本發(fā)明涉及微機電(MEMS)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于載波檢出的微電容陀螺信號檢測方法。

背景技術(shù)：
陀螺儀作為一種載體角速度敏感慣性傳感器，在航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等方面有著非常重要的作用。MEMS微陀螺具有尺寸質(zhì)量小、功耗低、成本低、環(huán)境適應(yīng)性好、集成度高等優(yōu)點。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，我國在軍事、工業(yè)及消費電子等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、小尺寸、高可靠性的MEMS微陀螺的需求正變得日益迫切。專利公開號CN102305627B提供了一種圓盤狀壓電振子的全固態(tài)雙軸陀螺儀，在此方案的技術(shù)中，其圓盤狀壓電振子下表面和支撐圓柱相連，支撐圓柱另一端固定在基體上，驅(qū)動電極，信號檢測電極以及模態(tài)檢測電極位于圓盤狀壓電振子的上表面，電位參考電極位于圓盤狀壓電振子的下表面。在上述技術(shù)中，并未給出具體的信號檢測方法，其電極位于圓盤狀壓電振子上，在壓電振子高頻振動的情況下存在一定的不穩(wěn)定性，可靠性不高；同時，因需要在壓電振子上做電極引線，其加工工藝比較復(fù)雜，加工成本較高，實現(xiàn)起來有一定難度，不適合大批量生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于載波檢出的微電容陀螺信號檢測方法，利用差動電容檢測陀螺狀態(tài)，從而在陀螺儀底座上配置電極，無需諧振子引線，從而簡化加工工藝，減小半球諧振陀螺設(shè)計難度。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種基于載波檢出的微電容陀螺信號檢測方法，所述方法通過多頻率載波疊加在各電極對上，此時，各電極對(至少包括驅(qū)動電極對、檢測電極對，還可以進(jìn)一步包括監(jiān)測電極對、平衡電極對；這些電極對都是一般陀螺所具有的結(jié)構(gòu))與陀螺諧振子之間的差動電容會根據(jù)陀螺的振動狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過檢測此差動電容變化可完成陀螺的信號檢測。具體地，本發(fā)明所述方法包括如下步驟：所述方法包括如下步驟：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的載波激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作用于驅(qū)動電極對上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，檢測電極對或監(jiān)測電極對上的差動電容耦合信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換以及放大、D/A轉(zhuǎn)換后輸入控制器以對此時陀螺的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋；步驟3：控制器根據(jù)步驟2中的信號反饋，對步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值進(jìn)行實時調(diào)整，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟4：檢測電極對上的差動電容耦合信號，或檢測電極對和平衡電極對上的差動電容耦合信號，進(jìn)行C/V轉(zhuǎn)換以及后續(xù)放大后，配合監(jiān)測電極信號進(jìn)行相敏解調(diào)，經(jīng)低通濾波后得到對應(yīng)于陀螺角速度輸入信號的直流信號；步驟5：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。進(jìn)一步的，本發(fā)明也可以采用頻分復(fù)用信號傳輸方法檢出信號，此時方法具體為：在陀螺各電極對上分別應(yīng)用不同頻率的載波信號，這些不同頻率的載波信號經(jīng)所述電容間隙，可以實時的反映出陀螺此時的振動狀態(tài)，在公共電極上對混合多頻率載波信號進(jìn)行檢出，并對其進(jìn)行解調(diào)，即可根據(jù)不同頻率載波的信號表征獲得陀螺相應(yīng)振點的振動信息，從而完成陀螺振動狀態(tài)的檢測。具體地，所述采用頻分復(fù)用信號傳輸方法檢出信號，方法包括如下步驟：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作用于驅(qū)動電極對上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，在各個電極對上施加不同頻率，相對步驟1所述驅(qū)動信號幅值至少小2個數(shù)量級的載波調(diào)制信號；步驟3：在陀螺的公共電極上可檢出一包含多個載波信號的公共信號，針對此公共電極信號，對不同頻段的載波信號分別進(jìn)行解調(diào)即可得到陀螺各個電極對的信號，可知各個電極對所在位置的振動狀態(tài)；步驟4：控制器根據(jù)步驟3中所解調(diào)到的監(jiān)測電極對的信號反饋，對步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值進(jìn)行實時調(diào)整，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟5：根據(jù)步驟3中所得到的的公共信號載波進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)控制器處理后可得一反映此時陀螺振動狀態(tài)的直流信號；步驟6：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。