CN1595062A - 电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法及提取装置 - Google Patents

Abstract

电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法及装置，基波信号经放大器电平变换后输至微陀螺公共电容电极并将微陀螺的驱动电容电极用正负直流分别偏置，从敏感电容电极分别提取出敏感信号并使其反相放大后，再差动放大，该输出信号经过相敏整流和低通放大后即得微陀螺敏感信号，从微陀螺的驱动电容电极分别提取信号并将其分别输至反相放大器，其输出信号再被差动放大，差动放大器的输出信号经移相器移相处理后作为相敏整流的相位参考端的控制信号输至相敏整流器的相位参考端，它由具有微陀螺公共电容电极、驱动电容电极和敏感电容电极组成。它能够减小驱动信号对敏感信号的干扰。

Description

电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法及提取装置

                          技术领域

本发明涉及传感技术，尤其涉及一种电容式微陀螺敏感信号双路谐波提取方法及提取装置。

                          背景技术

谐振式微陀螺利用电容极板间交变静电力，使振子产生机械振动，利用转动角速度产生的柯里奥利力，使振子在与驱动方向正交的方向上振动。这个正交振动通过另外一组传感电容检测出来。传统的信号调理方法是在公共电极G上加直流偏置，C、D电极上加相差180°的正弦驱动电压，在A、B上检出电容变化。由于动态电容很小，约2pf左右，柯里奥利力作用引起的电容变化量则更小，大约为1％。A、B需要与由高输入阻抗的运算放大器所构成的电荷放大器连接。驱动信号和敏感信号频率相同。由于驱动极和敏感极之间的杂散电容耦合相对于驱动电容或敏感电容处于同一量级，所以采用这种传统方法存在严重的信号耦合问题。被耦合到敏感极上的驱动信号比柯氏力产生的信号大数百倍。用相敏检波方法很难高精度地稳定分离出驱动和敏感两同频正交信号。也有许多用高频信号作为载波加在敏感电容上，企图解决原同频信号耦合的问题的作法，效果并不理想，另外也增加了电路的复杂性。

                        发明内容

本发明提供一种能够减小驱动信号对敏感信号干扰的低干扰电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法及提取装置。

本发明采用如下技术方案：

所述方法为：

一种涉及传感技术的电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法，基波信号源2发出的基波信号经放大器7进行电平变换后输至微陀螺公共电容电极G并将微陀螺的驱动电容电极C、D用正负直流分别偏置，然后，分别从敏感电容电极A、B提取出敏感信号并使其经反相放大器3、4放大后，由差动放大器5进行差动放大，该输出信号经过相敏整流和低通放大后即得微陀螺敏感信号，从微陀螺的驱动电容电极C、D分别提取信号并将其分别输至反相放大器10、11，两反相放大器10、11的输出信号再被输至差动放大器12进行差动放大，差动放大器12的输出信号经移相器14移相处理后作为相敏整流的相位参考端的控制信号输至相敏整流器9的相位参考端。

所述装置为：

一种用于实施权利要求1所述方法的提取装置，由具有微陀螺公共电容电极G、驱动电容电极C、D和敏感电容电极A、B组成，驱动电容电极C、D分别连接正负直流偏置电压，在敏感电容电极A、B上分别连接有反相放大器3、4且分别与反相放大器3、4的输入端连接，在反相放大器3、4输出端上连接有差动放大器5且反相放大器3、4输出端分别与差动放大器5的两输入端连接，在差动放大器5的输出端上连接有相敏整流器9且与相敏整流器9的输入端连接，在微陀螺公共电容电极G上连接有放大器7且与放大器7的输出端连接，在放大器7上连接有基波信号源2且与基波信号源2的输出端连接，在上述驱动电容电极C、D分别连接有反相放大器10、11且分别与反相放大器10、11的输入端连接，在反相放大器10、11的输出端上连接有差动放大器12且分别与差动放大器12的两输入端连接，在差动放大器12的输出端上连接有连接移相器14且与移相器14的输入端连接，移相器14的输出端与相敏整流器9的相位参考端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用基波信号源发出基波信号并使其经放大器7进行电平变换后输至微陀螺公共电容电极。微陀螺的驱动电容电极用正负直流分别偏置，使机械振动频率与基波信号源频率相同。敏感电容电极处于零偏置，使理论上只有柯里奥利力才能在敏感方向产生机械振动。由于微陀螺公共电容电极的机械振动，改变了其与电容电极极板的电容。驱动电压与公共电容电极的机械振动在电容A、B、C、D中产生二次谐波电流。本发明利用差动方法从C、D所产生二次谐波电流中提取出与驱动方向上机械振动幅度和相位相关的二次谐波电信号，以及利用差动方法从A、B所产生二次谐波电流中提取出与驱动方向正交的，即柯里奥利力敏感方向上的机械振动幅度和相位相关的二次谐波电信号。本发明利用差动方法使基波信号相消，二次谐波信号相长叠加。两路谐波信号进行相敏解调得到与转动速度和方向相关的模拟电平信号或数字信号。

