專利名稱：加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)，具體地說， 涉及一種可測定從垂直方向輸入的加速度量及角速度量的加速度儀、 角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常檢測慣性物理量的慣性傳感器，大致分為加速度儀和角速度 儀，被開發(fā)為獨立的慣性傳感器個別元件在巿場上銷售。因此，近來 開始研究促進加速度儀和角速度儀同時使用的方案，如在測定慣性力 或計算位置、姿勢等方面。
另外，如飛行體、潛水艇等測定3軸慣性力的慣性測定單元需要 各三個以上的加速度儀及角速度儀，制造這樣的慣性測定單元需要對 3軸在相互垂直方向進行軸間排列。但是，這樣的軸間排列在慣性測 定單元制造過程中消耗很多費用和時間，而且，與加速度儀相比角速 度儀的垂直排列需要更復(fù)雜的步驟。
如上所述，在同時使用2軸以上的加速度及角速度的領(lǐng)域，使用 獨立的加速度儀和角速度儀不僅在其體積、費用方面不合適，而且還 需花費時間和精力根據(jù)傳感器個數(shù)在傳感器輸入軸間進行相互排列。
因此，為測定從多個軸輸入的慣性力，使用多個加速度儀和角速 度儀時，迫切地需要開發(fā)利用具備單一機械構(gòu)造來系統(tǒng)的相互排列傳 感器輸入角的傳感器驅(qū)動系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種為解決上述問題，可測定從垂直方向輸 入的加速度量及角速度量的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)。 另外，本發(fā)明涉及加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)，具有， 利用連接驅(qū)動電壓維持質(zhì)量體(M) —定振幅，檢出加速度軸及角速 度軸方向振動信號的一體型加速度儀、角速度儀；取得從上述一體型 加速度儀、角速度儀檢出的加速度軸方向振動信號的加速度軸振動信
號獲取單元；利用從上述加速度軸振動信號獲取單元取得的振動信 號，輸出具有一定振動幅度加速度軸振動維持控制信號的振幅維持控 制單元；通過上述振幅維持控制單元將電壓信號連接到一體型加速度 儀、角速度儀的加速度軸驅(qū)動輸入單元；取得從上述一體型加速度儀、 角速度儀檢出的角速度軸方向振動信號的角速度軸振動信號獲取單 元；利用從上述角速度軸振動信號獲取單元取得的振動信號，輸出具 有一定振動幅度角速度軸振動維持控制信號的力平衡控制單元；通過 上述力平衡控制單元將電壓信號連接到上述一體型加速度儀、角速度 儀上的角速度軸驅(qū)動輸入單元。


圖l是本發(fā)明加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)的動作原理 示意圖2是本發(fā)明加速度儀、角速度儀 一體型的驅(qū)動系統(tǒng)的全體組成
圖3是本發(fā)明振幅維持控制單元的詳細組成圖4是本發(fā)明力平衡控制單元的詳細組成圖5是通過本發(fā)明加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)連接加 速度時振動幅度的變化曲線圖6是本發(fā)明加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)連接角速度 時控制器運轉(zhuǎn)的結(jié)果曲線圖。
其中110:加速度儀、角速度儀；120:加速度軸振動信號獲取
單元；130:振幅維持控制單元；140:加速度軸驅(qū)動輸入單元；150: 角速度軸振動信號獲取單元；160力平衡控制單元；170:角速度軸驅(qū) 動輸入單元；111:加速度軸驅(qū)動電極；112:角速度軸驅(qū)動電極；113: 速度軸振動電極；114:角速度軸振動電極；131:緩沖器；132:包 絡(luò)線檢測器；133:基準(zhǔn)值輸入器；134控制器；135乘法器；161:緩 沖器；162:包絡(luò)線檢測器；163:基準(zhǔn)值輸入器；164:控制器；165: 單位增益基準(zhǔn)頻率輸出器；166:乘法器。
具體實施例方式
本發(fā)明的特征及優(yōu)點通過下列附圖及詳細說明做進 一 步闡述。 首先，本發(fā)明說明書及權(quán)利要求書中使用的術(shù)語及詞匯是立足于 發(fā)明人為了以最佳的方式說明本發(fā)明而可以定義其術(shù)語概念的原則 下，解釋為符合本發(fā)明技術(shù)思想意義及概念。另外，有關(guān)本發(fā)明公知
技能及其構(gòu)造的具體說明對本發(fā)明的主旨產(chǎn)生混淆時，請留意本發(fā)明 省略了對其的詳細的說明。
