電容式微陀螺敏感信號的雙路諧波提取裝置的製作方法
2023-07-30 08:56:36
專利名稱：電容式微陀螺敏感信號的雙路諧波提取裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及傳感技術，尤其涉及一種電容式微陀螺敏感信號雙路諧波提取方法及提取裝置。
背景技術：
諧振式微陀螺利用電容極板間交變靜電力，使振子產生機械振動，利用轉動角速度產生的柯裡奧利力，使振子在與驅動方向正交的方向上振動。這個正交振動通過另外一組傳感電容檢測出來。傳統的信號調理方法是在公共電極G上加直流偏置，C、D電極上加相差180°的正弦驅動電壓，在A、B上檢出電容變化。由於動態電容很小，約2pf左右，柯裡奧利力作用引起的電容變化量則更小，大約為1％。A、B需要與由高輸入阻抗的運算放大器所構成的電荷放大器連接。驅動信號和敏感信號頻率相同。由於驅動極和敏感極之間的雜散電容耦合相對於驅動電容或敏感電容處於同一量級，所以採用這種傳統方法存在嚴重的信號耦合問題。被耦合到敏感極上的驅動信號比柯氏力產生的信號大數百倍。用相敏檢波方法很難高精度地穩定分離出驅動和敏感兩同頻正交信號。也有許多用高頻信號作為載波加在敏感電容上，企圖解決原同頻信號耦合的問題的作法，效果並不理想，另外也增加了電路的複雜性。
技術內容本實用新型提供一種能夠減小驅動信號對敏感信號幹擾的低幹擾電容式微陀螺敏感信號的雙路諧波提取方法及提取裝置。
本實用新型採用如下技術方案一種涉及傳感技術的電容式微陀螺敏感信號的雙路諧波提取裝置，由具有微陀螺公共電容電極G、驅動電容電極C、D和敏感電容電極A、B組成，驅動電容電極C、D分別連接正負直流偏置電壓，在敏感電容電極A、B上分別連接有反相放大器3、4且分別與反相放大器3、4的輸入端連接，在反相放大器3、4輸出端上連接有差動放大器5且反相放大器3、4輸出端分別與差動放大器5的兩輸入端連接，在差動放大器5的輸出端上連接有相敏整流器9且與相敏整流器9的輸入端連接，在微陀螺公共電容電極G上連接有放大器7且與放大器7的輸出端連接，在放大器7上連接有基波信號源2且與基波信號源2的輸出端連接，在上述驅動電容電極C、D分別連接有反相放大器10、11且分別與反相放大器10、11的輸入端連接，在反相放大器10、11的輸出端上連接有差動放大器12且分別與差動放大器12的兩輸入端連接，在差動放大器12的輸出端上連接有連接移相器14且與移相器14的輸入端連接，移相器14的輸出端與相敏整流器9的相位參考端連接。
與現有技術相比，本實用新型具有如下優點本實用新型利用基波信號源發出基波信號並使其經放大器7進行電平變換後輸至微陀螺公共電容電極。微陀螺的驅動電容電極用正負直流分別偏置，使機械振動頻率與基波信號源頻率相同。敏感電容電極處於零偏置，使理論上只有柯裡奧利力才能在敏感方向產生機械振動。由於微陀螺公共電容電極的機械振動，改變了其與電容電極極板的電容。驅動電壓與公共電容電極的機械振動在電容A、B、C、D中產生二次諧波電流。本實用新型利用差動方法從C、D所產生二次諧波電流中提取出與驅動方向上機械振動幅度和相位相關的二次諧波電信號，以及利用差動方法從A、B所產生二次諧波電流中提取出與驅動方向正交的，即柯裡奧利力敏感方向上的機械振動幅度和相位相關的二次諧波電信號。本實用新型利用差動方法使基波信號相消，二次諧波信號相長疊加。兩路諧波信號進行相敏解調得到與轉動速度和方向相關的模擬電平信號或數位訊號。
本實用新型基本上消除了電容式微陀螺中驅動信號對敏感信號的幹擾耦合，解決了電容式微陀螺中微弱的敏感信號的放大拾取問題，降低了對微機械加工精度的要求。
1、本實用新型將基波(驅動信號)加在公共極上，其它各極A、B、C、D交流接地或虛地，這樣A、B、C、D之間的雜散耦合電容影響在理論上將為零。驅動頻率與驅動方向的機械諧振頻率相同。這裡採用的二項特別技術a)驅動極C、D通過電阻用正負直流分別偏置，同時通過大電容交流接地或虛地。C、D端交流信號被短路，無法耦合到A、B端。
