一种微机械陀螺仪带宽的测量方法及系统

【技术领域】

本发明涉及微机械陀螺仪技术领域，尤其涉及一种微机械陀螺仪带宽的测量方法及系统。

【背景技术】

现有技术中，在对微机械陀螺仪的带宽(工作带宽)进行测量时，测量方式如下：将微机械陀螺仪通过工装固定在角振动转台上，使其角速度敏感轴与角振动转台的角速度输入轴平行，如微机械陀螺仪的角速度敏感轴为z轴，当角振动转台的角速度方向为z轴时，使微机械陀螺仪的z轴方向与角振动转台的z轴方向平行。

启动角振动转台使其以特定的角振动幅度(如0.1°/s)、不同频率振动，记录微机械陀螺仪在相应频率下的输出信号。将微机械陀螺仪输出信号的幅值除以角振动幅度得到不同频率下的标度因数，并进行曲线拟合。在曲线上与静态标度因数相比衰减3dB的点所对应的频率，即为微机械陀螺仪的带宽。

对于该测量方式，为实现微机械陀螺仪带宽的测量，角振动转台的最大角振动频率必须大于微机械陀螺仪的带宽。目前角振动转台能实现的最大角振动频率为150Hz左右，因此，对于带宽超过角振动转台最大角振动频率的微机械陀螺仪，其带宽无法通过转台角振动的方法准确测量。

在微机械陀螺仪带宽的测量过程中，角振动转台角振动的不稳定性将导致微机械陀螺仪的噪声增大，影响其输出信号的精度，从而带来测量误差。而高精度的角振动转台，其价格昂贵，增加了测量成本。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种微机械陀螺仪带宽的测量方法，用于解决现有技术中存在测量误差和测量成本高的问题。

为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明实施例的第一方面提出了一种微机械陀螺仪带宽的测量方法，包括：