本发明基本上消除了电容式微陀螺中驱动信号对敏感信号的干扰耦合，解决了电容式微陀螺中微弱的敏感信号的放大拾取问题，降低了对微机械加工精度的要求。

1、本发明将基波(驱动信号)加在公共极上，其它各极A、B、C、D交流接地或虚地，这样A、B、C、D之间的杂散耦合电容影响在理论上将为零。驱动频率与驱动方向的机械谐振频率相同。这里采用的二项特别技术：

a)驱动极C、D通过电阻用正负直流分别偏置，同时通过大电容交流接地或虚地。C、D端交流信号被短路，无法耦合到A、B端。

b)敏感端不加直流偏置，驱动力相互抵消，在敏感方向不会产生驱动信号引起的基频振动。如果残存的结构工艺缺陷仍然存在，出现残余不平衡力，那么只要敏感方向的机械谐振频率不同于驱动信号的二倍频，驱动信号所引起的敏感方向的二倍频残余机械振动将是很微弱的，其幅值远小于柯氏力引起振动的幅值。如果驱动方向的力与敏感方向不完全正交，则动态时(转速为零时)在敏感方向也会出现与驱动方向同频的微弱机械振动，称基波残余耦合振动。基波残余耦合振动正比于驱动方向的机械振动幅值，该相位与驱动方向同向或反向。基波残余耦合振动与柯氏力引起机械振动叠加。如果驱动方向的机械振动处于线性区，则这种叠加也是线性的。

2、机械振动会引起驱动极与敏感极电容变化。这种变化使其通过的电流被二倍频调制。电容中的电流含有基波成分和二倍频谐波成分。由于两个驱动电容C、D和两个敏感电容A、B的机械振动引入的变化是差动的，因此两敏感电容中电流的基波成分彼此同向，二次谐波相位彼此相反，并且与驱动电容C、D中的二次谐波相位正交。敏感电容A、B中的二次谐波存在两种成分：其一，基波残余耦合振动引起的固定值，称为横向干扰；其二，柯氏力引起的变化成分，称为转动敏感二次谐波。由于微机械加工工艺问题，使得驱动方向的机械振动少量地耦合到了敏感方向，产生了横向干扰二次谐波，其相位与柯里奥利力所产生的振动相位相差90°，即正交。实验还表明横向干扰二次谐波远小于转动敏感二次谐波的满量程值，而且为固定值。这里采用如下技术消除基波干扰：

c)利用差动放大器，使基波成分抵消(相减)，二次谐波增强(相加)。当微陀螺的机械结构由于工艺问题不严格对称并且差动放大器也存在失调时，在差动放大后的信号中存在多种成分：

Ud＝转动敏感二次谐波+转动敏感直流+横向干扰二次谐波+残余基波

调整差动放大器两输入部分的放大比率，可最大程度地消除残余基波成份。

d)利用带通滤波器，消除残余的基波成份，转动敏感直流成份，并对二次谐波放大。

3、将二次谐波进行相敏整流，消除与敏感信号正交的残余固定成分。相敏整流后的输出电压幅值正比于角速度，符号和角速度方向对应。

4、驱动电容中的二次谐波电流的幅值正比于机械振动幅值，其相位也与机械振动的相位相关联。所以检测驱动电容中的二次谐波电流，可推算出实际的机械振动的状态。检测出机械振动状态后可实现对机械振动的闭环稳定性控制。

