CN104296737B - 一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，包括三维多曲面融合敏感结构、差分曲面电容检测器、信号处理单元和信号解算单元。该三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统结构简单、性能优良，可以精确得到振动结构的振动信息，进而用于角速率解算以及控制环路构建，可以有效提高以此敏感结构为谐振子的振动陀螺的性能。
Description
技术领域
本发明涉及固态振动陀螺技术领域，具体涉及一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统。
背景技术
固态振动陀螺是基于哥氏效应原理工作的一类陀螺，用振动元件取代传统机械转子，用微幅振动取代高速旋转，利用振动驻波的哥氏效应来完成对敏感角运动的测量。这种陀螺具有体积小、能耗小、机械部件结构简单、抗冲击过载能力强、成本低等突出优点，具有广阔的应用前景。
三维多曲面融合敏感结构在驱动单元的激励下呈现四波腹振动模态，其振幅为百纳米级别。对于该量级的微纳振幅信号，常用的检测方法有：激光测量、压电检测和电容检测。激光测量为非接触式测量，对振动无影响，测试精度高，但测量时间长、成本高、且难以小型化；压电检测为接触式测量，耗时短、体积小、易实现，但精度较差且信号存在损耗；电容检测方法为非接触式测量，测量精度高且体积小、成本低，适用于该三维多曲面融合敏感结构的微纳振幅信号检测。本发明正是基于电容检测原理设计的一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统。
发明内容
本发明所要解决的问题在于：针对三维多曲面融合敏感结构在四波腹工作模态下百纳米量级的微纳振幅难以检测、检测精度差、测试系统体积大、耗时长等缺点，提出了一种简单易行、检测精度高、易于小型化、实时在线检测的三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，该系统包括三维多曲面融合敏感结构、差分曲面电容检测器、信号处理单元和信号解算单元。所述三维多曲面融合敏感结构既不同于弹簧-质量块原理的二维敏感结构，也不同于单一曲面的三维敏感结构，而是一种通过结构优化设计的、具有较高的品质因数和抗过载能力的三维敏感元件。
所述三维敏感结构是一种具有多种曲面融合特征的三维敏感元件，其外表面粘贴有压电电极；三维敏感结构中轴为圆柱形，在中轴上镀化有圆柱面形金属电容极板；所述三维敏感结构内表面也为圆柱面，所述中轴上的圆柱面形金属电容极板与三维敏感结构内表面圆柱面形近似平行，构成平行板电容器。
所述差分曲面电容检测器由敏感结构内表面和镀化在中轴上的圆柱面形金属电容极板构成，其中敏感结构内表面作为动电极，中轴上镀化的金属电容极板作为静电极；所述差分曲面电容检测器共有四组，分别分布于相对驱动方向45°、135°、225°和315°处，用于以电容信号的方式精确拾取微纳振幅信号。所述用于检测信号的差分曲面电容检测器只有内壁的4个电容传感器，不包括压电传感器。互成180°的2个电容传感器构成1对差分传感器，共有2对。
所述信号处理单元包括C/V转换电路、高低通滤波电路、高频调制解调环节、A/D转换电路；电容输出信号通过C/V转换电路转化为电压信号，再进行滤波处理，通过A/D转换电路送入信号解算单元进行解算。所述信号解算单元是指微处理器根据电容变化量与输入角速率的正比关系，通过特定算法将角速率等有用信息解算出来，用于后续反馈控制或输出。本发明所述信号处理单元区别于常规技术手段，由于三维敏感结构的不同，使得振动频率的差别很大，从而导致电容输出正弦信号的频率。对于不同频率的电容号会直接影响信号处理电路的设计及运行，比如高频信号的特殊设计及处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，利用电容检测原理进行微纳振幅信号提取，属于非接触式测量，测量过程不影响敏感结构的振动特性，测量精度高，适用于三维多曲面融合敏感结构的微纳振幅信号检测。
（2）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，成本较低，且易实现小型化，能够很好地与其它电路系统融合，为后期整体电路系统的设计奠定基础。
（3）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，采用差分曲面电容检测器提取微纳振幅信号，进一步提高了振动信息的检测精度。
（4）本发明提出的三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，采用优化设计的微弱信号处理电路、高速微处理器进行信号的处理和解算，在保证信号处理精度的同时可以满足输出速度的要求。
附图说明
图1为本发明一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统结构框图；
图2为本发明三维多曲面融合敏感结构的示意图；
图3为本发明差分曲面电容检测器分布示意图；
图4为本发明电容检测模型示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，如图1所示，该系统包括三维多曲面融合敏感结构、差分曲面电容检测器、信号处理单元和信号解算单元。
所述三维多曲面融合敏感结构既不同于弹簧-质量块原理的二维敏感结构，也不同于单一曲面的三维敏感结构，而是一种通过结构优化设计的、具有多种曲面融合特征的三维敏感元件，具有较高的品质因数和抗过载能力，其结构示意图如图2所示。三维敏感结构（2-1）外表面粘贴有压电电极（2-3）作为驱动单元，用以激励敏感结构呈现四波腹振动模态。在中轴（2-2）上镀化圆柱面形金属电容极板（2-4），与敏感结构内表面构成平行板电容器。
所述差分曲面电容检测器由敏感结构（2-1）内表面和镀化在中轴（2-2）上的圆柱面形金属电容极板（2-4）构成，如图2所示。该电容检测器共有四组，分别分布于相对驱动方向45°（3-1）、135°（3-2）、225°（3-3）和315°（3-4）处（即振型波节点位置），如图3所示，主要用于以电容信号的方式精确拾取波节点处（有角速率输入时变为波腹点）的微纳振幅信号，然后采用差分形式进行数据融合，进一步提高了振动信息的检测精度。
所述信号处理单元主要由C/V转换电路、高低通滤波电路、高频调制解调环节、A/D转换电路等部分组成，示意图如图4所示，其中敏感结构内表面（4-1）作为动电极，中轴上镀化的金属电容极板（4-2）作为静电极，电容输出信号进过电荷放大器（4-3）转化为电压信号，再进行滤波（4-4）等信号处理，通过A/D（4-5）送入微处理器（4-6）中进行解算。
所述信号解算单元是指微处理器根据电容变化量与输入角速率的正比关系，通过特定算法将角速率等有用信息解算出来，用于后续反馈控制或输出。具体为：
当采用平板电容器进行振幅检测时，有
(1)
其中S为极板正对面积，d为极板间距，k为静电常数(9×109 )，π为圆周率， 为介电常数。
当敏感结构振幅为y时，电容器的电容值变为：
(2)
对式子(2)进行泰勒级数展开，可得
(3)
由于d为μm级，而y实测为nm级，所以满足 ，忽略高阶小量，式(3)可近似为
(4)
由哥氏原理可以推知，敏感结构振幅y与输入角速率 的关系为：
(5)
综合式(4)、(5)可知
(6)
电容检测器检测出电容C的变化ΔC，信号处理单元将其转换为电压信号V，信号解算单元通过微处理器解算后的输出可表示为：
(7)
其中，Ks为系统的比例系数。这样就得到了输入角速率 。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的优选实施方式而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，其特征在于：该系统包括三维多曲面融合敏感结构、差分曲面电容检测器、信号处理单元和信号解算单元；