b)敏感端不加直流偏置，驅動力相互抵消，在敏感方向不會產生驅動信號引起的基頻振動。如果殘存的結構工藝缺陷仍然存在，出現殘餘不平衡力，那麼只要敏感方向的機械諧振頻率不同於驅動信號的二倍頻，驅動信號所引起的敏感方向的二倍頻殘餘機械振動將是很微弱的，其幅值遠小於柯氏力引起振動的幅值。如果驅動方向的力與敏感方向不完全正交，則動態時(轉速為零時)在敏感方向也會出現與驅動方向同頻的微弱機械振動，稱基波殘餘耦合振動。基波殘餘耦合振動正比於驅動方向的機械振動幅值，該相位與驅動方向同向或反向。基波殘餘耦合振動與柯氏力引起機械振動疊加。如果驅動方向的機械振動處於線性區，則這種疊加也是線性的。
2、機械振動會引起驅動極與敏感極電容變化。這種變化使其通過的電流被二倍頻調製。電容中的電流含有基波成分和二倍頻諧波成分。由於兩個驅動電容C、D和兩個敏感電容A、B的機械振動引入的變化是差動的，因此兩敏感電容中電流的基波成分彼此同向，二次諧波相位彼此相反，並且與驅動電容C、D中的二次諧波相位正交。敏感電容A、B中的二次諧波存在兩種成分其一，基波殘餘耦合振動引起的固定值，稱為橫向幹擾；其二，柯氏力引起的變化成分，稱為轉動敏感二次諧波。由於微機械加工工藝問題，使得驅動方向的機械振動少量地耦合到了敏感方向，產生了橫向幹擾二次諧波，其相位與柯裡奧利力所產生的振動相位相差90°，即正交。實驗還表明橫向幹擾二次諧波遠小於轉動敏感二次諧波的滿量程值，而且為固定值。這裡採用如下技術消除基波幹擾利用差動放大器，使基波成分抵消(相減)，二次諧波增強(相加)。
當微陀螺的機械結構由於工藝問題不嚴格對稱並且差動放大器也存在失調時，在差動放大後的信號中存在多種成分Ud＝轉動敏感二次諧波+轉動敏感直流+橫向幹擾二次諧波+殘餘基波調整差動放大器兩輸入部分的放大比率，可最大程度地消除殘餘基波成份。
利用帶通濾波器，消除殘餘的基波成份，轉動敏感直流成份，並對二次諧波放大。
3、將二次諧波進行相敏整流，消除與敏感信號正交的殘餘固定成分。相敏整流後的輸出電壓幅值正比於角速度，符號和角速度方向對應。
4、驅動電容中的二次諧波電流的幅值正比於機械振動幅值，其相位也與機械振動的相位相關聯。所以檢測驅動電容中的二次諧波電流，可推算出實際的機械振動的狀態。檢測出機械振動狀態後可實現對機械振動的閉環穩定性控制。
5、本實用新型可以隨時對微陀螺的工作狀態進行閉環調整，使傳感器對環境的適應能力提高。
圖1是本實用新型結構框圖，其中，8為低通放大器。
圖2是本實用新型實施例電路圖，其中，8為低通放大器。
圖3是本實用新型另一實施例電路圖。
具體實施方式
實施例1一種用於獲取微陀螺動態敏感信號的雙路諧波提取裝置，由具有微陀螺公共電容電極G、驅動電容電極C、D和敏感電容電極A、B組成，敏感電容電極A、B交流虛地，驅動電容電極C、D經電容交流虛地，驅動電容電極C、D分別連接正負直流偏置電壓，在敏感電容電極A、B上分別連接有反相放大器3、4且分別與反相放大器3、4的輸入端連接，在反相放大器3、4輸出端上連接有差動放大器5且反相放大器3、4輸出端分別與差動放大器5的兩輸入端連接，在差動放大器5的輸出端上連接有相敏整流器9且與相敏整流器9的輸入端連接，在微陀螺公共電容電極G上連接有放大器7且與放大器7的輸出端連接，在放大器7上連接有基波信號源2且與基波信號源2的輸出端連接，在上述驅動電容電極C、D分別連接有反相放大器10、11且分別與反相放大器10、11的輸入端連接，在反相放大器10、11的輸出端上連接有差動放大器12且分別與差動放大器12的兩輸入端連接，在差動放大器12的輸出端上連接有移相器14且與移相器14的輸入端連接，移相器14的輸出端與相敏整流器9的相位參考端連接，上述反相放大器3、4、10或11可以採用型號為LF155的運算放大器，反相放大器3、4、10或11的另一輸入端接地，上述差動放大器5或12可以採用型號為LF155的運算放大器，放大器7由型號為LF155的運算放大器和電阻R73組成，運算放大器的一個輸入端接地，電阻R73跨接於運算放大器的另一輸入端與輸出端之間，在運算放大器的另一個輸入端上連接有相互串聯的電阻R71和電容C71且電阻R71的另一端為放大器7的輸入端，電容C711的另一端與運