以下結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明加速度儀、角速度儀 一體型的驅(qū)動系統(tǒng)100的動作原 理示意圖。X軸表示角速度輸入軸，Y軸表示角速度檢出軸，也表示 科里奧利力的方向，Z軸表示加速度檢出軸及角速度儀驅(qū)動軸。
首先，為說明加速度儀的原理，應(yīng)考慮加速度檢出軸方向(Z軸) 的振動動力學(xué)方程式。此時，引導(dǎo)質(zhì)量體(M) Z軸方向振動的是
因質(zhì)量體和檢出軸電極之間電位差而發(fā)生的靜電力。如果質(zhì)量體和檢 出軸電極間距離因在Z軸方向連接的加速度而發(fā)生變化時，引導(dǎo)的兩
個電極的靜電力也發(fā)生變化，對于一定的驅(qū)動電壓信號，質(zhì)量體的振 幅也發(fā)生變化。此時，在輸入的加速度電極間距離改變的情況下也會 維持一定質(zhì)量體的振動幅度，具有利用此振動幅度控制電壓檢出連接
的信號的原理。
另外，角速度儀的動作原理是首先以不受輸入加速度信號的影 響，在Z軸具有一定振幅的振動特性為基礎(chǔ)。即，Z軸方向一定振幅 的振動起共振型角速度儀驅(qū)動軸動力學(xué)的作用。因此具有從角速度輸 入軸(X軸)輸入角速度時，將科里奧利力向角速度檢出軸(Y)方 向引導(dǎo)的動作原理。
圖2是本發(fā)明加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)100(以下簡 稱"驅(qū)動系統(tǒng)")的組成圖，如圖所示，由一體型加速度儀、角速度 儀110;加速度軸振動信號獲取單元120;振幅維持控制單元130;加 速度軸驅(qū)動輸入單元140;角速度軸振動信號獲取單元150;力平衡控 制單元160及角速度軸驅(qū)動輸入單元170組成。
一體型加速度儀、角速度儀110利用連接的電壓使質(zhì)量體(M) 維持 一定振幅，執(zhí)行檢出加速度軸及角速度軸方向振動信號的功能， 包括連接加速度軸驅(qū)動電壓及角速度軸驅(qū)動電壓的加速度軸驅(qū)動電 極111及角速度軸驅(qū)動電極112,檢出加速度軸方向振動信號及角速度 軸方向振動信號的加速度軸振動電極113和角速度軸振動電極114。
加速度軸振動信號獲取單元120執(zhí)行從上述加速度軸振動電極 113檢出的加速度軸方向振動信號的功能。
振動維持控制單元130利用從上述加速度軸振動信號獲取單元 120取得的振動信號，輸出具有一定振動幅度的加速度軸振動維持控 制信號的功能，如圖3所示，包括利用包絡(luò)線檢測器132和乘法器135 分離輸出從上述加速度軸振動信號獲取單元120取得的振動信號的緩 沖器131;檢出上述緩沖器131輸出信號的包絡(luò)線，輸出包絡(luò)線信號的 包絡(luò)線檢測器132;為決定振動幅度，不受連接加速度量的限制引導(dǎo) 生成一定大小振動的基準(zhǔn)信號的基準(zhǔn)值輸入器133;利用上述包絡(luò)線 檢測器132輸出的包絡(luò)線信號和上述基準(zhǔn)值輸入器133輸出的基準(zhǔn)信
號，輸出使加速度儀按照一定振幅振動的加速度軸振動維持控制信號
的控制器134;執(zhí)行上述緩沖器131輸出的振動信號和上述控制器134 輸出的控制信號的乘法運算后，將運算后的電壓信號通過乘法器135 輸入到上述加速度軸驅(qū)動輸入單元140。
加速度軸驅(qū)動輸入單元140執(zhí)行將上述乘法器135輸入的連接電
壓信號連接到上述加速度軸驅(qū)動電極lll上的功能。
即，質(zhì)量體(M)通過加速度軸驅(qū)動電極lll連接的正弦波的驅(qū) 動電壓進行振動，從而維持一定的振幅。
另外，角速度從與加速度軸垂直的方向輸入時，為檢出兩軸的矢 量積方向發(fā)生的科里奧利力組成角速度軸振動電極114和角速度軸振 動信號獲取單元150，將角速度軸振動信號獲取單元150輸出的角速度 軸振動信號輸入到力平衡控制單元160,控制因輸入角速度量而引發(fā)
的角速度軸的振動特性。
具體地說，角速度軸振動信號獲取單元150執(zhí)行取得從上述角速 度軸振動電極114檢出的角速度軸方向振動信號的功能。
力平衡控制單元160執(zhí)行利用從上述角速度軸振動信號獲取單元 150取得的振動信號，輸出使其具有一定振動幅度的角速度軸振動維 持控制信號的功能，如圖4所示，具有利用包絡(luò)線檢測器162和乘法 器166將上述角速度軸振動信號獲取單元150得到的振動信號分離輸 出的緩沖器161;檢出從上述緩沖器161輸出信號的包絡(luò)線，而輸出包 絡(luò)線信號的包絡(luò)線檢測器162;為了決定振動體的振幅，不受連接的 加速度量的影響，生成引導(dǎo)一定大小振動基準(zhǔn)信號的基準(zhǔn)值輸入器 163;利用從上述包絡(luò)線檢測器162輸出的包絡(luò)線信號和上述基準(zhǔn)值輸 入器163輸出的基準(zhǔn)信號，輸出使角速度儀按照一定的振幅振動的角 速度軸振動維持控制信號的控制器164;對上述緩沖器161輸入的振動 信號增益為l，輸出具有同一頻率及同一位相正弦波信號的單位增益
