專利名稱：具有交流加力和敏感電路的振動旋轉(zhuǎn)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的主題與以下專利申請所披露的發(fā)明有關(guān)，這些申請包括由Matthews，Darling和Varty等人申請的“具有多路復(fù)用電路的振動旋轉(zhuǎn)傳感器”，由Matthews、Varty、Li和Lynch等人申請的“具有全角跟蹤的振動旋轉(zhuǎn)傳感器”以及由Lynch申請的“具有AC驅(qū)動電壓的振動旋轉(zhuǎn)傳感器”。
本發(fā)明一般涉及振動旋轉(zhuǎn)傳感器，尤其涉及與該旋轉(zhuǎn)傳感器有關(guān)的電子線路。
如

圖1分解示意圖所示，現(xiàn)有技術(shù)的振動旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)10包括外構(gòu)件12、半球形共振器14和內(nèi)構(gòu)件16，所有部件都由熔凝的石英制成并加入了銦。慣性敏感元件為薄壁的、5.8厘米直徑的半球形共振器14，它置于外構(gòu)件12與內(nèi)構(gòu)件16之間并由導(dǎo)桿26支承。
環(huán)形加力器電極20和16個分散的加力器電極22接合于外構(gòu)件12的內(nèi)表面。在組裝后的VRS10中，環(huán)形加力器電極20和16個分散的加力器電極22緊靠半球形共振器14的金屬化外表面32。在組裝的VRS中，置于內(nèi)構(gòu)件16上的8個敏感電極24緊靠半球形共振器14的金屬化內(nèi)表面30。
通過在半球形共振器14與環(huán)形加力器電極20之間合適的加力電壓，可以將容性壓力加在半球形共振器14上，以最低階非伸縮(或彎曲)方式使半球形共振器振動。所形成的駐波圍繞圓周有4個按90度間隔的波腹，4個節(jié)點與波腹偏離45度。0度和180度波腹與90度和270度波腹的相位相差90度。該駐波引起半球形共振器的邊緣形狀從圓形變?yōu)闄E圓形(長軸通過0度/180度波腹)，到從圓形變?yōu)闄E圓形(長軸通過90度/270度波腹)的變化。
VRS10繞著與半球形共振器邊緣34的平面相垂直的軸旋轉(zhuǎn)，使得駐波沿反向旋轉(zhuǎn)一個角度，該角度與VRS10的旋轉(zhuǎn)角度成正比。這樣，通過測量該駐波相對VRS10的旋轉(zhuǎn)角度，即可確定VRS10的旋轉(zhuǎn)角度。
通過在半球形共振器14上設(shè)置直流偏壓，在環(huán)形加力器電極20上設(shè)置交流電壓，交流電壓的頻率為半球形共振器14之共振頻率的兩倍，激勵半球形共振器14的振動模式。
當半球形共振器14振動以及敏感電極24相對半球形共振器的電容改變時，通過測量極高阻抗(約為恒定負荷)敏感電極24的輸出電壓，確定相對VRS10的駐波圖形角。從組合式V0-V90+V180-V270獲得x軸信號Vx，其中，下標表示相對產(chǎn)生電壓的電極的x軸的角度位置。同樣，從組合式V45-V135+V225-V315獲得y軸信號Vy。由Vy與Vx之比給出相對0度(即x)軸的兩倍駐波圖形角的正切。
由于半球形共振器14的厚度不一致，第一駐波的確立將導(dǎo)致生成以相位正交振蕩的第二駐波，其波腹與第一駐波的節(jié)點一致。通過將合適的電壓加在16個分離的加力器電極22上，可以抑制第二駐波的生成。
直流偏壓一般維持在半球形共振器14上。直流偏壓的存在導(dǎo)致HRG電性能的緩慢改變，而這一改變歸結(jié)為發(fā)生在外構(gòu)件12和內(nèi)構(gòu)件16或其內(nèi)部的電荷遷移現(xiàn)象所引起的電容變化。隨著時間的消逝，這些緩慢變化導(dǎo)致難以接受的大幅度性能劣化，必須提供特殊的裝置對這些影響進行補償。
