一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法技术

本发明专利技术公开了一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法，所述微弱电容信号检测方法包括，驱动电路输出初始驱动电压，以使谐振子起振；检测电路检测检测电极上的输出信号，判断谐振子的工作状态，并根据谐振子的工作状态调整驱动电路的输出电压，使谐振子起振并维持在工作模态；在谐振子进入工作模态后，检测电路持续检测检测电极输出信号的变化得到对应于陀螺角速度输入信号；根据陀螺角速度输入信号得到位置变化信息

【技术实现步骤摘要】
一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法


[0001]本专利技术涉及半球谐振陀螺领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法
。

技术介绍

[0002]经典的陀螺是利用高速旋转的质量所具有的定轴性和进动性而制成的，依据主要原理是角动量守恒
。
这类陀螺在构造上存在转子和框架支承因而对陀螺造成各种附加误差
。
谐振陀螺以其独特的优点越来越受到人们的重视，半球谐振陀螺出现于
20
世纪
60
年代才出现的一种新型陀螺
。
与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，半球谐振陀螺具有结构上无高速转子
、
无活动部件，不需要预热，启动时间短；能承受大的机动过载，具有很强的抗冲击能力，且谐振子材料通常为石英玻璃，其稳定的物理特性使得它具有很高的可靠性和超长的寿命，高品质的石英谐振子具有高
Q
值的特点，即使驱动电极发生故障，高品质石英振子的半球谐振陀螺仍可保持
20
分钟以上的工作时间；同时石英玻璃具有本征抗辐射能力，所以半球谐振陀螺常用于空间航天器的定姿与导航以及军事导航中
。
[0003]微半球谐振陀螺本质上是一种固体波动式微机械振动陀螺，基于哥氏力效应检测角速度的输入
。
传统的三件套式半球谐振陀螺主要包括三个部件：谐振子
、
驱动外壳以及敏感基座
。
三件套式半球谐振陀螺目前在国内已得到了部分应用，在三件式结构中，谐振子的起振驱动
、
检测与控制分别由谐振子的内
、
外球面电极实现，激励电容与检测电容被谐振子隔离，从而能够同时实现谐振子振动信号的电驱动与电检测
。
但三件套式半球谐振陀螺复杂的制造工艺和高精度的装配要求，限制了陀螺的量产
。
新型的两件套式半球谐振陀螺由于其具备结构简易
、
性能稳定
、
可靠性高及易于维护等诸多优点，逐渐成为了研究的热点
。
两件套式半球谐振陀螺的谐振子受静电力起振，正常工作后，需要通过检测电极输出陀螺谐振带来的电信号，陀螺的谐振状态会改变谐振子唇沿电极与基座平面电极的间距，使电荷量发生变化，通过对变化的电荷量进行转换放大后，实现对陀螺输出电信号的测量
。
在目前常见的两件套式半球谐振陀螺制造工艺中，谐振子的起振驱动，电检测与控制均由谐振子的端面电极实现，即驱动电容与检测电容共用同一电极板，因而其起振驱动与电检测都需要进行特殊的设计从而达到隔离频分，时分以及电极复用来达到避免驱动信号与检测信号间的互相干扰
。
这样会造成电路设计难度的增加，并且驱动电容与检测电容共用同一电极板也意味着，在进行驱动的同时无法进行实时检测，难以准确地判断电荷量的变化
。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的之一在于提供一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法，以解决两件套式半球谐振陀螺共用驱动电容与检测电容存在的无法进行实时检测，难以准确地判断检测电极电荷量的变化，微弱电容信号检测精度低的问题
。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现，一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法，包括以下步骤：
S100、
驱动电路输出初始驱动电压，以使谐振子起振；
S200、
检测电路检测检测电极上的输出信号，判断谐振子的工作状态，并根据谐振子的工作状态调整驱动电路的输出电压，使谐振子起振并维持在工作模态；
S300、
在谐振子进入工作模态后，检测电路持续检测检测电极输出信号的变化得到对应于陀螺角速度输入信号；
S400、
根据陀螺角速度输入信号得到位置变化信息