優(yōu)選地，所述電極對與所述諧振子之間的電容為差動電容，并通過電容耦合方式輸出差動電容檢測信號。優(yōu)選地，所述差動電容檢測信號隨陀螺角速度輸入而變化，被檢測差動電容的變化在百fF量級。優(yōu)選地，每對所述電極對上的信號為同頻同幅值反向信號；相對位置的兩對所述電極對上的信號為同頻同幅值反向信號。更優(yōu)選地，驅(qū)動時，在所述驅(qū)動電極對上施加不同頻率的載波電壓。更優(yōu)選地，在交流載波電壓驅(qū)動下，當(dāng)所述諧振子受陀螺角速度輸入影響時，所述檢測電極對上的交流檢測信號會產(chǎn)生變化，該變化可反應(yīng)陀螺角速度信息。對絕大多數(shù)陀螺來說，其驅(qū)動端以及檢測端必不可少，在本發(fā)明中，監(jiān)測電極以及平衡電極主要提供系統(tǒng)反饋以及解調(diào)參考，可有效提升系統(tǒng)性能，但并非必須，故而，本發(fā)明所涉及方法適用于絕大多數(shù)陀螺，特別的，頻分復(fù)用方法所涉及陀螺需用公共電極信號檢出，其單點信號檢出的特性也對陀螺系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定便利。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明采用差動電容檢測方法，無需諧振體上進(jìn)行金屬圖形化電極引線；進(jìn)一步的，采用頻分復(fù)用的信號檢出方式，保證陀螺的檢測信號的識別性；在基底加工電極，很大程度上簡化加工工藝，減小半球諧振陀螺設(shè)計與加工難度。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：圖1為本發(fā)明一實施例的俯視圖；圖2為本發(fā)明一實施例的側(cè)視截圖；圖3為本發(fā)明一實施例的諧振子與基底電極等效電容圖；圖4為本發(fā)明一實施例的方法信號流圖；圖5為本發(fā)明在一實施例中諧振子與基底電極等效電容圖；圖6為為本發(fā)明一實施例的信號流圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1所示，為本發(fā)明一實施例涉及的系統(tǒng)俯視圖，其中：100為微陀螺底座；101為微陀螺與底座電容間隙，其中，該間隙在檢測時的距離變化可反映為微陀螺諧振子與電極對之間的差動電容變化；102為半球諧振子；103為將半球諧振子固定于底座上的支撐柱；104(AB)、108(AB)為驅(qū)動電極對，105(AB)、109(AB)為檢測電極對，106(AB)、110(AB)為監(jiān)測電極對，107(AB)、111(AB)為平衡電極對。在上述結(jié)構(gòu)中，其底座電極對以及對應(yīng)陀螺的諧振子之間的差動電容變化可對應(yīng)陀螺諧振子的振動狀態(tài)變化，以驅(qū)動電極對104為例，104(A)電極與104(B)電極在系統(tǒng)啟動時會被施加相位相反的一對正弦信號，其作用與104電極上通過其與諧振子之間的電容間隙作用于陀螺以使陀螺起振，驅(qū)動電極108同理。在圖1所述系統(tǒng)中，其信號檢測流程如下：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的載波激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換分別作用于驅(qū)動電極對104(AB)、108(AB)上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，監(jiān)測電極對106(AB)、110(AB)上的差動電容耦合信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換以及放大、D/A轉(zhuǎn)換后輸入控制器以對此時陀螺的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋；步驟3：控制器根據(jù)步驟2中的信號反饋，對步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值進(jìn)行實時調(diào)整，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟4：檢測電極對105(AB)、109(AB)以及平衡電極對107(AB)、111(AB)上的差動電容耦合信號進(jìn)行C/V轉(zhuǎn)換以及后續(xù)放大后，配合監(jiān)測電極對106(AB)、110(AB)信號進(jìn)行相敏解調(diào)，經(jīng)低通濾波后得到對應(yīng)于陀螺角速度輸入信號的直流信號；步驟5：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。在以下圖2、3、4所示陀螺結(jié)構(gòu)中，可以類似的采用上述信號檢測方法進(jìn)行信號檢出，以本實施例作為基礎(chǔ)，可針對不同陀螺做出若干變形和改進(jìn)。如圖2所示，為本發(fā)明一實施例涉及的半球諧振陀螺系統(tǒng)側(cè)視截圖，其中：200為微陀螺底座；201為微陀螺與底座電容間隙；202為半球諧振子；203為將半球諧振子固定于底座上的支撐柱；204可選的，為對稱分布的驅(qū)動電極對、檢測電極對、監(jiān)測電極對、平衡電極對。