CN1194370A - 具有交流加力和敏感电路的振动旋转传感器 - Google Patents

Abstract

控制振动旋转传感器(VRS)振动模式的方法和装置,包括共振器和壳体。共振器的表面具有导电区域,壳体的多个附加电极相对共振器上的导电区域而设置。通过将交流敏感信号馈送到共振器上的导电区域并获得一个或多个振动信号,同时将共振器上的导电区域的对地电位维持在100毫伏,确定共振器驻波振动图形的参数。每个振动信号是交流敏感信号的复制品,其幅度调制是共振器表面导电区域内一点至相对壳体电极之距离的周期函数。

Description

具有交流加力和敏感电路的振动旋转传感器

本发明的主题与以下专利申请所披露的发明有关，这些申请包括由Matthews，Darling和Varty等人申请的“具有多路复用电路的振动旋转传感器”，由Matthews、Varty、Li和Lynch等人申请的“具有全角跟踪的振动旋转传感器”以及由Lynch申请的“具有AC驱动电压的振动旋转传感器”。

本发明一般涉及振动旋转传感器，尤其涉及与该旋转传感器有关的电子线路。

如图1分解示意图所示，现有技术的振动旋转传感器(VRS)10包括外构件12、半球形共振器14和内构件16，所有部件都由熔凝的石英制成并加入了铟。惯性敏感元件为薄壁的、5.8厘米直径的半球形共振器14，它置于外构件12与内构件16之间并由导杆26支承。

环形加力器电极20和16个分散的加力器电极22接合于外构件12的内表面。在组装后的VRS10中，环形加力器电极20和16个分散的加力器电极22紧靠半球形共振器14的金属化外表面32。在组装的VRS中，置于内构件16上的8个敏感电极24紧靠半球形共振器14的金属化内表面30。

通过在半球形共振器14与环形加力器电极20之间合适的加力电压，可以将容性压力加在半球形共振器14上，以最低阶非伸缩(或弯曲)方式使半球形共振器振动。所形成的驻波围绕圆周有4个按90度间隔的波腹，4个节点与波腹偏离45度。0度和180度波腹与90度和270度波腹的相位相差90度。该驻波引起半球形共振器的边缘形状从圆形变为椭圆形(长轴通过0度/180度波腹)，到从圆形变为椭圆形(长轴通过90度/270度波腹)的变化。

VRS10绕着与半球形共振器边缘34的平面相垂直的轴旋转，使得驻波沿反向旋转一个角度，该角度与VRS10的旋转角度成正比。这样，通过测量该驻波相对VRS10的旋转角度，即可确定VRS10的旋转角度。

通过在半球形共振器14上设置直流偏压，在环形加力器电极20上设置交流电压，交流电压的频率为半球形共振器14之共振频率的两倍，激励半球形共振器14的振动模式。

当半球形共振器14振动以及敏感电极24相对半球形共振器的电容改变时，通过测量极高阻抗(约为恒定负荷)敏感电极24的输出电压，确定相对VRS10的驻波图形角。从组合式V₀-V₉₀+V₁₈₀-V₂₇₀获得x轴信号V_x，其中，下标表示相对产生电压的电极的x轴的角度位置。同样，从组合式V₄₅-V₁₃₅+V₂₂₅-V₃₁₅获得y轴信号V_y。由V_y与V_x之比给出相对0度(即x)轴的两倍驻波图形角的正切。

由于半球形共振器14的厚度不一致，第一驻波的确立将导致生成以相位正交振荡的第二驻波，其波腹与第一驻波的节点一致。通过将合适的电压加在16个分离的加力器电极22上，可以抑制第二驻波的生成。

直流偏压一般维持在半球形共振器14上。直流偏压的存在导致HRG电性能的缓慢改变，而这一改变归结为发生在外构件12和内构件16或其内部的电荷迁移现象所引起的电容变化。随着时间的消逝，这些缓慢变化导致难以接受的大幅度性能劣化，必须提供特殊的装置对这些影响进行补偿。

本发明是一种控制振动旋转传感器(VRS)振动模式的方法和装置，VRS包括共振器和同时用作接地电位基准的壳体。共振器的表面具有导电区域，壳体具有多个相对共振器上的导电区域而设置的附加电极。通过将交流敏感信号馈送到共振器上的导电区域并获得一个或多个振动信号，同时将共振器上导电区域的对地电位维持在100毫伏，确定共振器驻波振动图形的参数。每个振动信号是交流敏感信号的复制品，其幅度调制是共振器表面导电区域内一点至相对壳体电极之距离的周期函数。调幅频率就是共振器的振动频率。驻波参数根据振动信号确定，通过产生合适的交流加力电压施加到壳体电极，用这些参数控制驻波参数。