所述三维多曲面融合敏感结构是一种具有多种曲面融合特征的三维敏感元件，其外表面粘贴有压电电极；三维多曲面融合敏感结构中轴为圆柱形，在中轴上镀化有圆柱面形金属电容极板；所述三维多曲面融合敏感结构内表面也为圆柱面，所述中轴上的圆柱面形金属电容极板与三维多曲面融合敏感结构内表面圆柱面形近似平行，构成平行板电容器；
所述差分曲面电容检测器由敏感结构内表面和镀化在中轴上的圆柱面形金属电容极板构成，其中敏感结构内表面作为动电极，中轴上镀化的金属电容极板作为静电极；所述差分曲面电容检测器共有四组，分别分布于相对驱动方向45°、135°、225°和315°处，用于以电容信号的方式精确拾取波节点或波腹点处的微纳振幅信号；所述用于检测信号的差分曲面电容检测器只有内壁的4个电容传感器，不包括压电传感器；互成180°的2个电容传感器构成1对差分传感器，共有2对；
所述信号处理单元包括C/V转换电路、高低通滤波电路、高频调制解调环节、A/D转换电路；电容输出信号通过C/V转换电路转化为电压信号，再进行滤波处理，通过A/D转换电路送入信号解算单元进行解算；由于三维多曲面融合敏感结构的不同，使得振动频率的差别很大，从而导致电容输出正弦信号的频率；
所述信号解算单元是指微处理器根据电容变化量与输入角速率的正比关系，通过特定算法将角速率解算出来，用于后续反馈控制或输出。
2.根据权利要求1所述的一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统，其特征在于：
当采用平板电容器进行振幅检测时：
<mrow>
<msub>
<mi>c</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>k</mi>
<mi>&pi;</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中S为极板正对面积，d为极板间距，k为静电常数(9×109)，π为圆周率，ε为介电常数；
当敏感结构振幅为y时，电容器的电容值为：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<mi>C</mi>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>C</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>k</mi>
<mi>&pi;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>d</mi>
<mo>-</mo>
<mi>y</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>k</mi>
<mi>&pi;</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>k</mi>
<mi>&pi;</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mi>d</mi>
<mo>-</mo>
<mi>y</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>d</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
对式子(2)进行泰勒级数展开，可得：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<mi>k</mi>
<mi>&pi;</mi>
<mi>d</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&lsqb;</mo>
<mfrac>
<mi>y</mi>
<mi>d</mi>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mi>y</mi>
<mi>d</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mi>y</mi>
<mi>d</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>3</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<mn>...</mn>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
忽略高阶小量，式(3)可近似为：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>C</mi>
<mo>&ap;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&epsiv;</mi>
<mi>S</mi>
<mi>y</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msup>
<mi>k&pi;d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&Proportional;</mo>
<mi>y</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
敏感结构振幅y与输入角速率Ω的关系为：
<mrow>
<mi>Y</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>s</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>K</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mrow>
<msup>
<mi>T</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<msup>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&zeta;</mi>
<mi>T</mi>
<mi>s</mi>
<mo>+</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mi>&Omega;</mi>
<mo>&Proportional;</mo>
<mi>&Omega;</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
综合式(4)、(5)可得：
ΔC∝Ω (6)
电容检测器检测出电容C的变化ΔC，信号处理单元将其转换为电压信号V，信号解算单元通过微处理器解算后的输出可表示为：
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>V</mi>
<mo>&OverBar;</mo>
</mover>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mi>&Omega;</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Ks为系统的比例系数；
解算出输入角速率Ω。
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Granted publication date: 20180605 Termination date: 20200929 |
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