CN102980564B - 一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置，包括环形电极单元、信号变换单元和信息处理单元。钟形振子振动时，由环形电极单元敏感钟形振子周向各对应节点振幅所对应的电容变化。信号变换单元对电容变化信号转换成相应的振幅电压信号输出到信息处理单元，经过信息处理单元对各振幅的融合处理，绘制出钟形振子的振型。本发明的***结构简单、性能优良、精度高，特别是引入了环形电极单元，在不接触钟形振子的同时，有效地得到钟形振子本身的振型参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种角速率陀螺谐振子的振型测量装置，特别是涉及一种钟形振子式角速率陀螺谐振子的振型测量装置。
背景技术
陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导与控制***的核心部件，其中振动陀螺代表一种重要的惯性技术，具有所有的惯性品质。基于哥氏力原理的振动陀螺在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表而受到广泛重视。在科学技术的发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。
申请号为：201010215745.1，发明名称为“钟形振子式角速率陀螺”的专利申请提供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀螺，其敏感元器件采用熔融石英材料的钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺的振子振型测量是采用以多普勒激光测振仪为基础的测量装置，该测量装置存在结构复杂、不能进行振型动态测量、不适合大规模生产且价格昂贵等缺点。本发明正是基于该钟形振子式角速率陀螺提供了一种振子振型测量装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置结构复杂、不能够进行振型动态测量、不适合大规模生产且价格昂贵等缺陷，提出了一种简单易行的钟形振子式角速率陀螺振子的振型测量装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置，该测量装置包括环形电极单元、信号变换单元和信息处理单元；环形电极单元各电极与钟形振子外壁周向各节点构成电容器的两个极板；信号变换单元将上述电容器的电容值转换成电压信号，并将输出连接信息处理单元；信息处理单元负责将钟形振子的各节点振幅变化信号进行融合处理，从而得到钟形振子的振型。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）本发明提供的钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置，利用环形电极以及多通道C/V转换电路，实现了对钟形振子整体振型的检测，设计出的钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置性能优良，精度高，可以动态测量钟形振子的振型。
2）在钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置中，均布在钟形振子周围的8个电极探头分别敏感钟形振子的简谐振动；每一个通道需要一个C/V转换电路将钟形振子的振幅信号对应的电容变化转换为电压信号，因此引入8通道信号转换单元。
3）信息处理单元能够实时将信号变换单元输出的电压变化，及时处理为钟形振子的振型变化，从而得到钟形振子振型的整体振型。
4）采用高速DSP处理器作为信息处理单元的主处理器，在保证信息融合精度的同时可以满足输出速度的要求。
附图说明
图1为本发明一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置***框图；
图2为本发明一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置环形电极分布图；
图3为本发明一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置的信号变换单元原理图；
图4为本发明一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置的信息处理单元原理图。
具体实施方式
本发明的一种钟形振子振型测量装置，环形电极单元各电极与钟形振子外壁周向各节点构成电容器的两个极板；信号变换单元将上述电容器的电容值转换成电压信号，并将输出连接信息处理单元；信息处理单元负责将钟形振子的各节点振幅变化信号进行融合处理，从而得到钟形振子的振型。
环形电极单元的作用是均布在钟形振子周围的8个电极分别与其相应钟形振子外壁构成电容器的两个极板。如图1所示，根据平行板电容器工作原理，钟形振子的外壁产生振动使得平行板电容器的电容值发生变化，从而可以利用平行板电容器模型得到相应的电压变化。
振子外壁振动位移为x(t)，在作稳定的简谐振动时，有：
其中，Q为钟形振子的品质因子，为振动频率。
设振子上的质点沿x轴产生谐振，则振子质点的运动表达式为：
其中，是振动的最大位移。
基座上安装的电容传感器电容容量为：
其中，是极间介质的介电常数，是电极面积，是极间距离。且，因此电容与质点位移关系为：
测出电容C的变化信号为：
其中，是正比于振子运动的最大振幅，是初相。
当振子质点在x轴上做简谐振动时，在旋转角速率敏感轴有一个旋转角速率输入时，会在y轴方向产生一个哥氏力：
其中，m是质点的质量，Ω是输入旋转角速率，V是质点运动速度。由于受到哥氏力的作用，振子质点系在y轴方向产生运动。哥氏力作用数学表达式为：
由可知，哥氏力的大小与输入角速率成正比。在F c (t)的作用下，y轴方向的质点运动规律可解以下微分方程求得：
其中，T是***的运动时间，ζ是***阻尼系数。解这个微分方程，可以得到质点在y轴的运动输出规律的近似表达式：
式中，K 0 是关于振子传输特性的比例系数。由上式可知，角速率传感器的输出频率响应特性是一个二阶***，质点在y轴的运动在频响范围内是与输入角速率成正比，电容的容量变化为：
其中，Δs是极板面积变化量，且Δs随y(t)变化（电极板变长变化），因此电容ΔC也随y(t)变化。
根据上述工作原理，本发明给出了相关的电路单元实现方法。首先，环形电极单元电极分布，如图2中所示，为有效检测钟形振子整体振型，采用8电极安装方式,包括第一检测电极2-1、第二检测电极2-2、第三检测电极2-3、第四检测电极2-4、第五检测电极2-5、第六检测电极2-6、第七检测电极2-7、第八检测电极2-8；
图3中给出了本发明提供的信号变换单元组成图，包括环形电极单元的检测电极信号输入端一（3-1）、检测电极信号输入端二（3-2）、检测电极信号输入端三（3-3）、检测电极的信号输入端四（3-4），检测电极信号输入端五（3-5）、检测电极信号输入端六（3-6）、检测电极信号输入端七（3-7）、检测电极的信号输入端八（3-8），
在信号变换单元中，C/V转换部分电荷放大器一（3-2）和低通滤波器一(3-3)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器二（3-5）和低通滤波器二(3-6)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器三（3-8）和低通滤波器三(3-9)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器四（3-11）和低通滤波器四(3-12)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器五（3-14）和低通滤波器五(3-15)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器六（3-17）和低通滤波器六(3-18)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器七（3-20）和低通滤波器七(3-21)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；C/V转换部分电荷放大器八（3-23）和低通滤波器八(3-24)采用高精度放大器OPA2365主要芯片，再配以相关的***电路；