图1表示现有技术的振动旋转传感器的组成部分。

图2示意性表示共振器的导电区域以及附加到振动旋转传感器壳体的相对电极。

图3是振动旋转传感器的加力和敏感电路的示意图。

图4是振动信号解调器的方框图。

图2中示意性表示采用32个分散的加力器电极(而不是图1所示环形加力器电极20和16个分散加力器电极22)的振动速率传感器连同基准X和Y轴的实施例。共振器用圆40表示。32个分散加力器电极42位于VRS的外构件上，8个敏感电极44位于内构件上。

VRS可以用机械装备或作为速率陀螺(力-重新平衡，FTR)操作，或作为速率积分陀螺(全角，WA)操作。在FTR操作模式中，通过将与惯性速率输入Ω成正比的电压加到符号“r”表示的电极42，使共振器沿X轴的弯曲幅度维持在固定的非零值，沿Y轴的弯曲幅度维持在零。

在WA模式中，不提供沿Y轴的无效力，允许恒幅弯曲图形旋转。图形旋转角与惯性旋转输入∫Ωdt成正比。

通过将X轴振动频率为ω_x的电压加到直接位于相对X轴为0和180度的波腹上的加力器电极42，或通过将参数为2ω_x的电压加到由符号“p”表示的电极42，可以维持X轴幅度。

除了所需的共振器同相弯曲运动以外，通常还有不想要的因频率轴不对称而引起的正交弯曲运动，以及敏感和主频率与阻尼轴之间的失配。该不想要的正交振动模式通过把电压置于开环正交(OLQ)电极42上以及正/负闭环正交(+-CLQ)电极42上而受到抑制。

共振器的半径位移x和y由分别沿X和Y轴的符号“ANP”(波腹敏感衬垫)和“NP”(节点敏感衬垫)表示的敏感衬垫44检测。符号“UN”表示的衬垫不采用。半径位移由以下一对微分方程式列出： $\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{2}{T_x}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_x^{2}x=f_x+2\mathrm{k\Ω}\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$ $\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{2}{T_y}\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_y^{2}y=f_y-2\mathrm{k\Ω}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}$ 其中，T_x和T_y为阻尼系数，ω_x和ω_y为沿X轴和Y轴的角振动频率，f_x和f_y为沿X轴和Y轴施加在共振器上的力，k为常数，Ω为共振器的旋转角速率。图2所示对电极加参数驱动产生沿X轴和Y轴施加的力f_parax和f_paray。图2所示对电极加速率驱动产生沿与Y轴平行的轴施加的力f_rate。

上述方程式变为： $\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{2}{T_x}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_x^{2}x=f_{\mathrm{para}}x+2\mathrm{k\Ω}\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}$ $\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{2}{T_y}\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_y^{2}y=f_{\mathrm{para}}y+f_{\mathrm{rate}}-2\mathrm{k\Ω}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$ 在力-重新平衡模式中，d²y/dt²，dy/dt和y全等于零，且 $f_{\mathrm{rate}}=2k\mathrm{\Ω}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}----\left(3\right)$

消除共振器上直流偏压被视为：(1)减少或消除电荷迁移现象影响的一种手段，电荷迁移被认为是VRS标度因子随时间变化的原因，(2)消除采用高阻抗敏感的一种手段，它对于杂散伪信号是非常敏感的。图3表示消除常规直流偏压的VRS加力和敏感电路50的一个实施例。

交流源52经由微动开关54和电容器56连接到共振器40，并连接到运算放大器60的输入端58。运算放大器60的输出端62经由微动开关64连接到敏感电极ANP和NP。微动开关64于ANP与NP敏感电极之间周期性地切换运算放大器60的输出端62，以检测同相和正交共振器振动模式的幅度。当微动开关64在ANP与NP电极之间切换时，微动开关54将电容器56的输入端接地。

运算放大器60的输入阻抗高到足以使输入电流假设为零。运算放大器60的增益足够高，如输出电压不饱和，与其它电压相比，输入电压可假设忽略不计。例如，如果输出范围为+-10V且放大器增益为1gV/V，则最大输入电压仅为10nV。无须将共振器40的电位限制到10nV以避免因电荷迁移现象引起的电容变化所导致的HRG电性能的慢变化。共振器电位的理想上限可能为0.1V。

杂散电容存在于敏感电容ANP与NP之间。线路62一般有10欧姆电阻。为了将敏感电容ANP与NP之间的耦合减低到可忽略不计的程度，运算放大器60的输出阻抗应当小于100欧姆。