获取微机械陀螺仪的零位输出信号；

获取信号发生器产生的交变电信号的幅值和频率范围；

获取所述微机械陀螺仪在所述频率范围内的预设频率下的输出信号；

根据所述零位输出信号、交变电信号的幅值和预设频率下的输出信号，建立所述预设频率下的输入输出线性模型；

根据所述预设频率下的输入输出线性模型，获取所述预设频率下的标度因数；

获取标度因数随频率变化的曲线，根据所述曲线获取所述微机械陀螺仪的带宽。

在其中一个实施例中，所述获取微机械陀螺仪的零位输出信号，包括：

在预设时间内，根据预设采样周期多次获取所述微机械陀螺仪在零输入时的输出信号；

获取所述微机械陀螺仪在零输入时的多个输出信号的平均值；

将所述平均值作为所述微机械陀螺仪的零位输出信号。

在其中一个实施例中，所述频率范围为0～nHz，其中，n大于0。

在其中一个实施例中，所述预设频率包括N个频率，其中，N为大于或等于1的整数。

在其中一个实施例中，所述根据所述零位输出信号、交变电信号的幅值和预设频率下的输出信号，建立所述预设频率下的输入输出线性模型，包括：

根据所述零位输出信号、交变电信号的幅值和N个频率下的输出信号，建立所述N个频率下的输入输出线性模型。

在其中一个实施例中，所述根据所述预设频率下的输入输出线性模型，获取所述预设频率下的标度因数，包括：

根据所述N个频率下的输入输出线性模型，将所述N个频率下的输出信号分别减去所述零位输出信号，得到N个输出信号差值；

将所述N个输出信号差值分别除以所述交变电信号的幅值，得到所述N个频率下的标度因数。

在其中一个实施例中，所述获取标度因数随频率变化的曲线，根据所述曲线获取所述微机械陀螺仪的带宽，包括：

获取所述标度因数随频率变化的曲线；

获取所述曲线上频率为0Hz的点对应的静态标度因数；

获取所述曲线上比所述静态标度因数衰减3dB的目标点，将所述目标点对应的频率作为所述微机械陀螺仪的带宽。

本发明实施例的第二方面提供了一种微机械陀螺仪带宽的测量系统，包括信号发生器、微机械陀螺仪、前置滤波器、模数转换电路、信号解调单元、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、信号合成单元、数模转换电路和上位机，所述信号发生器产生不同频率下预设幅值的交变电信号以使所述微机械陀螺仪产生振动，所述振动对应的电信号经过所述前置滤波器滤波后送入所述模数转换电路转换为数字电信号，所述信号解调单元对所述数字电信号进行解调后得到解调信号，所述FPGA将所述解调信号输出到所述上位机，所述FPGA还根据所述解调信号的幅值和相位计算出实时控制信号，所述信号合成单元对所述实时控制信号进行幅值和相位调节，将调节后的控制信号经过所述数模转换电路转换为模拟控制信号，以对所述微机械陀螺仪进行闭环控制。

在其中一个实施例中，所述微机械陀螺仪包括检测轴驱动电极、敏感单元和检测轴检测电极，所述检测轴驱动电极接收所述交变电信号后，驱动所述敏感单元在检测轴方向产生振动，所述检测轴检测电极检测所述振动对应的电信号。

在其中一个实施例中，所述前置滤波器用于过滤掉所述振动对应的电信号中高于1/2采样频率的高频分量。

本发明实施例提供了一种微机械陀螺仪带宽的测量方法及系统，通过该方法，可以获取获取微机械陀螺仪的零位输出信号；获取信号发生器产生的交变电信号的幅值和频率范围；获取微机械陀螺仪在频率范围内的预设频率下的输出信号。然后，根据零位输出信号、交变电信号的幅值和预设频率下的输出信号，建立预设频率下的输入输出线性模型。之后，根据预设频率下的输入输出线性模型，获取预设频率下的标度因数。最后，获取标度因数随频率变化的曲线，根据曲线获取微机械陀螺仪的带宽。即，本发明实施例中，采用外接信号发生器输出不同频率的交变电信号，替代现有技术中角振动转台振动时引起的克里奥利力，以提供微机械陀螺仪检测轴方向的驱动信号，可以实现微机械陀螺仪无角振动转台带宽测量。因此，本发明实施例可以提高测量精度，并降低测量成本。

【附图说明】

图1为本发明实施例一提供的微机械陀螺仪带宽的测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的微机械陀螺仪带宽的测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例三提供的微机械陀螺仪带宽的测量系统的结构示意图；

图4是本发明实施例四提供的正交抑制闭环控制的场景示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种微机械陀螺仪带宽的测量方法，图1为本发明实施例一提供的微机械陀螺仪带宽的测量方法的流程示意图，如图1所示，本实施例一提供的微机械陀螺仪带宽的测量方法，可以包括如下步骤：

步骤101、获取微机械陀螺仪的零位输出信号。

本实施例的执行主体为微机械陀螺仪带宽的测量系统，该微机械陀螺仪带宽的测量系统包括信号发生器，该信号发生器用于产生交变电信号。一般地，在零输入情况下，由于外界环境噪声的干扰，导致微机械陀螺仪的输出信号不为零，即微机械陀螺仪在零输入时存在输出信号。本实施例中，获取微机械陀螺仪在零输入时的输出信号。如，在连接好微机械陀螺仪带宽的测量系统后，打开信号发生器的电源之前，获取微机械陀螺仪的零位输出信号，本实施例中，将取微机械陀螺仪的零位输出信号标记为F

步骤102、获取信号发生器产生的交变电信号的幅值和频率范围。

在获取到微机械陀螺仪的零位输出信号F

步骤103、获取微机械陀螺仪在频率范围内的预设频率下的输出信号。

在获取到信号发生器产生的交变电信号的幅值A和频率范围后，在该频率范围内可以设置预设频率，比如可以设置预设频率包括一个频率，可以设置预设频率包括两个频率，可以设置预设频率包括三个频率或者更多个频率，预设频率所包括频率的个数可以根据实际需求进行相应调整。比如，当对测量精度有较高要求时，可以增加预设频率所包括频率的个数，当对测量精度要求不太高时，则可以减少预设频率所包括频率的个数。本发明实施例对预设频率所包括频率的个数不做具体限制。例如，预设频率可以包括N个频率，其中，N为大于或等于1的整数。