在圖2所述系統(tǒng)中，其信號檢測流程如下：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的載波激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換分別作用于驅(qū)動電極對上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，監(jiān)測電極對上的差動電容耦合信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換以及放大、D/A轉(zhuǎn)換后輸入控制器以對此時陀螺的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋；步驟3：控制器根據(jù)步驟2中的信號反饋，對步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值進(jìn)行實時調(diào)整，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟4：檢測電極對以及平衡電極對上的差動電容耦合信號進(jìn)行C/V轉(zhuǎn)換以及后續(xù)放大后，配合監(jiān)測電極對信號進(jìn)行相敏解調(diào)，經(jīng)低通濾波后得到對應(yīng)于陀螺角速度輸入信號的直流信號；步驟5：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。如圖3所示，為本發(fā)明一實施例涉及的搖擺質(zhì)量增強固體波動微陀螺俯視圖，其中：301為微陀螺底座；302為微陀螺與底座電容間隙；303為搖擺質(zhì)量增強固體波動微陀螺諧振子；304(AB)、306(AB)為驅(qū)動電極對；305(AB)、307(AB)為檢測電極對；在圖3所述系統(tǒng)中，其信號檢測流程如下：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的載波激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換分別作用于驅(qū)動電極對304(AB)、306(AB)上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，檢測電極對305(AB)、307(AB)上的差動電容耦合信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換以及放大、D/A轉(zhuǎn)換后，輸入控制器，可確認(rèn)此時陀螺的工作狀態(tài)；步驟3：調(diào)整步驟1中所述的驅(qū)動信號，以使陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟4：檢測電極對305(AB)、307(AB)上的差動電容耦合信號進(jìn)行C/V轉(zhuǎn)換以及后續(xù)放大后，配合前步所述驅(qū)動信號進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)低通濾波后得到對應(yīng)于陀螺角速度輸入信號的直流信號；步驟5：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。如圖4所示，為本發(fā)明一實施例設(shè)計的圓盤體聲波固體波動微陀螺側(cè)視截圖，其中400為微陀螺底座；401為微陀螺與底座電容間隙；402為半球諧振子；403為將半球諧振子固定于底座上的支撐柱；404可選的，為對稱分布的驅(qū)動電極對、檢測電極對、監(jiān)測電極對、平衡電極對在圖4所述系統(tǒng)中，其信號檢測流程如下：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的載波激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換分別作用于驅(qū)動電極對上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，監(jiān)測電極對上的差動電容耦合信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換以及放大、D/A轉(zhuǎn)換后輸入控制器以對此時陀螺的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋；步驟3：控制器根據(jù)步驟2中的信號反饋，對步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值進(jìn)行實時調(diào)整，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟4：檢測電極對以及平衡電極對上的差動電容耦合信號進(jìn)行C/V轉(zhuǎn)換以及后續(xù)放大后，配合監(jiān)測電極對信號進(jìn)行相敏解調(diào)，經(jīng)低通濾波后得到對應(yīng)于陀螺角速度輸入信號的直流信號；步驟5：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。在另一實施例中，陀螺的信號檢測可采用頻分復(fù)用的信號檢出方式，即在陀螺的相應(yīng)控制電極對與檢測電極對上分別應(yīng)用不同頻率的載波信號，這些不同頻率的載波信號經(jīng)所述電容間隙?？梢詫崟r的反映出陀螺此時的振動狀態(tài)，在公共電極上對混合多頻率載波信號進(jìn)行檢出，并對其進(jìn)行解調(diào)，即可根據(jù)不同頻率載波的信號表征獲得陀螺相應(yīng)振點的振動信息，從而完成陀螺振動狀態(tài)的檢測。如圖5所示，為本發(fā)明在一實施例中諧振子與基底電極等效電容圖，其中：Cd表示驅(qū)動、Cs表示檢測、Cm表示監(jiān)測、Cb表示平衡，1-4表示兩對成雙電極對的序號。相對應(yīng)圖1中，Cd表示104(AB)以及108(AB)與諧振子之間的等效電容；Cs表示105(AB)以及109(AB)與諧振子之間的等效電容；Cm表示106(AB)以及110(AB)與諧振子之間的等效電容；Cb表示107(AB)以及111(AB)與諧振子之間的等效電容；每個電極對的A、B信號為等幅值、同頻反相的交流正弦波；特有的，規(guī)定電極對中A代表電極信號為0度，B代表電極對位180度；以104A、104B、108A、108B為例，其頻率以及幅值相同，104(A)、108(A)為0度信號；104(B)、108(B)為180度信號。