一种基于载波检出的微电容陀螺信号检测方法与流程

本发明涉及微机电(MEMS)系统技术领域，具体地，涉及一种基于载波检出的微电容陀螺信号检测方法。

背景技术：
陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。MEMS微陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点。随着我国经济的发展，我国在军事、工业及消费电子等领域对高性能、小尺寸、高可靠性的MEMS微陀螺的需求正变得日益迫切。专利公开号CN102305627B提供了一种圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，在此方案的技术中，其圆盘状压电振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在基体上，驱动电极，信号检测电极以及模态检测电极位于圆盘状压电振子的上表面，电位参考电极位于圆盘状压电振子的下表面。在上述技术中，并未给出具体的信号检测方法，其电极位于圆盘状压电振子上，在压电振子高频振动的情况下存在一定的不稳定性，可靠性不高；同时，因需要在压电振子上做电极引线，其加工工艺比较复杂，加工成本较高，实现起来有一定难度，不适合大批量生产。

技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于载波检出的微电容陀螺信号检测方法，利用差动电容检测陀螺状态，从而在陀螺仪底座上配置电极，无需谐振子引线，从而简化加工工艺，减小半球谐振陀螺设计难度。为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：根据本发明的一方面，提供一种基于载波检出的微电容陀螺信号检测方法，所述方法通过多频率载波叠加在各电极对上，此时，各电极对(至少包括驱动电极对、检测电极对，还可以进一步包括监测电极对、平衡电极对；这些电极对都是一般陀螺所具有的结构)与陀螺谐振子之间的差动电容会根据陀螺的振动状态发生相应的变化，通过检测此差动电容变化可完成陀螺的信号检测。具体地，本发明所述方法包括如下步骤：所述方法包括如下步骤：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的载波激励驱动信号，经A/D转换作用于驱动电极对上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，检测电极对或监测电极对上的差动电容耦合信号经过C/V转换以及放大、D/A转换后输入控制器以对此时陀螺的工作状态进行反馈；步骤3：控制器根据步骤2中的信号反馈，对步骤1中驱动信号的频率以及幅值进行实时调整，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤4：检测电极对上的差动电容耦合信号，或检测电极对和平衡电极对上的差动电容耦合信号，进行C/V转换以及后续放大后，配合监测电极信号进行相敏解调，经低通滤波后得到对应于陀螺角速度输入信号的直流信号；步骤5：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。进一步的，本发明也可以采用频分复用信号传输方法检出信号，此时方法具体为：在陀螺各电极对上分别应用不同频率的载波信号，这些不同频率的载波信号经所述电容间隙，可以实时的反映出陀螺此时的振动状态，在公共电极上对混合多频率载波信号进行检出，并对其进行解调，即可根据不同频率载波的信号表征获得陀螺相应振点的振动信息，从而完成陀螺振动状态的检测。具体地，所述采用频分复用信号传输方法检出信号，方法包括如下步骤：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的激励驱动信号，经A/D转换作用于驱动电极对上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，在各个电极对上施加不同频率，相对步骤1所述驱动信号幅值至少小2个数量级的载波调制信号；步骤3：在陀螺的公共电极上可检出一包含多个载波信号的公共信号，针对此公共电极信号，对不同频段的载波信号分别进行解调即可得到陀螺各个电极对的信号，可知各个电极对所在位置的振动状态；步骤4：控制器根据步骤3中所解调到的监测电极对的信号反馈，对步骤1中驱动信号的频率以及幅值进行实时调整，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤5：根据步骤3中所得到的的公共信号载波进行解调，经控制器处理后可得一反映此时陀螺振动状态的直流信号；步骤6：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。