。
[0006]需要说明的是，常见的两件套式半球谐振陀螺由于对传统的三件套式结构进行了简化，仅保留读出基座和谐振子
。
由于结构的限制，两件套式半球谐振陀螺通常将驱动电容和检测电容合二为一，两个共用同一电极板，并且同时安装于读出基座的水平面上
。
由于共用同一电极板导致驱动电极无法做大，这造成了驱动的困难
。
同时也意味着起振驱动与电检测都需要进行特殊的设计从而达到隔离频分，时分以及电极复用来达到避免驱动信号与检测信号间的互相干扰，这造成了电路设计难度的增加
。
同时电极的复用也意味着在进行驱动的同时无法进行实时检测，并且由于复用的存在也会造成大量的干扰，检测电极产生的信号本来就很微弱，干扰的增加对于准确检测陀螺的运动状态提出了很大的挑战
。
对此申请人通过在保留二件式原有结构的基础上，通过设置凸台分离了驱动电极和检测电极，避免了驱动检测共用同一电极的导致的电路复杂，由于驱动电极和检测电极的分离，可以使得检测电极专用于检测微弱的电容信号，减少了大量无关的干扰源，提高了信号的纯净度，减少了后续滤波降噪的难度，并且能够更加精确地检测微小的电容信号变化
。
[0007]进一步地，检测电路检测检测电极上的输出信号，可包括以下子步骤：
S210、
在陀螺基座水平面上设置有8个检测电极，将8个检测电极分为4组，每一组信号输出端设有第一放大器；
S220、
将经过第一放大器放大的电信号，输入第一滤波器；
S230、
将第一滤波器输出的信号输入整流器进行整流，将整流过的信号输入第二放大器；
S240、
将第二放大器输出的信号输入第二滤波器，将第二滤波器输出的信号输入到驱动电路，驱动电路根据该信号判断谐振子是否处于工作模态
。
[0008]进一步地，将8个检测电极分为4组包括，8个检测电极以
45
°
为间隔安装在陀螺基座水平面上，以
x
轴的正方向为0°
设置在该方向的检测电极为第一检测电极；逆时针依次排列有位于
45
°
方向的第二检测电极，位于
90
°
的第三检测电极，位于
135
°
的第四检测电极，位于
180
°
的第五检测电极，位于
225
°
的第六检测电极，位于
270
°
的第七检测电极以及位于
315
°
的第八检测电极，检测电极中相差
180
°
的两个电极划分为同一组；其中，第一检测电极和第五检测电极为第一组，第二检测电极和第六检测电极为第二组，第三检测电极和第七电极为第三组，第四检测电极和第八检测电极为第四组
。
[0009]需要说明的是，当谐振子工作在二阶工作模态时，谐振的波形产生驻波，具有四个等间距的波腹和波节点，根据这一特点，申请人对第一放大器进行了简化，以8个检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法，其特征在于，所述微弱电容信号检测方法包括，
S100、
驱动电路输出初始驱动电压，以使谐振子起振；
S200、
检测电路检测检测电极上的输出信号，判断谐振子的工作状态，并根据谐振子的工作状态调整驱动电路的输出电压，使谐振子起振并维持在工作模态；
S300、
在谐振子进入工作模态后，检测电路持续检测检测电极输出信号的变化得到对应的陀螺角速度输入信号；
S400、
根据陀螺角速度输入信号得到位置变化信息
。2.
根据权利要求1所述的半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法，其特征在于，所述检测电路检测检测电极上的输出信号，包括以下子步骤：
S210、
在陀螺基座水平面上设置有8个检测电极，将8个检测电极分为4组，在每一组信号输出端后设有第一放大器；
S220、
将经过第一放大器放大的电信号，输入第一滤波器；
S230、
将第一滤波器输出的信号输入整流器进行整流，将整流过的信号输入第二放大器；
S240、
将第二放大器输出的信号输入第二滤波器，将第二滤波器输出的信号输入到驱动电路，驱动电路根据该信号判断谐振子是否处于工作模态
。3.
根据权利要求2所述的半球谐振陀螺平面检测电极的微弱电容信号检测方法，其特征在于，所述将8个检测电极分为4组包括，8个检测电极以
45
°
为间隔安装在陀螺基座水平面上，以
x
轴的正方向为0°
设置在该方向的检测电极为第一检测电极；逆时针依次排列有位于
45
°
方向的第二检测电极，位于
90
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永德，
申请(专利权)人：四川图林科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：