盒置于角速率测量台上的不同方位，然后重复上面的校准过程。收集完陀螺仪在不同状况下的原始数据后，即可确定零速率输出值、灵敏度、失准矩阵和 g 灵敏度值。 校准陀螺仪还可以选用步进电机旋转测量台，用一台个人电脑控制步进电机旋转测量台。使用数字罗盘确定灵敏度，如果没有角速率测量台，可以使用数字中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 32 页罗盘代替角速率测量台。在校准陀螺仪前，需要校准数字罗盘的倾斜度，然后将其置于周围没有干扰磁场的平台上。2.2 信号的采集与标定单晶硅摆仪角速度 旋转时，偏转角 的变化将导致单晶硅摆和玻璃电极极板构成的四个电容 C1、C2、C3、C4 发生变化。将电容变化信号转换成电压信号之后放大，即可得到幅值与被测角速度 对应的电压信号 10。旋转载体用硅微机械陀螺的电容变化率较小，容易受分布电容的，因此，信号测量采用交流电桥作借口的变换电路，将电容式敏感原件作交流电容电桥的工作臂，电桥供电电源为等幅高频稳定交流电压。工作电容变化时，在电桥输出端可获得受工作电容变化调制的调幅信号输出，调幅信号经放大、解调后，获得低频信号输出 。图 2.2 硅微机械信号测量电路原理图2.2.1 信号的处理硅微机械陀螺的电容变化率较小，容易受分布电容的，因此，信号测量采用交流电桥作借口的变换电路，将电容式敏感原件作交流电容电桥的工作臂，电桥供电电源为等幅高频稳定交流电压。工作电容变化时，在电桥输出端可获得受工作电容变化调制的调幅信号输出，调幅信号经放大、解调后，获得低频信号输出，最后还要进行电路上的相位补偿，补偿由电路引起的相位误差。信号放大部分采用的是差分放大的方法。带通滤波主要完成直流信号的隔离和高频载波的滤除，取出还有姿态信息的有用信号 11。中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 32 页从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手，实现最低的折合到输入端(RTI)噪声将能够优化信噪比(SNR)。先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比，围绕着低噪声来解决问题将更加有效。这是一个重复的过程，首先考虑放大器的工作区：宽带或 1/f。接着，挑选合适的有源器件，设计最佳的噪声特性。在放大器周围放置无源器件，并限制带宽。然后分析非噪声需求，如输入阻抗、电源电流和开环增益。如果没有达到噪声指标，则重复这一过程，直到获得可以接受的解决方案为止 12。信号处理的步骤如下：1运算放大器的选择在一些情况下，宽带噪声为 22nV /dB 的运算放大器可能优于宽带噪声为10nV/dB 的器件。如果传感器工作在极低的频率下，那么，具有低 1/f 噪声的放大器可能是最好的。ADI 公司的 OP177 等标准放大器的噪声频谱密度类曲线。自稳零放大器能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。由于 1/f噪声渐进的逼近直流，放大器也能校准这一误差。第一代自稳零放大器不表现出1/f 噪声，因而适用于低频传感器信号调理。第二代自稳零放大器具有较低的宽带噪声（22nV /dB），通过 PSpice 宏模型能精确的仿真放大器电压噪声，显示出1/f 噪声已被消除 13。2轨到轨输入对于低压设计来说，轨到轨（RR）输出和输入可能是适合的。当共模输入从一条轨转到另一条轨时，一个差分输入对停止工作，另一个差分输入对则接着工作。失调电压和输入偏置电流可能突然变化，引起的失真。对于低噪声设计来说，请检查对轨到轨输入特性的需求。为了解决这个问题，ADI 公司的 AD8506 等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交越失真。如果设计不正确，而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时，这些噪声将会出现在输出端，引起问题。3偏置电流消除最新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响，这个技术会增加不相关或相关的电流噪声。对于一些放大器来说，相关噪声可能大于不相关噪声。例如：ADI 公司的 OP07 增加阻抗平衡电阻，就能改进整体噪声。ADI 公司两款广泛应用的运算放大器，一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的 OP07，另一款是 OP27。从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。考虑工艺中 北 大 学 信 息 商 务 学 院 2011 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 32 页技术，寻找自稳零、斩波和偏置电流消除等专业设计技术。从晶圆照片查看输入晶体管区域，大输入晶体管的噪声较低，但具有大的输入电容，而 CMOS 和 JFET放大器的电流噪声远小于双极性器件。低噪声设计要使用小电阻，所以放大器输出驱动必须足够大，以驱动大负载。4无源元件的选择选择放大器之后，在放大器周围放置合适的电阻和电容，而这些元件也有噪声。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大。在忽略 R1 和 R2 的噪声，集中考虑源阻抗 R 的噪声，当 R 值较小时，电压噪声占主导地位；当 R 值为中等大小时，John 噪声占主导；当 R 值较大时，电流噪声的贡献较大。因此，低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有低电压噪声的运算放大器。除电阻之外，电容也能用于补偿和减小噪声。电抗元件不增加任何噪声，但流经它们的噪声电流将产生噪声电压，影响计算。总之，重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流噪声、热噪声和 EMI 杂散干扰拾取的影响。5带宽选择选择好放大器以及相关的电阻和电容之后，下一步是设计最佳带宽（BW）。不要设计过宽的带宽，带宽应该足够通过基频和重要的谐波，但不要过宽。选择具有足够带宽的放大器，在其后放置 RC 滤波器，放大器本身也是单极点滤波器。放大器和电阻在带宽范围内都有噪声，因此，带宽越大，输出噪声越大，SNR 越低。为限制附加的噪声，带宽应该尽可能的窄。为限制带宽，在传感器之后使用 RC 滤波器，产生的负载问题可使用缓冲器来解决。具有适配规格和配置的放大器（放大器带宽为 350MHz）和 ADC 将具有 166Vrms 的噪声。在运算放大器之后增加 R