專利名稱：一種八電極靜電陀螺儀位移信號(hào)提取電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于八電極靜電陀螺儀位移信號(hào)提取的電路。

背景技術(shù)：
靜電陀螺儀是目前實(shí)現(xiàn)的陀螺儀中精度最高的慣性測(cè)量器件。靜電陀螺儀是依靠 靜電場(chǎng)的靜電力將高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子懸浮于高真空的球腔里，具有無(wú)機(jī)械接觸、受干擾力小、 精度高等優(yōu)點(diǎn)。靜電陀螺儀是通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于球腔的位移來(lái)控制相應(yīng)電極上的電壓， 從而通過(guò)電極對(duì)轉(zhuǎn)子的靜電吸引力使轉(zhuǎn)子懸浮在球腔中心的。根據(jù)球面電極劃分的不同，靜電陀螺儀可以分為六電極、八電極和十二電極方案。 相對(duì)于六電極和十二電極，八電極方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)更容易加工。目前國(guó)內(nèi)的靜電陀螺儀主 要采用十二電極恒壓控制方案。而現(xiàn)在采用的八電極方案的靜電陀螺儀都是采用的恒流控 制。由于目前采用的靜電支承方案，不論是十二電極還是八電極，其測(cè)量電路和支承電路都 是采用的同一個(gè)電極，這樣用于支承的高電壓和用于測(cè)量的低壓信號(hào)就會(huì)耦合在一起，如 何將測(cè)量信號(hào)從中分離出來(lái)就成了靜電陀螺儀設(shè)計(jì)中必須要首先考慮的問(wèn)題。在十二電極 支承方案中是采用分頻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即支承電壓采用高壓低頻的形式而測(cè)量電壓采用 低壓高頻的形式。由于測(cè)量電路的電壓遠(yuǎn)小于支承電壓，為了測(cè)量電路安全可靠的工作，信 號(hào)采集卡與支承電極的接線方式至關(guān)重要。十二電極方案是在六電極方案的基礎(chǔ)上改進(jìn)而 成的，它將三軸支承的六個(gè)電極一分為二，在新形成的兩個(gè)電極上施加大小相等但極性相 反的電壓，這樣在兩個(gè)電極中間就會(huì)形成一個(gè)零勢(shì)點(diǎn)，零勢(shì)點(diǎn)的電壓是幾乎不會(huì)波動(dòng)的，這 主要取決于高壓放大器產(chǎn)生的正高壓和負(fù)高壓的精度。信號(hào)采集卡就是通過(guò)接入十二電極 形成的六個(gè)零勢(shì)點(diǎn)來(lái)得到轉(zhuǎn)子三個(gè)位移自由度的。對(duì)于八電極支承方案并不可以形成這樣的零勢(shì)點(diǎn)，如果仍像十二電極那樣接線， 八電極會(huì)形成四個(gè)零勢(shì)點(diǎn)，只有兩個(gè)位移自由度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子三軸位移可控。一種方案 是模仿十二電極方案將八電極進(jìn)一步劃分為十六電極，這樣就會(huì)形成八個(gè)零勢(shì)點(diǎn)，得到四 個(gè)位移自由度，這是可行的。缺點(diǎn)是支承電極的過(guò)度劃分會(huì)使支承電極的有效面積損失過(guò) 多，且過(guò)多的支承電極會(huì)使系統(tǒng)的魯棒性變差。前面提到，目前八電極支承方案都是采用恒 流控制方案楊曄，來(lái)琦，趙慧，劉飛，程關(guān)德。八電極靜電陀螺支承系統(tǒng)的建模，中國(guó)慣性技 術(shù)學(xué)報(bào)，2007. 8，15 (4) :452-457。圖1所示的即是單頻恒流控制方案的原理圖。變壓器3 的副邊中心抽頭接恒流源5，當(dāng)轉(zhuǎn)子4在電極1和電極2的中心位置時(shí)，流過(guò)電極1和電極 2的電流均為、。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離電極球腔中心位置向電極1移動(dòng)時(shí)，流過(guò)電極1的電流為I1 =icris，流過(guò)電極2的電流為i2 = io+is，其中is為伺服電流。流過(guò)變壓器3原邊的電流為 i。，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾鉯cN3+i1N1-i2N2 = 0且隊(duì)=N2可以得到ic = 2隊(duì)/隊(duì)。