算放大器的另一個輸入端連接，在相互串聯的電阻R71和電容C71的連接點上連接有電阻R72和電容C72，電阻R72的另一端接地，電容C72的另一端與運算放大器的輸出端連接，基波信號源2、相敏整流器9和移相器14可以採用下列二種具體方案之一來實現，具體方案一為相敏整流器9、由數位訊號處理器DSP實現，用於處理源自敏感電容電極A、B信號的差動放大器5的輸出端與數位訊號處理器DSP的A/D輸入端連接，該差動放大器5的輸出端可以經過二次諧波帶通放大器放大後再與數位訊號處理器DSP的A/D輸入端連接，基波信號源2和移相器14由數位訊號處理器DSP產生，基波信號從數位訊號處理器DSP的D/A輸出端輸至放大器7的輸入端，用於處理源自驅動電容電極C、D信號的差動放大器12的輸出端與數位訊號處理器DSP的另一A/D輸入端連接，上述差動放大器12的輸出端經二次諧波帶通放大器13與數位訊號處理器DSP的另一A/D輸入端連接，二次諧波帶通放大器6或13可以採用型號為LF155的運算放大器；具體方案二為相敏整流器9採用型號為AD630的相敏整流放大器；移相器14由電阻R141和R142、電容C141和C142及電位器W141組成，電阻R141和電容C142構成滯後移相網絡，電阻R142和電容C141構成超前移相網絡，電位器W141跨接於滯後移相網絡和超前移相網絡的輸出點，電位器W141的移動觸點與相敏整流器9的相位參考端相聯接。
權利要求1.一種涉及傳感技術的電容式微陀螺敏感信號的雙路諧波提取裝置，由具有微陀螺公共電容電極(G)、驅動電容電極(C和D)和敏感電容電極(A和B)組成，其特徵在於驅動電容電極(C和D)分別連接正負直流偏置電壓，在敏感電容電極(A和B)上分別連接有反相放大器(3和4)且分別與反相放大器(3和4)的輸入端連接，在反相放大器(3和4)輸出端上連接有差動放大器(5)且反相放大器(3和4)輸出端分別與差動放大器(5)的兩輸入端連接，在差動放大器(5)的輸出端上連接有相敏整流器(9)且與相敏整流器(9)的輸入端連接，在微陀螺公共電容電極(G)上連接有放大器(7)且與放大器(7)的輸出端連接，在放大器(7)上連接有基波信號源(2)且與基波信號源(2)的輸出端連接，在上述驅動電容電極(C和D)分別連接有反相放大器(10和11)且分別與反相放大器(10和11)的輸入端連接，在反相放大器(10和11)的輸出端上連接有差動放大器(12)且分別與差動放大器(12)的兩輸入端連接，在差動放大器(12)的輸出端上連接有連接移相器(14)且與移相器(14)的輸入端連接，移相器(14)的輸出端與相敏整流器(9)的相位參考端連接。
2.根據權利要求1所述的提取裝置，其特徵在於相敏整流器(9)、移相器(14)和基波信號源(2)由數位訊號處理器(DSP)實現，用於處理源自敏感電容電極(A和B)信號的差動放大器(5)的輸出端與數位訊號處理器(DSP的A/D)輸入端連接，基波信號源(2)由數位訊號處理器(DSP)產生，基波信號從數位訊號處理器(DSP)的D/A輸出端輸至放大器(7)的輸入端。
3.根據權利要求1所述的提取裝置，其特徵在於敏感電容電極(A和B)交流虛地，驅動電容電極(C和D)經電容交流虛地。
專利摘要本實用新型公開了一種電容式微陀螺敏感信號的雙路諧波裝置，基波信號經放大器電平變換後輸至微陀螺公共電容電極並將微陀螺的驅動電容電極用正負直流分別偏置，從敏感電容電極分別提取出敏感信號並使其反相放大後，再差動放大，該輸出信號經過相敏整流和低通放大後即得微陀螺敏感信號，從微陀螺的驅動電容電極分別提取信號並將其分別輸至反相放大器，其輸出信號再被差動放大，差動放大器的輸出信號經移相器移相處理後作為相敏整流的相位參考端的控制信號輸至相敏整流器的相位參考端，它由具有微陀螺公共電容電極、驅動電容電極和敏感電容電極組成。它能夠減小驅動信號對敏感信號的幹擾。
文檔編號G01C19/5726GK2711694SQ20042006221
公開日2005年7月20日 申請日期2004年6月29日 優先權日2004年6月29日
發明者陳建元, 蘇巖, 周百令, 趙琪 申請人:東南大學