5、本发明可以随时对微陀螺的工作状态进行闭环调整，使传感器对环境的适应能力提高。

                       附图说明

图1是本发明结构框图，其中，8为低通放大器。

图2是本发明实施例电路图，其中，8为低通放大器。

图3是本发明另一实施例电路图。

                     具体实施方式

实施例1  一种涉及传感技术的电容式微陀螺动态敏感信号的谐波提取方法，基波信号源2发出的基波信号经放大器7进行电平变换后输至微陀螺公共电容电极G并将微陀螺的驱动电容电极C、D用正负直流分别偏置，同时通过电容交流虚地，然后，分别从敏感电容电极A、B分别提取出敏感信号并使其经反相放大器3、4后，由差动放大器5进行差动放大，该输出信号经过相敏整流和低通放大后即得微陀螺敏感信号，从微陀螺的驱动电容电极C、D分别提取信号并将其分别输至反相放大器10、11，两反相放大器10、11的输出信号再被输至差动放大器12进行差动放大，差动放大器12的输出信号经移相器14移相处理后作为相敏整流的相位参考端的控制信号输至相敏整流器9的相位参考端，移相处理可使加到相敏整流的相位参考端的控制信号与柯里奥利力所产生的敏感信号同相位，在本实施例中，差动放大器5、12的输出信号分别由二次谐波带通放大器6、13放大后再输至数字信号处理器DSP；基波信号源2由数字信号处理器DSP产生，相敏整流和低通放大由数字信号处理器DSP由数字信号处理器DSP实现，进入相敏整流器信号输入端的信号s(t)含量二种成分：柯里奥利力所产生的有用敏感信号s1(t)可以用Asin(2ωt)表示；横向干扰信号s2(t)可以用Bcos(2ωt)表示；S(t)＝s1(t)+s2(t)；进入相敏整流器参考输入端的信号R(t)可以用sin(2ωt)表示。相敏整流器完成如下运算功能：

$D=\frac{1}{T}\underset{t}{\overset{t+T}{\∫}}S\left(t\right)R\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中T为整周期，数字信号处理中用累加和代替积分运算，用DSP芯片内部含有完成此项功能的乘法累加硬件装置实现。积分式中的R(t)为驱动方向二次谐波实际采样经过相位移动和幅值归一化的值。S(t)是实际采样值。在这个积分中对s2(t)的积分等于零。低通放大器完成平均运算和放大倍数的调整。在DSP中通过数值运算实现。

实施例2  一种用于获取微陀螺动态敏感信号的双路谐波提取装置，由具有微陀螺公共电容电极G、驱动电容电极C、D和敏感电容电极A、B组成，敏感电容电极A、B交流虚地，驱动电容电极C、D经电容交流虚地，驱动电容电极C、D分别连接正负直流偏置电压，在敏感电容电极A、B上分别连接有反相放大器3、4且分别与反相放大器3、4的输入端连接，在反相放大器3、4输出端上连接有差动放大器5且反相放大器3、4输出端分别与差动放大器5的两输入端连接，在差动放大器5的输出端上连接有相敏整流器9且与相敏整流器9的输入端连接，在微陀螺公共电容电极G上连接有放大器7且与放大器7的输出端连接，在放大器7上连接有基波信号源2且与基波信号源2的输出端连接，在上述驱动电容电极C、D分别连接有反相放大器10、11且分别与反相放大器10、11的输入端连接，在反相放大器10、11的输出端上连接有差动放大器12且分别与差动放大器12的两输入端连接，在差动放大器12的输出端上连接有移相器14且与移相器14的输入端连接，移相器14的输出端与相敏整流器9的相位参考端连接，上述反相放大器3、4、10或11可以采用型号为LF155的运算放大器，反相放大器3、4、10或11的另一输入端接地，上述差动放大器5或12可以采用型号为LF155的运算放大器，放大器7由型号为LF155的运算放大器和电阻R₇₃组成，运算放大器的一个输入端接地，电阻R₇₃跨接于运算放大器的另一输入端与输出端之间，在运算放大器的另一个输入端上连接有相互串联的电阻R₇₁和电容C₇₁且电阻R₇₁的另一端为放大器7的输入端，电容C₇₁₁的另一端与运算放大器的另一个输入端连接，在相互串联的电阻R₇₁和电容C₇₁的连接点上连接有电阻R₇₂和电容C₇₂，电阻R₇₂的另一端接地，电容C₇₂的另一端与运算放大器的输出端连接，基波信号源2、相敏整流器9和移相器14可以采用下列二种具体方案之一来实现，具体方案一为：相敏整流器9、由数字信号处理器DSP实现，用于处理源自敏感电容电极A、B信号的差动放大器5的输出端与数字信号处理器DSP的A/D输入端连接，该差动放大器5的输出端可以经过二次谐波带通放大器放大后再与数字信号处理器DSP的A/D输入端连接，基波信号源2和移相器14由数字信号处理器DSP产生，基波信号从数字信号处理器DSP的D/A输出端输至放大器7的输入端，用于处理源自驱动电容电极C、D信号的差动放大器12的输出端与数字信号处理器DSP的另一A/D输入端连接，上述差动放大器12的输出端经二次谐波带通放大器13与数字信号处理器DSP的另一A/D输入端连接，二次谐波带通放大器6或13可以采用型号为LF155的运算放大器；具体方案二为：相敏整流器9采用型号为AD630的相敏整流放大器；移相器14由电阻R141和R142、电容C141和C142及电位器W141组成，电阻R141和电容C142构成滞后移相网络，电阻R142和电容C141构成超前移相网络，电位器W141跨接于滞后移相网络和超前移相网络的输出点，电位器W141的移动触点与相敏整流器9的相位参考端相联接。