根据以上得到 $e_{52}=\frac{1}{C_{56}}\∫i_{66}\mathrm{dt}$ $e_{62}^{\mathrm{ANP}}=\frac{1}{C_{\mathrm{ANP}}}\∫i_{62}\mathrm{dt}---\left(4\right)$ i₆₆＝-i₆₂其中，下标表示图3中的器件或线路，上标表示敏感电极，运算放大器60的输出端62经由微动开关64连接到该敏感电极。

从以上等式得到 $e_{62}^{\mathrm{ANP}}=-\frac{C_{56}}{C_{\mathrm{ANP}}}{e}_{52}---\left(5\right)$ 从下式得到敏感电极的电容 $C_{\mathrm{ANP}}=\frac{\mathrm{\ϵ}A}{x}----\left(6\right)$ 其中，x可以由以下表达式表示x＝d_o+x_osinωt                     (7)且ε为介电常数，A为一对敏感电极44的面积，d_o为共振器40和敏感电极44之间的标称间隙，x_o为共振器40的弯曲幅值，ω为共振器40的振动角频率。

组合等式(5)和(6)，我们得到 $e_{62}^{\mathrm{ANP}}=K(d_o+x_o\sin \mathrm{\ωt})e_{52}----\left(8\right)$ 其中 $K=-\frac{C_{56}}{\mathrm{\ϵ}A}----\left(9\right)$ 同样， $e_{62}^{\mathrm{NP}}=K(d_o+y_o\sin \mathrm{\ωt})e_{52}---\left(10\right)$ 表达式e₅₂作为幅值V₅₂和角频率ω₅₂的正弦曲线，得到 $e_{62}^{\mathrm{ANP}}=K{V}_{52}(d_o+x_o\sin \mathrm{\ωt})\sin {\mathrm{\ω}}_{52}t$ $e_{62}^{\mathrm{NP}}=K{V}_{52}(d_o+y_o\sin \mathrm{\ωt})\sin {\mathrm{\ω}}_{52}t---\left(11\right)$ 通过图4所示解调电路在处理器72内对e₆₂作进一步处理。在混频器76内混合e₆₂，与sinω₅₂t和通过低通滤波器78滤去ω₅₂之谐波的结果按时序为S^ANP和S^NP，其中S^ANP∝KV₅₂(d_o+x_osinωt)S^NP∝KV₅₂(d_o+y_osinωt)              (12)

使S_s通过截止角频率小于ω的低通滤波器80分别获得S^ANP和S^NP的平均值S₁ ^ANP和S₁ ^NP。 $S_1^{\mathrm{ANP}}=S_A^{\mathrm{NP}}\∝K{V}_{52}{d}_o----\left(13\right)$

通过用混频器82混合S_s与sinωt并经由低通滤波器84滤去ω和ω的谐波，分别获得S^ANP和S^NP的量S₂ ^ANP和S₂ ^NP。 $S_2^{\mathrm{ANP}}\∝K{V}_{52}{x}_o----\left(14\right)$ $S_2^{\mathrm{NP}}\∝K{V}_{52}{y}_o$

信号S₁和S₂的稳定性取决于交流电压源52和电容器C₅₆的稳定性。如果两者均稳定，则可以精确测定标称间隙d_o和挠曲幅值x_o。可以采用一种高级别温度稳定的电容器，诸如温度系数非常接近于零的ATC-700。

图3所示电路设想用连接在一起的两个ANP电极和连接在一起的两个NP电极，用微动开关64交替地将运算放大器60的输出端62连接到ANP和NP电极。一种更有效的电路将利用成对连接的全部8个敏感电极，以VRS的振动模式为其特征。ANP电极对和NP电极对将分别构成ANP(+)和NP(+)对。与X和Y轴呈横切的线上的UN对分别构成ANP(-)和NP(-)对，因为这些电极对上的信号与用正符号标记的电极对上的信号反向。为了适应该4个电极对，微动开关64应为单刀四掷开关，它将连续地切换到4对电极的每一对。在接下来的信号处理期间，将组合ANP(+)和ANP(-)信号，并组合NP(+)和NP(-)信号。