优选地，所述电极对与所述谐振子之间的电容为差动电容，并通过电容耦合方式输出差动电容检测信号。优选地，所述差动电容检测信号随陀螺角速度输入而变化，被检测差动电容的变化在百fF量级。优选地，每对所述电极对上的信号为同频同幅值反向信号；相对位置的两对所述电极对上的信号为同频同幅值反向信号。更优选地，驱动时，在所述驱动电极对上施加不同频率的载波电压。更优选地，在交流载波电压驱动下，当所述谐振子受陀螺角速度输入影响时，所述检测电极对上的交流检测信号会产生变化，该变化可反应陀螺角速度信息。对绝大多数陀螺来说，其驱动端以及检测端必不可少，在本发明中，监测电极以及平衡电极主要提供系统反馈以及解调参考，可有效提升系统性能，但并非必须，故而，本发明所涉及方法适用于绝大多数陀螺，特别的，频分复用方法所涉及陀螺需用公共电极信号检出，其单点信号检出的特性也对陀螺系统的设计提供了一定便利。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明采用差动电容检测方法，无需谐振体上进行金属图形化电极引线；进一步的，采用频分复用的信号检出方式，保证陀螺的检测信号的识别性；在基底加工电极，很大程度上简化加工工艺，减小半球谐振陀螺设计与加工难度。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明一实施例的俯视图；图2为本发明一实施例的侧视截图；图3为本发明一实施例的谐振子与基底电极等效电容图；图4为本发明一实施例的方法信号流图；图5为本发明在一实施例中谐振子与基底电极等效电容图；图6为为本发明一实施例的信号流图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。如图1所示，为本发明一实施例涉及的系统俯视图，其中：100为微陀螺底座；101为微陀螺与底座电容间隙，其中，该间隙在检测时的距离变化可反映为微陀螺谐振子与电极对之间的差动电容变化；102为半球谐振子；103为将半球谐振子固定于底座上的支撑柱；104(AB)、108(AB)为驱动电极对，105(AB)、109(AB)为检测电极对，106(AB)、110(AB)为监测电极对，107(AB)、111(AB)为平衡电极对。在上述结构中，其底座电极对以及对应陀螺的谐振子之间的差动电容变化可对应陀螺谐振子的振动状态变化，以驱动电极对104为例，104(A)电极与104(B)电极在系统启动时会被施加相位相反的一对正弦信号，其作用与104电极上通过其与谐振子之间的电容间隙作用于陀螺以使陀螺起振，驱动电极108同理。在图1所述系统中，其信号检测流程如下：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的载波激励驱动信号，经A/D转换分别作用于驱动电极对104(AB)、108(AB)上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，监测电极对106(AB)、110(AB)上的差动电容耦合信号经过C/V转换以及放大、D/A转换后输入控制器以对此时陀螺的工作状态进行反馈；步骤3：控制器根据步骤2中的信号反馈，对步骤1中驱动信号的频率以及幅值进行实时调整，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤4：检测电极对105(AB)、109(AB)以及平衡电极对107(AB)、111(AB)上的差动电容耦合信号进行C/V转换以及后续放大后，配合监测电极对106(AB)、110(AB)信号进行相敏解调，经低通滤波后得到对应于陀螺角速度输入信号的直流信号；步骤5：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。在以下图2、3、4所示陀螺结构中，可以类似的采用上述信号检测方法进行信号检出，以本实施例作为基础，可针对不同陀螺做出若干变形和改进。如图2所示，为本发明一实施例涉及的半球谐振陀螺系统侧视截图，其中：200为微陀螺底座；201为微陀螺与底座电容间隙；202为半球谐振子；203为将半球谐振子固定于底座上的支撑柱；204可选的，为对称分布的驱动电极对、检测电极对、监测电极对、平衡电极对。