测量装置开始工作时，钟形振子开始作简谐振动，环形电极单元的检测电极信号输入端一（3-1）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器一（3-2），电荷放大器一（3-2）的输出通过低通滤波器一（3-3）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-1，经过AD转换器一（4-2）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；同理，环形电极单元的检测电极信号输入端二（3-4）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器二（3-5），电荷放大器二（3-5）的输出通过低通滤波器二（3-6）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-3，经过AD转换器二（4-4）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；环形电极单元的检测电极信号输入端三（3-7）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器三（3-8），电荷放大器三（3-8）的输出通过低通滤波器三（3-9）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-5，经过AD转换器三（4-6）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；环形电极单元的检测电极信号输入端四（3-10）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器四（3-11），电荷放大器四（3-11）的输出通过低通滤波器四（3-12）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-7，经过AD转换器四（4-8）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；环形电极单元的检测电极信号输入端五（3-13）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器五（3-14），电荷放大器五（3-14）的输出通过低通滤波器五（3-15）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-9，经过AD转换器五（4-10）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；环形电极单元的检测电极信号输入端六（3-16）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器六（3-17），电荷放大器六（3-17）的输出通过低通滤波器六（3-18）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-11，经过AD转换器六（4-12）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；环形电极单元的检测电极信号输入端七（3-19）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器七（3-20），电荷放大器七（3-20）的输出通过低通滤波器七（3-21）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-13，经过AD转换器七（4-14）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；环形电极单元的检测电极信号输入端八（3-22）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器八（3-23），电荷放大器八（3-23）的输出通过低通滤波器八（3-24）的作用得到电容变化相应的电压信号，将电压信号引入到信息处理单元的输入端4-15，经过AD转换器一（4-16）的采集量化，输入至CPU（4-17）等待处理；8路信号均采集完成后，最后经过CPU（4-17）的融合处理，得到钟形振子的振型。
本发明提供的测量装置可以简化振型测量，也为批量生产提供了便利条件。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，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 (1)
1. 一种钟形振子式角速率陀螺谐振子振型测量装置，其特征在于：该装置包括环形电极单元、信号变换单元和信息处理单元；环形电极单元各电极与钟形振子外壁周向各节点构成电容器的两个极板；信号变换单元将上述电容器的电容值转换成电压信号，并将输出连接信息处理单元；信息处理单元负责将钟形振子的各节点振幅变化信号进行融合处理，从而得到钟形振子的振型；
其中，所述的环形电极单元具有8个圆柱形电容探头；所述的信号变换单元包括8通道C/V转换电路，每个通道的C/V转换电路将电容变化量转换成电压信号，并传输给信息处理单元；每个通道的C/V转换电路包括电荷放大器和低通滤波器，所述电荷放大器和低通滤波器均采用高精度放大器OPA2365为主要芯片；
所述信息处理单元包括12位8通道AD转换器及主控CPU（4-17）；测量装置开始工作时，钟形振子开始作简谐振动，环形电极单元的检测电极信号输入端一（3-1）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器一（3-2），电荷放大器一（3-2）的输出通过低通滤波器一（3-3）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-1），电容变化对应的电压信号（4-1）经过AD转换器一（4-2）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端二（3-4）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器二（3-5），电荷放大器二（3-5）的输出通过低通滤波器二（3-6）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-3），电容变化对应的电压信号（4-3）经过AD转换器二（4-4）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端三（3-7）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器三（3-8），电荷放大器三（3-8）的输出通过低通滤波器三（3-9）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-5），电容变化对应的电压信号（4-5）经过AD转换器三（4-6）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端四（3-10）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器四（3-11），电荷放大器四（3-11）的输出通过低通滤波器四（3-12）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-7），电容变化对应的电压信号（4-7）经过AD转换器四（4-8）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端五（3-13）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器五（3-14），电荷放大器五（3-14）的输出通过低通滤波器五（3-15）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-9），电容变化对应的电压信号（4-9）经过AD转换器五（4-10）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端六（3-16）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器六（3-17），电荷放大器六（3-17）的输出通过低通滤波器六（3-18）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-11），电容变化对应的电压信号（4-11）经过AD转换器六（4-12）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端七（3-19）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器七（3-20），电荷放大器七（3-20）的输出通过低通滤波器七（3-21）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-13），电容变化对应的电压信号（4-13）经过AD转换器七（4-14）转换后的信号传输至主控CPU（4-17）；环形电极单元的检测电极信号输入端八（3-22）将电容变化信号输入C/V转换部分电荷放大器八（3-23），电荷放大器八（3-23）的输出通过低通滤波器八（3-24）的作用得到电容变化相应的电压信号（4-15），电容变化对应的电压信号（4-15）经过AD转换器八（4-16）转换后的信号传输至主控CPU（4-17），8路信号均采集完成后，最后经过CPU（4-17）的融合处理，得到钟形振子的振型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141224 Termination date: 20211217 |