处理器72以常规的方法按e₆₂操作，产生加力电压加到电极42。

在HRG的力-重新平衡机理中，通过下式(见等式(3)和(7))给出使节点输出为无效的力F_rate $f_{\mathrm{rate}}=2\mathrm{k\Ω}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{k\Ω\ω}{x}_o\cos \mathrm{\ωt}----\left(15\right)$ 在本发明中，通过在图2所示的共振器电极与“r”电极之间建立一个电压V_rate(+)或V_rate(-)，产生该力：V_rate(+)＝V_ω/2cos[1/2(ωt]V_rate(-)＝V_ω/2sin[1/2ωt]     (16)所产生的力f_rate(+)和f_rate(-)与电极之间电压的平方成正比： $f_{\mathrm{rate}}(+)\∝V_{\mathrm{\ω}/2}^2{\cos }^2\[1/2\left(\mathrm{\ωt}\right)\]=1/2V_{\mathrm{\ω}/2}^2(1+\cos \mathrm{\ωt})$ $f_{\mathrm{rate}}(-)\∝V_{\mathrm{\ω}/2}^2{\sin }^2\[1/2\left(\mathrm{\ωt}\right)\]=1/2V_{\mathrm{\ω}/2}^2(1-\cos \mathrm{\ωt})----\left(17\right)$ 余弦项是所需的加力函数。直流项对共振器动力学的影响可忽略不计。通过选择f_rate(+)和f_rate(-)中的任一个，可以选择加力函数的符号。

如前面结合图1所述，通过在半球形共振器14与环形加力器电极20之间合适的加力电压，可以将电容性力施加在半球形共振器14上，使半球形共振器以最低价的非伸展(或弯曲)方式振动。随后，环形加力器电极发展成绕共振器周长对称分布的分离电极，如图2所示。

为了维持振动，力必须加到共振器上以消除与等式(1)中的dx/dt成正比的阻尼力。如果x随sinωt变化，则力必须随cosωt变化。通过将随cosωt变化的电压加到图2所示的“p”电极上，可以获得该力。

由施加到两个“p”电极的电压V_p所产生的净力相互移置90度 $f(t,{\mathrm{\θ}}_i)\∝\frac{V_p^2}{{\[d_o-x\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\]}^2}-\frac{V_p^2}{{\[d_o-x({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\π}/2)\]}^2}---\left(18\right)$ 其中，d_o-x(θ_i)是共振器40与“p”电极之间的距离，后者从X轴移置θ_i，如图2所示。由于x(θ_i)＝-x(θ_i+π/2)， $f(t,{\mathrm{\θ}}_i)\∝\frac{V_p^2}{{\[d_o-x\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\]}^2}-\frac{V_p^2}{{\[d_o+x\left({\mathrm{\θ}}_i\right)\]}^2}----\left(19\right)$ 并假设x(θ_i)＜＜d_o， $f(t,{\mathrm{\θ}}_i)\∝V_p^{2}x\left({\mathrm{\θ}}_i\right)---\left(20\right)$ 给出x(θ_i)＝x_ocos2θ_isinωt    (21)则 $f(t,{\mathrm{\θ}}_i)\∝V_p^2{x}_o\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\sin \mathrm{\ωt}---\left(22\right)$ 综合从-π/4至+π/4以及3π/4至5π/4角度部分(包括所有“p”电极对)中所有θ_i，得到f(t)： $f\left(t\right)\∝V_p^2{x}_o\sin \mathrm{\ωt}---\left(23\right)$ 现在假定下列加力电压：V_p＝V_posin(ωt+φ)    (24)代入等式(23)，获得 $f\left(t\right)\∝V_{\mathrm{po}}^2{x}_o{\sin }^2(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\sin \mathrm{\ωt}---\left(25\right)$ 并可改写为 $f\left(t\right)\∝V_{\mathrm{po}}^2{x}_o\[\sin \mathrm{\ωt}+1/2\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\φ})-1/2\sin (3\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\φ})\]---\left(26\right)$ 第一和第三项对共振器动力学影响可忽略不计，故可以忽略。如φ＝π/4，则第二项作用为最大，在此情况下 $f\left(t\right)\∝V_{\mathrm{po}}^2{x}_o\cos \mathrm{\ωt}---\left(27\right)$

通过将电压加到间隔90度的电极(见图2)实行正交控制。这样，等式(22)可适用： $f_Q\left(t\right)\∝V_Q^2{x}_o\sin \mathrm{\ωt}----\left(28\right)$ 这里，设置θ_i等于零，下标等于Q。如V_Q＝V_Qosinω_Qt    (29)则 $f_Q\left(t\right)\∝V_{\mathrm{Qo}}^2{x}_o{\sin }^2{\mathrm{\ω}}_{Q}t\sin \mathrm{\ωt}----\left(30\right)$ 该等式可以改写为 $f_Q\left(t\right)\∝V_{\mathrm{Qo}}^2{x}_o\[\sin \mathrm{\ωt}-1/2\sin (2{\mathrm{\ω}}_Q+\mathrm{\ω})t+1/2\sin (2{\mathrm{\ω}}_Q-\mathrm{\ω})t\]----\left(31\right)$ 如果ω_Q等于ω，则第二项无效力，第一和第三项组合形成合适的正交加力函数。其它的值可以用于既无第二项也无第三项具有任何效力的情况，而第一项本身提供正交加力。