在图2所述系统中，其信号检测流程如下：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的载波激励驱动信号，经A/D转换分别作用于驱动电极对上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，监测电极对上的差动电容耦合信号经过C/V转换以及放大、D/A转换后输入控制器以对此时陀螺的工作状态进行反馈；步骤3：控制器根据步骤2中的信号反馈，对步骤1中驱动信号的频率以及幅值进行实时调整，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤4：检测电极对以及平衡电极对上的差动电容耦合信号进行C/V转换以及后续放大后，配合监测电极对信号进行相敏解调，经低通滤波后得到对应于陀螺角速度输入信号的直流信号；步骤5：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。如图3所示，为本发明一实施例涉及的摇摆质量增强固体波动微陀螺俯视图，其中：301为微陀螺底座；302为微陀螺与底座电容间隙；303为摇摆质量增强固体波动微陀螺谐振子；304(AB)、306(AB)为驱动电极对；305(AB)、307(AB)为检测电极对；在图3所述系统中，其信号检测流程如下：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的载波激励驱动信号，经A/D转换分别作用于驱动电极对304(AB)、306(AB)上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，检测电极对305(AB)、307(AB)上的差动电容耦合信号经过C/V转换以及放大、D/A转换后，输入控制器，可确认此时陀螺的工作状态；步骤3：调整步骤1中所述的驱动信号，以使陀螺处于工作模态固有频率下；步骤4：检测电极对305(AB)、307(AB)上的差动电容耦合信号进行C/V转换以及后续放大后，配合前步所述驱动信号进行解调，经低通滤波后得到对应于陀螺角速度输入信号的直流信号；步骤5：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。如图4所示，为本发明一实施例设计的圆盘体声波固体波动微陀螺侧视截图，其中400为微陀螺底座；401为微陀螺与底座电容间隙；402为半球谐振子；403为将半球谐振子固定于底座上的支撑柱；404可选的，为对称分布的驱动电极对、检测电极对、监测电极对、平衡电极对在图4所述系统中，其信号检测流程如下：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的载波激励驱动信号，经A/D转换分别作用于驱动电极对上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，监测电极对上的差动电容耦合信号经过C/V转换以及放大、D/A转换后输入控制器以对此时陀螺的工作状态进行反馈；步骤3：控制器根据步骤2中的信号反馈，对步骤1中驱动信号的频率以及幅值进行实时调整，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤4：检测电极对以及平衡电极对上的差动电容耦合信号进行C/V转换以及后续放大后，配合监测电极对信号进行相敏解调，经低通滤波后得到对应于陀螺角速度输入信号的直流信号；步骤5：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。在另一实施例中，陀螺的信号检测可采用频分复用的信号检出方式，即在陀螺的相应控制电极对与检测电极对上分别应用不同频率的载波信号，这些不同频率的载波信号经所述电容间隙。可以实时的反映出陀螺此时的振动状态，在公共电极上对混合多频率载波信号进行检出，并对其进行解调，即可根据不同频率载波的信号表征获得陀螺相应振点的振动信息，从而完成陀螺振动状态的检测。如图5所示，为本发明在一实施例中谐振子与基底电极等效电容图，其中：Cd表示驱动、Cs表示检测、Cm表示监测、Cb表示平衡，1-4表示两对成双电极对的序号。相对应图1中，Cd表示104(AB)以及108(AB)与谐振子之间的等效电容；Cs表示105(AB)以及109(AB)与谐振子之间的等效电容；Cm表示106(AB)以及110(AB)与谐振子之间的等效电容；Cb表示107(AB)以及111(AB)与谐振子之间的等效电容；每个电极对的A、B信号为等幅值、同频反相的交流正弦波；特有的，规定电极对中A代表电极信号为0度，B代表电极对位180度；以104A、104B、108A、108B为例，其频率以及幅值相同，104(A)、108(A)为0度信号；104(B)、108(B)为180度信号。