基準(zhǔn)頻率輸出器165;執(zhí)行上述單位增益基準(zhǔn)頻率輸出器165輸出的正 弦波信號和執(zhí)行上述控制器164輸出的控制信號的乘法運算后，將運 算的電壓信號通過乘法器166輸入給上述角速度軸驅(qū)動輸入單元170。
角速度軸驅(qū)動輸入單元170執(zhí)行輸入將上述乘法器166連接的電 壓信號到上述角速度軸驅(qū)動電極112的功能。
本實施例中，將振幅維持控制單元130的控制器134及力平衡控制 單元160的控制器164設(shè)定為比例積分微分控制器，但是本發(fā)明不受其 限制，可進行多樣的設(shè)計變更。
另外，本實施例中，設(shè)定為單位增益基準(zhǔn)頻率的輸出器165設(shè)定 為由利用運算放大器(op-amp)組成的將輸入信號增幅到高增益率的 增益單元；輸出與輸入信號具有相同位相的矩形波信號的限制器；角 速度儀的共振頻率相同的頻率為中心頻率的帶通濾波器組成，但上述 限制器具有適當(dāng)邊沿斜率(slewrate)的利用運算(op-amp)比較器 (comparator)或根據(jù)噪音信號的大小可變更為施密特觸發(fā)器(schmit trigger)等，本發(fā)明不限制在此范圍上。
另外，圖5是顯示本發(fā)明通過加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動 系統(tǒng)100加速度連接時振動幅度的變化曲線圖，t-0秒時連接約5g (g 為重力加速度)相當(dāng)?shù)募铀俣?，振動幅度信號迅速收斂成正常狀態(tài)， 此時正常狀態(tài)下的振動幅度與加速度連接前的振動幅度信號相同。因 此，解調(diào)維持這種一定振動幅度的控制信號，可計算連接的加速度信 號。
圖6是本發(fā)明加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)1 OO連接角速 度時控制器164動作的結(jié)果曲線圖，t 〈0的領(lǐng)域為控制器164未運行的 開環(huán)試驗結(jié)果；t〉 0的領(lǐng)域未控制器164運行的試驗結(jié)果。并且，a信 號為角速度儀軸方向輸出的變位信號，b為控制器164的輸出信號。
即，控制器164運轉(zhuǎn)的瞬間角速度儀的檢出軸變位信號控制在接
近0的值域范圍，此時為了控制變位信號的控制信號以對比變位信號 的值輸出，調(diào)制這樣的控制信號，可計算角速度。
如上所述，通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行描述，但本發(fā) 明不限于以上具體說明及附圖組成及作用，在不偏離本發(fā)明的思想和 范圍內(nèi)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可進行各種變化和修改，但是前述的變 化及修改、及其他變通仍落入本發(fā)明的保護范圍。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明所述加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)，包括對 質(zhì)量體構(gòu)造物的加速度軸達到一定振幅的振動控制的振動型加速度 儀，包括對與振動軸垂直的角速度檢出矢量積方向發(fā)生的科里奧利力 的振動型角速度儀，可達到利用單一的機械式構(gòu)造提供具備構(gòu)造上相 互排列的傳感輸入角系統(tǒng)的效果。
權(quán)利要求
1、一種加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于，具有利用連接驅(qū)動電壓使質(zhì)量體(M)維持一定振幅，檢出加速度軸方向及角速度軸方向振動信號的一體型加速度儀、角速度儀(110)；取得從所述一體型加速度儀、角速度儀(110)檢出的加速度軸方向振動信號的加速度軸振動信號獲取單元(120)；利用從上述加速度軸振動信號獲取單元(120)取得的振動信號，輸出具有一定振動幅度的加速度軸振動維持控制信號的振幅維持控制單元(130)；通過上述振幅維持控制單元(130)將電壓信號連接到一體型加速度儀、角速度儀的加速度軸驅(qū)動輸入單元(140)；取得從上述一體型加速度儀、角速度儀(110)檢出的角速度軸方向振動信號的角速度軸振動信號獲取單元(150)；利用從上述角速度軸振動信號獲取單元(150)取得的振動信號，輸出具有一定振動幅度角速度軸振動維持控制信號的力平衡控制單元(160)；通過上述力平衡控制單元(160)將電壓信號連接到上述一體型加速度儀、角速度儀(110)上的角速度軸驅(qū)動輸入單元(170)。
