[发明专利]一种三维多曲面融合敏感结构微纳振幅电容检测系统

权利要求书

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：

c 0 = ϵ S 4 k π d - - - ( 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，ε为介电常数；

当敏感结构振幅为y时，电容器的电容值为：

Δ C = C - C 0 = ϵ S 4 k π ( d - y ) - ϵ S 4 k π d = ϵ S 4 k π ( 1 d - y - 1 d ) - - - ( 2 ) ]]>

对式子(2)进行泰勒级数展开，可得：

Δ C = ϵ S 4 k π d [ y d + ( y d ) 2 + ( y d ) 3 + ... ] - - - ( 3 ) ]]>

忽略高阶小量，式(3)可近似为：

Δ C ≈ ϵ S y 4 kπd 2 ∝ y - - - ( 4 ) ]]>

敏感结构振幅y与输入角速率Ω的关系为：

Y ( s ) = K 0 T 2 s 2 + 2 ζ T s + 1 Ω ∝ Ω - - - ( 5 ) ]]>

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：

V ‾ o u t = K s Ω - - - ( 7 ) ]]>

其中，K_s为系统的比例系数；

解算出输入角速率Ω。