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離中心位 置時(shí)，Ai = i2-ii耦合到原邊并經(jīng)過(guò)計(jì)算補(bǔ)償即可以得到轉(zhuǎn)子位移信號(hào)。恒流控制方案可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮，其不足之處在于由于測(cè)量和加力采用同 一個(gè)變壓器，這就對(duì)變壓器的性能提出了極為苛刻的性能要求，另外恒流控制方案實(shí)現(xiàn)的 位移測(cè)量分辨率仍達(dá)不到恒壓控制的轉(zhuǎn)子位移測(cè)量分辨率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的八電極恒壓控制方案中，靜電陀螺儀在保證測(cè)量自由 度的情況下信號(hào)采集卡無(wú)等電勢(shì)點(diǎn)可供接入，而在保證有等電勢(shì)點(diǎn)接入時(shí)又無(wú)法滿足測(cè)量 自由度的缺點(diǎn)，提供一種靜電陀螺儀位移信號(hào)提取電路。本發(fā)明解決問(wèn)題采用的技術(shù)方案為與恒流控制方案相同，本發(fā)明采用中心線過(guò) 球腔中心的兩個(gè)電極為一個(gè)電極對(duì)，八個(gè)電極共有四個(gè)電極對(duì)，其中兩個(gè)電極對(duì)施加正向 支承電壓，另外兩個(gè)電極對(duì)施加負(fù)向電壓。正電極對(duì)與負(fù)電極對(duì)相間隔開(kāi)，這種支承方式是 為了保證轉(zhuǎn)子的地電位。采用電容橋臂與電極_轉(zhuǎn)子的間隙電容形成電容橋，用恒頻電壓 源為電容橋供電，轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)通過(guò)外加的電阻橋來(lái)獲得。兩個(gè)電阻橋中間用陷波器來(lái) 進(jìn)行信號(hào)隔離，陷波器的諧振頻率為電容橋的供電電源的頻率。電容橋供電電源的頻率遠(yuǎn) 大于支承電壓的頻率。低頻的支承電壓可以通過(guò)陷波器而測(cè)量電壓則不能通過(guò)，于是支承 電壓在電阻橋的兩個(gè)橋臂上都有分壓，而測(cè)量電壓即電容橋的差動(dòng)輸出電壓只在一只電阻 橋臂上有分壓，這樣信號(hào)采集卡在兩個(gè)電阻橋臂的中點(diǎn)進(jìn)行接入，就滿足了接入點(diǎn)支承高 壓等電勢(shì)而又有轉(zhuǎn)子位移信號(hào)引入，保證了四個(gè)測(cè)量自由度。


圖1為現(xiàn)行的八電極陀螺儀采用的恒流控制方案；圖2為本發(fā)明的位移信號(hào)提取電路結(jié)構(gòu)圖；圖中，1、上支承電極，2、下支承電極，3、變壓器，4、轉(zhuǎn)子，5、恒流源，6、電流放大器， 7、PID控制器，8、位移監(jiān)測(cè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，9、加法器，10、恒頻電壓源，11、第一橋臂電容，12、第二 橋臂電容，13、第一橋臂電阻，14、第二橋臂電阻，15、第三橋臂電阻，16、第四橋臂電阻，17、 第一陷波器，18、第二陷波器，19、第一高壓放大器，20、第二高壓放大器，21、信號(hào)采集卡。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。 圖2為本發(fā)明的電路示意圖。上支承電極1和下支承電極2為一個(gè)電極對(duì)，八電 極靜電陀螺儀共有四個(gè)電極對(duì)，四個(gè)電極對(duì)是由整金屬球內(nèi)腔面等面積切割而成，各電極 之間電氣絕緣，轉(zhuǎn)子4位于四個(gè)電極對(duì)形成的球腔內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)子4穩(wěn)定懸浮時(shí)，其位于球腔重 心位置。八電極靜電陀螺儀支承系統(tǒng)的測(cè)量電路共有四路，四路測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)相同，這里 只以一路測(cè)量電路進(jìn)行說(shuō)明。第一橋臂電容11和第二橋臂電容12為具有足夠耐壓等級(jí)的 精密電容。第一橋臂電容11和第二橋臂電容12串聯(lián)連接在上支承電極1和下支承電極2 上，恒頻電壓源10連接在第一橋臂電容11和第二橋臂電容12的中間。