2、 如權(quán)利要求l所述的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)， 其特征在于，上述一體型加速度儀、角速度儀(110)具有分別從加速度軸驅(qū)動電壓及角速度軸驅(qū)動電壓連接驅(qū)動電壓的 加速度軸驅(qū)動電極(111)及角速度軸驅(qū)動電極(112);分別檢出加速度軸方向振動信號及角速度軸方向振動信號的加 速度軸振動電極(113)及角速度軸振動電極(114)。
3、 如權(quán)利要求l所述的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)， 其特征在于，上述振幅維持控制單元(130)具有 利用包絡(luò)線檢測器(132 )和乘法器(135 )將上述加速度軸振動 信號獲取單元(120)取得的振動信號分離輸出的緩沖器(131);檢出上述緩沖器(131)輸出信號的包絡(luò)線，輸出包絡(luò)線信號的 包絡(luò)線檢測器(132);不受連接加速度量的影響，引導(dǎo)生成一定大小振動基準(zhǔn)信號的基 準(zhǔn)值輸入器(133 );利用從上述包絡(luò)線檢測器(132)輸出的包絡(luò)線信號和上述基準(zhǔn) 值輸入器(133)輸出的基準(zhǔn)信號，輸出使加速度儀按照一定振幅振 動的加速度軸振動維持控制信號的控制器(134);執(zhí)行上述緩沖器(131)輸出的振動信號和上述控制器(134)輸 出的控制信號的乘法運算后，將運算后的電壓信號通過乘法器(135) 輸入到上述加速度軸驅(qū)動輸入單元(140)。
4、 如權(quán)利要求3所述的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)， 其特征在于，上述振幅維持控制單元(130)包括的控制器(134)為 比例積分微分控制器。
5、 如權(quán)利要求l所述的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)， 其特征在于，上述力平衡控制單元(160)具有利用包絡(luò)線檢測器(162)和乘法器(166)將上述角速度軸振動 信號獲取單元(150)取得的振動信號分離輸出的緩沖器(161);檢出上述緩沖器(161)輸出信號的包絡(luò)線，輸出包絡(luò)線信號的 包絡(luò)線檢測器(162);不受連接加速度量的影響，引導(dǎo)生成一定大小振動基準(zhǔn)信號的基 準(zhǔn)值輸入器(163);利用從上述包絡(luò)線檢測器(162)輸出的包絡(luò)線信號和上述基準(zhǔn) 值輸入器(163)輸出的基準(zhǔn)信號，輸出使角速度儀按照一定振幅振 動的角速度軸振動維持控制信號的控制器(164);對上述緩沖器(161)中輸入的振動增益為1，輸出具有同一頻 率及同一相位的正弦波信號的單位增益基準(zhǔn)頻率輸出器(165);上述單位增益基準(zhǔn)頻率輸出器(165)輸出的正弦波信號和執(zhí)行 上述控制器(164)輸出的控制信號的乘法運算后，將運算的電壓信 號通過乘法器(166)輸入給上述角速度軸驅(qū)動輸入單元(170)。
6、 如權(quán)利要求5所述的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng), 其特征在于，上述力平衡控制單元(160)的控制器(164)為比例積 分微分控制器。
7、 如權(quán)利要求5所述的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng), 其特征在于，上述單位增益基準(zhǔn)頻率輸出器(165)具有將輸入信號增幅到高增益率的利用運算放大器組成的增益單元； 輸出與輸入信號具有相同相位矩形波信號的限制器； 以角速度儀共振頻率相同的頻率為中心頻率的帶通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)，具體地說，涉及一種可測定從垂直方向輸入的加速度量及角速度量的加速度儀、角速度儀一體型的驅(qū)動系統(tǒng)。為達上述目的，本發(fā)明包括一體型加速度儀、角速度儀，加速度軸振動信號獲取單元，振幅維持控制單元，加速度軸驅(qū)動輸入單元，角速度軸振動信號取得單元，力平衡控制單元，角速度軸驅(qū)動輸入單元。
文檔編號G01P15/097GK101349707SQ200710188068
公開日2009年1月21日 申請日期2007年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者康泰三, 成常慶, 李永宰 申請人:建國大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團