本发明实施例中，可以获取微机械陀螺仪在频率范围内的预设频率下的输出信号，如可以获取微机械陀螺仪在频率范围内的N个频率下的输出信号。

步骤104、根据零位输出信号、交变电信号的幅值和预设频率下的输出信号，建立预设频率下的输入输出线性模型。

在获取到微机械陀螺仪在频率范围内的预设频率下的输出信号后，可以根据零位输出信号F

步骤105、根据预设频率下的输入输出线性模型，获取预设频率下的标度因数。

在根据零位输出信号F

步骤106、获取标度因数随频率变化的曲线，根据曲线获取微机械陀螺仪的带宽。

在得到预设频率下的输出信号后，如得到N个频率下的输出信号F

可以理解的是，本发明实施例中，通过该方法，可以获取微机械陀螺仪的零位输出信号；获取信号发生器产生的交变电信号的幅值和频率范围；获取微机械陀螺仪在频率范围内的预设频率下的输出信号。然后，根据零位输出信号、交变电信号的幅值和预设频率下的输出信号，建立预设频率下的输入输出线性模型。之后，根据预设频率下的输入输出线性模型，获取预设频率下的标度因数。最后，获取标度因数随频率变化的曲线，根据曲线获取微机械陀螺仪的带宽。即，本发明实施例中，采用外接信号发生器输出不同频率的交变电信号，替代现有技术中角振动转台振动时引起的克里奥利力，以提供微机械陀螺仪检测轴方向的驱动信号，可以实现微机械陀螺仪无角振动转台带宽测量。因此，本发明实施例可以提高测量精度，并降低测量成本。

图2为本发明实施例二提供的微机械陀螺仪带宽的测量方法的流程示意图，如图2所示，本实施例二提供的微机械陀螺仪带宽的测量方法，可以包括如下步骤：

步骤201、在预设时间内，根据预设采样周期多次获取微机械陀螺仪在零输入时的输出信号。

本实施例的执行主体为微机械陀螺仪带宽的测量系统，该微机械陀螺仪带宽的测量系统包括信号发生器，该信号发生器用于产生交变电信号。

比如，本发明实施例中，在连接好微机械陀螺仪带宽的测量系统后，打开信号发生器的电源之前，在预设时间内，根据采样周期多次获取微机械陀螺仪在零输入时的输出信号。该预设时间是事先进行设置的，比如，该预设时间可以是30s，在30s时间内，多次获取微机械陀螺仪在零输入时的输出信号，其中，相邻两次之间的时间间隔为一个采样周期。可知，在30s时间内获取的是微机械陀螺仪在零输入时的多个输出信号，即多个离散信号。多次获取微机械陀螺仪在零输入时的输出信号，是为了提高测量的精确度。