Claims (6)

1、一种涉及传感技术的电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法，其特征在于基波信号源(2)发出的基波信号经放大器(7)进行电平变换后输至微陀螺公共电容电极(G)并将微陀螺的驱动电容电极(C和D)用正负直流分别偏置，然后，分别从敏感电容电极(A和B)提取出敏感信号并使其经反相放大器(3和4)放大后，由差动放大器(5)进行差动放大，该输出信号经过相敏整流和低通放大后即得微陀螺敏感信号，从微陀螺的驱动电容电极(C和D)分别提取信号并将其分别输至反相放大器(10和11)，两反相放大器(10和11)的输出信号再被输至差动放大器(12)进行差动放大，差动放大器(12)的输出信号经移相器(14)移相处理后作为相敏整流的相位参考端的控制信号输至相敏整流器(9)的相位参考端。

2、根据权利要求1所述的电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法，其特征在于差动放大器(5和12)的输出信号分别由二次谐波带通放大器(6和13)放大后再输至数字信号处理器(DSP)。

3、根据权利要求1所述的电容式微陀螺敏感信号的双路谐波提取方法，其特征在于基波信号源(2)由数字信号处理器(DSP)产生，相敏整流和低通放大由数字信号处理器(DSP)实现。

4、一种用于实施权利要求1所述方法的提取装置，由具有微陀螺公共电容电极(G)、驱动电容电极(C和D)和敏感电容电极(A和B)组成，其特征在于驱动电容电极(C和D)分别连接正负直流偏置电压，在敏感电容电极(A和B)上分别连接有反相放大器(3和4)且分别与反相放大器(3和4)的输入端连接，在反相放大器(3和4)输出端上连接有差动放大器(5)且反相放大器(3和4)输出端分别与差动放大器(5)的两输入端连接，在差动放大器(5)的输出端上连接有相敏整流器(9)且与相敏整流器(9)的输入端连接，在微陀螺公共电容电极(G)上连接有放大器(7)且与放大器(7)的输出端连接，在放大器(7)上连接有基波信号源(2)且与基波信号源(2)的输出端连接，在上述驱动电容电极(C和D)分别连接有反相放大器(10和11)且分别与反相放大器(10和11)的输入端连接，在反相放大器(10和11)的输出端上连接有差动放大器(12)且分别与差动放大器(12)的两输入端连接，在差动放大器(12)的输出端上连接有连接移相器(14)且与移相器(14)的输入端连接，移相器(14)的输出端与相敏整流器(9)的相位参考端连接。

5、根据权利要求4所述的提取装置，其特征在于相敏整流器(9)、移相器(14)和基波信号源(2)由数字信号处理器(DSP)实现，用于处理源自敏感电容电极(A和B)信号的差动放大器(5)的输出端与数字信号处理器(DSP的A/D)输入端连接，基波信号源(2)由数字信号处理器(DSP)产生，基波信号从数字信号处理器(DSP)的D/A输出端输至放大器(7)的输入端。

6、根据权利要求4所述的提取装置，其特征在于敏感电容电极(A和B)交流虚地，驱动电容电极(C和D)经电容交流虚地。

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