i104(AB)以及108(AB)；ii105(AB)以及109(AB)；iii106(AB)以及110(AB)；iv107(AB)以及111(AB)；四組分別對應(yīng)不同頻率的載波信號。步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作用于驅(qū)動電極對104(AB)以及108(AB)；上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，在各個電極對，即分別在：i104(AB)以及108(AB)；ii105(AB)以及109(AB)；iii106(AB)以及110(AB)；iv107(AB)以及111(AB)；上施加不同頻率，相對步驟1所述驅(qū)動信號幅值至少小2個數(shù)量級的載波調(diào)制信號。步驟3：在陀螺的公共電極上可檢出一包含多個載波信號的公共信號，針對此公共信號，對不同頻段的載波信號分別進(jìn)行解調(diào)即可得到陀螺各個電極對的信號，可知各個電極對所在位置的振動狀態(tài)。步驟4：控制器根據(jù)步驟3中所解調(diào)到的監(jiān)測電極對的信號反饋，對步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值進(jìn)行實時調(diào)整，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟5：根據(jù)步驟3中所得到的的公共信號載波進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)控制器處理后可得一反映此時陀螺振動狀態(tài)的直流信號。步驟6：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。若所述陀螺無監(jiān)測電極對106(AB)以及110(AB)以及平衡電極對107(AB)以及111(AB)檢出，此方法步驟簡化為：步驟1：控制器產(chǎn)生一定頻率與幅值的激勵驅(qū)動信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換作用于驅(qū)動電極對104(AB)以及108(AB)；上，以激振陀螺；步驟2：此時，陀螺處于已激振狀態(tài)，在所述各個電極對，即分別在：i104(AB)以及108(AB)；ii105(AB)以及109(AB)；上施加不同頻率，相對步驟1所述驅(qū)動信號幅值至少小2個數(shù)量級的載波調(diào)制信號；。步驟3：在陀螺的公共電極上可檢出一包含多個載波信號的公共信號，針對此公共信號，對不同頻段的載波信號分別進(jìn)行解調(diào)即可得到陀螺各個電極對的信號，可知各個電極對所在位置的振動狀態(tài)。步驟4：控制器根據(jù)步驟3中所解調(diào)到的檢測電極對的信號，觀察陀螺此時的振動狀態(tài)，調(diào)整步驟1中驅(qū)動信號的頻率以及幅值，以保持陀螺處于工作模態(tài)固有頻率下；步驟5：根據(jù)步驟3中所得到的公共信號載波進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)控制器處理后可得一反映此時陀螺振動狀態(tài)的直流信號。步驟6：經(jīng)后續(xù)測試以及定標(biāo)即得到此直流信號所對應(yīng)的陀螺角速度輸入值。如圖6所示，為本發(fā)明另一實施例的信號流圖，幅值相同、相位相反的兩路正弦載波信號分別施加至一對驅(qū)動電極對上，通過電容耦合輸出反映諧振子振動變化的調(diào)幅波。其后首先完成和C/V轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過差動放大以及二級交流放大，濾波后與監(jiān)測電極對相位處理后信號進(jìn)行相敏解調(diào)，得到信號后，經(jīng)低通濾波以及A/D轉(zhuǎn)換后反饋給控制器。本實施例所用電荷放大器，電荷放大器用于微弱信號的檢測，可以將陀螺輸出的微弱電荷信號轉(zhuǎn)化為放大的電壓信號，同時又能夠?qū)⑼勇莸母咦杩馆敵鲛D(zhuǎn)換成低阻抗輸出，所用電荷放大器對電阻以及電容精度有一定要求，故必要時可利用如阻抗分析儀等器件進(jìn)行優(yōu)選。本實施例差動放大以及二級放大，其各級放大倍數(shù)約為10倍左右，增益可調(diào)，以補償陀螺系統(tǒng)加工誤差。本實施例相敏解調(diào)方案采用模擬乘法解調(diào)。在另一實施例中，可采用開關(guān)解調(diào)，但相比乘法解調(diào)此方案會產(chǎn)生較大噪聲。在另一實施例中，控制器采用DSP芯片，DSP芯片支持單時鐘周期的"乘-加"運算，其具有成本低，低功耗，處理能力高等優(yōu)點，DSP芯片負(fù)責(zé)接受A/D轉(zhuǎn)換后的載波解調(diào)信號以完成反饋，并作為總控制器行使功能。本發(fā)明采用差動電容檢測方法，無需諧振體上進(jìn)行金屬圖形化電極引線；采用頻分復(fù)用的信號檢出方式，保證陀螺的檢測信號的識別性；在基底加工電極，很大程度上簡化加工工藝，減小半球諧振陀螺設(shè)計與加工難度。本發(fā)明所述的一種基于載波檢出的微電容陀螺信號檢測方法并不局限于某種特定的陀螺，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)針對不同陀螺做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。值得注意的是，針對上述方法中采用的信號檢測步驟的實現(xiàn)方式可根據(jù)需要優(yōu)選的采用模擬+數(shù)字電路的方式實現(xiàn)，并不局限為各步驟中采用的具體方法。以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。