步骤202、获取微机械陀螺仪在零输入时的多个输出信号的平均值。

在多次获取微机械陀螺仪在零输入时的输出信号后，可以得到微机械陀螺仪在零输入时的多个输出信号，对微机械陀螺仪在零输入时的多个输出信号求平均值。

步骤203、将平均值作为微机械陀螺仪的零位输出信号。

在得到微机械陀螺仪在零输入时的多个输出信号的平均值后，将该平均值作为微机械陀螺仪的零位输出信号F

步骤204、获取信号发生器产生的交变电信号的幅值和频率范围。

在获取信号发生器产生的交变电信号的幅值和频率范围时，步骤204的具体实施例可以参阅步骤102的实施例，在此不再进行赘述。

步骤205、获取微机械陀螺仪在频率范围内的预设频率下的输出信号。

在获取微机械陀螺仪在所述频率范围内的预设频率下的输出信号时，步骤205的具体实施例可以参阅步骤103的实施例，在此不再进行赘述。

步骤206、根据零位输出信号、交变电信号的幅值和N个频率下的输出信号，建立N个频率下的输入输出线性模型。

本发明实施例中，可以根据零位输出信号F

步骤207、根据N个频率下的输入输出线性模型，将N个频率下的输出信号分别减去零位输出信号，得到N个输出信号差值。

根据N个频率下的输入输出线性模型F

步骤208、将N个输出信号差值分别除以交变电信号的幅值，得到N个频率下的标度因数。

在得到N个输出信号差值F

步骤209、获取标度因数随频率变化的曲线。

根据N个频率下的标度因数K

步骤210、获取曲线上频率为0Hz的点对应的静态标度因数。

在获取到标度因数随频率变化的曲线后，可以获取该曲线上频率为0Hz的点所对应的标度因数，即静态标度因数。

步骤211、获取曲线上比静态标度因数衰减3dB的目标点，将目标点对应的频率作为微机械陀螺仪的带宽。

在该曲线上获取比静态标度因数小3dB的目标点，即该曲线上静态标度因数衰减3dB后对应的目标点，将该目标点对应的频率作为微机械陀螺仪的带宽，比如，当目标点对应的频率为n

可以理解的是，本发明实施例中，在静态条件下，采用信号发生器产生的交变电信号替代角振动转台的角振动以提供驱动力，可实现高带宽的微机械陀螺仪的测量。可以避免角振动转台不稳定而引入的噪声，该方法可提高测量精度。可以简化测量设备，降低测量成本。

图3为本发明实施例三提供的微机械陀螺仪带宽的测量系统的结构示意图。如图3所示，该实施例的微机械陀螺仪带宽的测量系统包括：信号发生器301、微机械陀螺仪302、前置滤波器303、模数转换电路304、信号解调单元305、FPGA306、信号合成单元307、数模转换电路308和上位机309。

其中，信号发生器301可以产生不同频率下预设幅值(即特定幅值)的交变电信号，以使微机械陀螺仪302产生振动，该振动对应的电信号经过前置滤波器303进行滤波，抑制噪声的影响，然后将滤波后的电信号送入模数转换电路304转换为数字电信号，模数转换电路304将数字电信号传送给信号解调单元305，信号解调单元305对接收的数字电信号进行解调后得到解调信号，然后将解调信号发送给FPGA306。

FPGA306一方面将解调信号(即微机械陀螺仪302的输出信号)输出给上位机309，通过上位机309可以查看到微机械陀螺仪302的输出信号。

FPGA306另一方面根据解调信号的幅值和相位计算出实时控制信号，信号合成单元307对实时控制信号进行幅值和相位调节，将调节后的控制信号传送给数模转换电路308，数模转换电路308将该调节后的控制信号进行数模转换后，得到模拟控制信号，以对微机械陀螺仪进行闭环控制。

可以理解的是，本发明实施例中，该微机械陀螺仪带宽的测量系统采用外接信号发生器301输出不同频率的交变电信号，替代现有技术中角振动转台振动时引起的克里奥利力，以提供微机械陀螺仪检测轴方向的驱动信号，可以实现微机械陀螺仪无角振动转台带宽测量，即可实现静态条件下对微机械陀螺仪带宽的测量。因此，本发明实施例可以提高测量精度，并降低测量成本。

进一步地，微机械陀螺仪302包括检测轴驱动电极、敏感单元和检测轴检测电极。微机械陀螺仪有两个轴方向，即驱动轴和检测轴方向。其工作原理是，当无外界角速度输入时，微机械陀螺仪沿驱动轴方向振动，当有外界角速度输入时，检测轴方向存在哥氏力，使微机械陀螺仪沿检测轴方向振动，继而通过检测轴检测电极(即检测轴方向的检测电极)输出的信号大小，判断输入角速度的大小。

其中，敏感单元是指微机械陀螺仪对外界角速度敏感的单元，一般就是微机械陀螺仪的可动部分。在对微机械陀螺仪进行设计时，会在敏感单元的外围设置多个电极，来对微机械陀螺仪进行驱动、检测以及其它的控制等。