有关振动旋转传感器的其它细节包含在Loper，Jr等人1990年8月28日申请的第4951508号美国专利中，它在此作为参考资料引用。

Claims (17)

1.一种控制振动旋转传感器(VRS)振动模式的方法，该VRS包括共振器和壳体，共振器和壳体的电位被表示为地电位，共振器的表面具有导电区域，多个电极连接到壳体并相对共振器上的导电区域而设置，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

产生交流敏感信号；

将交流敏感信号馈送到共振器上的导电区域；

获得一个或多个振动信号，每个振动信号为调幅交流敏感信号的复制品，调幅为共振器表面导电区域内一点至相对壳体电极之距离的周期函数，调幅频率为共振器的振动频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括如下步骤：

将共振器上导电区域的电位维持在对地100毫伏以内。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括如下步骤：

产生一个或多个交流加力电压；

将每个交流加力电压加到一个或多个壳体电极，每个交流加力电压产生一个或多个力加到共振器上。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于要求操作VRS的所有加力电压为交流电压。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，共振器振动频率与每个交流加力电压频率之比等于一个整数比，其产生步骤包括如下步骤：

当共振器振动时，维持每个交流加力电压与共振器的振动同步。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，共振器振动频率与一个交流加力电压频率之比等于1，交流加力电压施加到环绕共振器的环形电极以维持共振器的振动。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，共振器振动频率与一个交流加力电压频率之比等于1，该交流加力电压施加到环绕共振器的多个电极以维持共振器的振动。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，共振器振动频率与一个交流加力电压频率之比等于2，该交流加力电压施加到位于振动图形节点处的一个或多个电极以将振动图形维持于相对VRS的一个固定位置。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，交流加力电压施加到一个或两个电极对，以抑制正交振动，这些电极包括间隔90度的多对电极，这些电极包括间隔90度的一对电极。

10.一种装置，其特征在于实施权利要求1所述的方法。

11.一种控制振动旋转传感器(VRS)振动模式的装置，该VRS包括共振器和壳体，共振器和壳体的电位被表示为地电位，共振器的表面具有导电区域，多个电极连接到壳体并相对共振器上的导电区域而设置，其特征在于，所述装置包括：

具有输出端口的敏感信号发生器，该敏感信号发生器的输出端口提供交流敏感信号；

一个或多个敏感电路，每个敏感电路具有输入端口和输出端口，每个敏感电路的输入端口连接到敏感信号发生器的输出端口和共振器的导电区域，每个敏感电路的输出端口连接到一电极，每个敏感电路的输出端口提供一振动信号，每个振动信号为调幅交流敏感信号的复制品，调幅为共振器表面导电区域内一点至相对壳体电极之距离的周期函数，调幅频率为共振器的振动频率。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于进一步包括：

一个或多个加力函数发生器，每个加力函数发生器具有输入端口和输出端口，每个加力函数发生器的输入端口连接到一个或多个敏感电路的输出端口，每个加力函数发生器的输出端口连接到一个或多个壳体电极，每个加力函数发生器的输出端口提供一交流加力电压，共振器振动频率与每个交流加力电压的频率之比等于整数比，每个交流加力电压与振动信号同步。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于要求操作VRS的所有加力电压为交流电压。

14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，共振器振动频率与一个交流加力电压频率之比等于1。

15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，共振器振动频率与一个交流加力电压频率之比等于2。

16.如权利要求12所述的装置，其特征在于每个敏感电路的输出端口对地阻抗小于100欧姆。

17.一种控制振动旋转传感器(VRS)振动模式的装置，该VRS包括共振器和壳体，共振器和壳体的电位被表示为地电位，共振器的表面具有导电区域，多个电极连接到壳体并相对共振器上的导电区域而设置，其特征在于，所述装置包括：

具有输出端口的敏感信号发生器，该敏感信号发生器的输出端口提供交流敏感信号；

具有输入端口和输出端口的敏感电路，敏感电路的输入端口连接到敏感信号发生器的输出端口和共振器的导电区域，敏感电路的输出端口按时序连接到多个壳体电极，敏感电路的输出端口按时序提供多个振动信号，每个振动信号为调幅交流敏感信号的复制品，调幅为共振器表面导电区域内一点至相对壳体电极之距离的周期函数，调幅频率为共振器的振动频率。

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