第一橋臂電阻13和 第二橋臂電阻14串接形成第一電阻橋臂，第一電阻橋臂與第一橋臂電容11和第二橋臂電 容12形成的電容橋臂并聯(lián)，第三橋臂電阻15和第四橋臂電阻16串聯(lián)形成第二電阻橋臂， 第二電阻橋臂的兩端分別經(jīng)第一陷波器17和第二陷波器18與第一橋臂電阻13和第二橋 臂電阻14形成的第一電阻橋臂連接，第一高壓放大器19和第二高壓放大器20分別經(jīng)第一 陷波器17和第二陷波器18為上支承電極1和下支承電極2供電。信號(hào)采集卡21的兩個(gè) 引入端分別接在第一橋臂電阻13與第二橋臂電阻14的電氣連接處，以及第三橋臂電阻15與第四橋臂電阻16的電氣連接處。本發(fā)明是通過(guò)兩個(gè)中間帶有陷波器的兩個(gè)電阻橋臂即第一橋臂電阻13和第二 橋臂電阻14串接形成電阻橋臂，以及第三橋臂電阻15和第四橋臂電阻16串聯(lián)形成電阻橋 臂來(lái)提取八電極靜電陀螺儀支承電極上的位移信號(hào)的，其工作原理分析如下控制信號(hào)Utl+ Δ u和Utl- Δ u分別經(jīng)過(guò)正高壓放大器被放大為支承電壓U0+ Δ U和 Utl-AU,其中Utl為預(yù)載控制電壓，Utl為預(yù)載支承電壓。由于陷波器的諧振頻率遠(yuǎn)大于支承電 壓的頻率，所以支承電壓在兩個(gè)電阻橋臂上都有分壓，即 因此，對(duì)于低頻支承高壓，其對(duì)于信號(hào)采集卡的輸入電壓為UAB = UA-Ub = 0(2)對(duì)于測(cè)量信號(hào)，其激勵(lì)源為恒頻電壓源10，其幅值為um，電極1與轉(zhuǎn)子4的間隙電 容為C1,電極2與轉(zhuǎn)子4的間隙電容為C2，橋臂電容11的容值為Cbl，橋臂電容12的容值為 Cb2，且有Cbl = Cb2 = Cb，于是電容橋的輸出電壓就可以表示為 當(dāng)轉(zhuǎn)子4向電極1移動(dòng)δ時(shí)，電極間隙電容就可以表示為C1 = Q+AC，C2 = Ctl-AC,其中Ctl為轉(zhuǎn)子4在中心位置時(shí)的電極間隙電容。(3)式就可以表示為 AC為轉(zhuǎn)子4位移δ的函數(shù)，采樣電路通過(guò)檢測(cè)電壓uAB就可以得到轉(zhuǎn)子的位移信息.
權(quán)利要求
一種八電極靜電陀螺儀位移信號(hào)提取電路，其特征在于，所述的信號(hào)提取電路中，第一橋臂電容(11)和第二橋臂電容(12)串聯(lián)連接在上支承電極(1)和下支承電極(2)上，恒頻電壓源(10)連接在第一橋臂電容(11)和第二橋臂電容(12)的中間；第一橋臂電阻(13)和第二橋臂電阻(14)串接形成第一電阻橋臂，第一電阻橋臂與第一橋臂電容(11)和第二橋臂電容(12)形成的電容橋臂并聯(lián)；第三橋臂電阻(15)和第四橋臂電阻(16)串聯(lián)形成第二電阻橋臂，第二電阻橋臂的兩端分別經(jīng)第一陷波器(17)和第二陷波器(18)與第一電阻橋臂連接；第一高壓放大器(19)和第二高壓放大器(20)分別經(jīng)第一陷波器(17)和第二陷波器(18)為上支承電極(1)和下支承電極(2)供電；信號(hào)采集卡(21)的兩個(gè)引入端分別接在第一橋臂電阻(13)與第二橋臂電阻(14)的電氣連接處，以及第三橋臂電阻(15)與第四橋臂電阻(16)的電氣連接處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的八電極靜電陀螺儀位移信號(hào)提取電路，其特征在于通過(guò)所述 的第一電阻橋臂和第二電阻橋臂來(lái)提取八電極靜電陀螺儀支承電極上的位移信號(hào)。
全文摘要
一種用于八電極靜電陀螺儀位移信號(hào)提取的電路，第一橋臂電容(11)和第二橋臂電容(12)串聯(lián)連接在上支承電極(1)和下支承電極(2)上，恒頻電壓源(10)連接在第一橋臂電容(11)和第二橋臂電容(12)的中間；第一橋臂電阻(13)和第二橋臂電阻(14)串接形成第一電阻橋臂，與第一橋臂電容(11)和第二橋臂電容(12)形成的電容橋臂并聯(lián)；第三橋臂電阻(15)和第四橋臂電阻(16)串聯(lián)形成第二電阻橋臂，此電阻橋臂的兩端分別經(jīng)第一陷波器(17)和第二陷波器(18)與第一電阻橋臂連接；測(cè)量電路(21)的兩個(gè)引入端分別接在第一橋臂電阻(13)與第二橋臂電阻(14)的電氣連接處，以及第三橋臂電阻(15)與第四橋臂電阻(16)的電氣連接處。
文檔編號(hào)G01C19/28GK101886924SQ20101020039
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者劉建華, 王樂(lè)樂(lè), 王秋良, 胡新寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所