具体而言，信号发生器301可以产生特定幅值不同频率的交变电信号，并将该交变电信号输入到微机械陀螺仪的检测轴驱动电极(即检测轴方向的驱动电极)，使微机械陀螺仪在静态条件下沿检测轴方向产生振动，即驱动敏感单元在检测轴方向产生受迫振动，检测轴检测电极用于检测敏感单元受迫振动产生的电信号。

需要说明的是，微机械陀螺仪采用的是电容驱动，即敏感单元可以看作是电容的一个电极，而检测轴驱动电极、检测轴检测电极以及外围的其它电极可以看作是电容的另一个电极。当然，在其他实施例中，微机械陀螺仪也可以采用其它形式的驱动方式，如静电驱动、电感驱动、热电驱动或压电驱动等方式。

微机械陀螺仪的检测轴检测电极获取敏感单元受迫振动产生的电信号后，将该电信号传送给前置滤波器303进行滤波，过滤掉该电信号中高于1/2采样频率的高频分量，防止频谱混叠现象的发生，从而抑制噪声的影响。前置滤波器303将滤波后的电信号送入模数转换电路304，该模数转换电路304将滤波后的电信号进行模数转换后得到数字电信号，让后将该数字电信号传送给信号解调单元305。信号解调单元305对接收的数字电信号进行解调后得到解调信号，然后将解调信号发送给FPGA306。

需要说明的是，信号解调单元305在对数字电信号进行解调时，将数字电信号与解调参考信号进行相乘后，将相乘后的信号再通过低通滤波器进行滤波，可以得到解调信号的幅值，该解调信号就是检测轴检测电极输出的电信号。在得到解调信号后，信号解调单元305将该解调信号传送给FPGA306。

在FPGA306接收解调信号后，一方面将该解调信号输出给上位机309，由于上位机309进行采集，可以通过上位机309查看到微机械陀螺仪的检测轴检测电极输出的电信号。另一方面，FPGA306根据接收的解调信号的幅值和相位，计算出实时控制信号。

需要说明的是，微机械陀螺仪需要的实时控制信号一般有三种：驱动闭环控制信号、力平衡闭环控制信号和正交抑制闭环控制信号。其中，驱动闭环控制信号用于保证驱动微机械陀螺仪振动时保持恒幅恒频，即一是保证微机械陀螺仪的幅度恒定，二是保证微机械陀螺仪始终在其驱动轴的谐振频率上振动。

需要说明的是，比如，对于驱动闭环控制，频率跟踪控制主要有锁相技术和自动选频技术，锁相技术根据相位差不断来调整驱动电压的频率来实现频率跟踪，由于锁相技术比自动选频技术复杂，因此常用自动选频技术来保证频率跟踪。对于恒幅振动的控制，多采用自动增益控制方法，通过检测振动幅度与设定的参考幅度相比较来自动调节驱动电压的幅度。

正交抑制闭环控制信号指的是正交抑制信号。以正交抑制信号为例，请参阅图4，图4是本发明实施例四提供的正交抑制闭环控制的场景示意图。正交抑制闭环控制的信号控制原理如下：正交误差信号401施加在检测模态传递函数402上，经过电荷放大器403进行放大后得到正交误差电信号。该正交误差电信号与解调基准信号404经过乘法器405相乘后，然后经过低通滤波器406进行滤波得到正交误差的幅值信号，相乘及低通滤波为信号解调单元305进行解调的过程。该正交误差的幅值信号通过比例积分控制器(proportionalintegral controller)407即PI控制器后得到正交误差抑制信号的大小，积分作用时增大比例度，可保持稳定性。该正交误差抑制信号通过力矩转换器408施加在微机械陀螺仪的检测轴上。

其中，正交误差信号401的表达式为Aqcos(ω

在对微机械陀螺仪进行闭环控制时，由于驱动闭环控制、力平衡闭环控制和正交抑制闭环控制是已有的方法，在此不再赘述。

信号合成单元307对实时控制信号进行幅值和相位调节，将调节后的控制信号传送给数模转换电路308，数模转换电路308将该调节后的控制信号进行数模转换后，得到模拟控制信号，会输入到微机械陀螺仪相应的驱动电极上，以对微机械陀螺仪进行闭环控制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述终端设备的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。