i104(AB)以及108(AB)；ii105(AB)以及109(AB)；iii106(AB)以及110(AB)；iv107(AB)以及111(AB)；四组分别对应不同频率的载波信号。步骤1：控制器产生一定频率与幅值的激励驱动信号，经A/D转换作用于驱动电极对104(AB)以及108(AB)；上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，在各个电极对，即分别在：i104(AB)以及108(AB)；ii105(AB)以及109(AB)；iii106(AB)以及110(AB)；iv107(AB)以及111(AB)；上施加不同频率，相对步骤1所述驱动信号幅值至少小2个数量级的载波调制信号。步骤3：在陀螺的公共电极上可检出一包含多个载波信号的公共信号，针对此公共信号，对不同频段的载波信号分别进行解调即可得到陀螺各个电极对的信号，可知各个电极对所在位置的振动状态。步骤4：控制器根据步骤3中所解调到的监测电极对的信号反馈，对步骤1中驱动信号的频率以及幅值进行实时调整，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤5：根据步骤3中所得到的的公共信号载波进行解调，经控制器处理后可得一反映此时陀螺振动状态的直流信号。步骤6：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。若所述陀螺无监测电极对106(AB)以及110(AB)以及平衡电极对107(AB)以及111(AB)检出，此方法步骤简化为：步骤1：控制器产生一定频率与幅值的激励驱动信号，经A/D转换作用于驱动电极对104(AB)以及108(AB)；上，以激振陀螺；步骤2：此时，陀螺处于已激振状态，在所述各个电极对，即分别在：i104(AB)以及108(AB)；ii105(AB)以及109(AB)；上施加不同频率，相对步骤1所述驱动信号幅值至少小2个数量级的载波调制信号；。步骤3：在陀螺的公共电极上可检出一包含多个载波信号的公共信号，针对此公共信号，对不同频段的载波信号分别进行解调即可得到陀螺各个电极对的信号，可知各个电极对所在位置的振动状态。步骤4：控制器根据步骤3中所解调到的检测电极对的信号，观察陀螺此时的振动状态，调整步骤1中驱动信号的频率以及幅值，以保持陀螺处于工作模态固有频率下；步骤5：根据步骤3中所得到的公共信号载波进行解调，经控制器处理后可得一反映此时陀螺振动状态的直流信号。步骤6：经后续测试以及定标即得到此直流信号所对应的陀螺角速度输入值。如图6所示，为本发明另一实施例的信号流图，幅值相同、相位相反的两路正弦载波信号分别施加至一对驱动电极对上，通过电容耦合输出反映谐振子振动变化的调幅波。其后首先完成和C/V转换，再经过差动放大以及二级交流放大，滤波后与监测电极对相位处理后信号进行相敏解调，得到信号后，经低通滤波以及A/D转换后反馈给控制器。本实施例所用电荷放大器，电荷放大器用于微弱信号的检测，可以将陀螺输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能够将陀螺的高阻抗输出转换成低阻抗输出，所用电荷放大器对电阻以及电容精度有一定要求，故必要时可利用如阻抗分析仪等器件进行优选。本实施例差动放大以及二级放大，其各级放大倍数约为10倍左右，增益可调，以补偿陀螺系统加工误差。本实施例相敏解调方案采用模拟乘法解调。在另一实施例中，可采用开关解调，但相比乘法解调此方案会产生较大噪声。在另一实施例中，控制器采用DSP芯片，DSP芯片支持单时钟周期的"乘-加"运算，其具有成本低，低功耗，处理能力高等优点，DSP芯片负责接受A/D转换后的载波解调信号以完成反馈，并作为总控制器行使功能。本发明采用差动电容检测方法，无需谐振体上进行金属图形化电极引线；采用频分复用的信号检出方式，保证陀螺的检测信号的识别性；在基底加工电极，很大程度上简化加工工艺，减小半球谐振陀螺设计与加工难度。本发明所述的一种基于载波检出的微电容陀螺信号检测方法并不局限于某种特定的陀螺，本领域技术人员可以在权利要求的范围内针对不同陀螺做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。值得注意的是，针对上述方法中采用的信号检测步骤的实现方式可根据需要优选的采用模拟+数字电路的方式实现，并不局限为各步骤中采用的具体方法。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。