本發(fā)明是一種控制振動旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)振動模式的方法和裝置，VRS包括共振器和同時用作接地電位基準的殼體。共振器的表面具有導(dǎo)電區(qū)域，殼體具有多個相對共振器上的導(dǎo)電區(qū)域而設(shè)置的附加電極。通過將交流敏感信號饋送到共振器上的導(dǎo)電區(qū)域并獲得一個或多個振動信號，同時將共振器上導(dǎo)電區(qū)域的對地電位維持在100毫伏，確定共振器駐波振動圖形的參數(shù)。每個振動信號是交流敏感信號的復(fù)制品，其幅度調(diào)制是共振器表面導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)一點至相對殼體電極之距離的周期函數(shù)。調(diào)幅頻率就是共振器的振動頻率。駐波參數(shù)根據(jù)振動信號確定，通過產(chǎn)生合適的交流加力電壓施加到殼體電極，用這些參數(shù)控制駐波參數(shù)。
圖1表示現(xiàn)有技術(shù)的振動旋轉(zhuǎn)傳感器的組成部分。
圖2示意性表示共振器的導(dǎo)電區(qū)域以及附加到振動旋轉(zhuǎn)傳感器殼體的相對電極。
圖3是振動旋轉(zhuǎn)傳感器的加力和敏感電路的示意圖。
圖4是振動信號解調(diào)器的方框圖。
圖2中示意性表示采用32個分散的加力器電極(而不是圖1所示環(huán)形加力器電極20和16個分散加力器電極22)的振動速率傳感器連同基準X和Y軸的實施例。共振器用圓40表示。32個分散加力器電極42位于VRS的外構(gòu)件上，8個敏感電極44位于內(nèi)構(gòu)件上。
VRS可以用機械裝備或作為速率陀螺(力-重新平衡，F(xiàn)TR)操作，或作為速率積分陀螺(全角，WA)操作。在FTR操作模式中，通過將與慣性速率輸入Ω成正比的電壓加到符號“r”表示的電極42，使共振器沿X軸的彎曲幅度維持在固定的非零值，沿Y軸的彎曲幅度維持在零。
在WA模式中，不提供沿Y軸的無效力，允許恒幅彎曲圖形旋轉(zhuǎn)。圖形旋轉(zhuǎn)角與慣性旋轉(zhuǎn)輸入∫Ωdt成正比。
通過將X軸振動頻率為ωx的電壓加到直接位于相對X軸為0和180度的波腹上的加力器電極42，或通過將參數(shù)為2ωx的電壓加到由符號“p”表示的電極42，可以維持X軸幅度。
除了所需的共振器同相彎曲運動以外，通常還有不想要的因頻率軸不對稱而引起的正交彎曲運動，以及敏感和主頻率與阻尼軸之間的失配。該不想要的正交振動模式通過把電壓置于開環(huán)正交(OLQ)電極42上以及正/負閉環(huán)正交(+-CLQ)電極42上而受到抑制。
共振器的半徑位移x和y由分別沿X和Y軸的符號“ANP”(波腹敏感襯墊)和“NP”(節(jié)點敏感襯墊)表示的敏感襯墊44檢測。符號“UN”表示的襯墊不采用。半徑位移由以下一對微分方程式列出d2xdt2+2Txdxdt+ωx2x=fx+2kΩdydt---(1)]]>d2ydt2+2Tydydt+ωy2y=fy-2kΩdxdt]]>其中，Tx和Ty為阻尼系數(shù)，ωx和ωy為沿X軸和Y軸的角振動頻率，fx和fy為沿X軸和Y軸施加在共振器上的力，k為常數(shù)，Ω為共振器的旋轉(zhuǎn)角速率。圖2所示對電極加參數(shù)驅(qū)動產(chǎn)生沿X軸和Y軸施加的力fparax和fparay。圖2所示對電極加速率驅(qū)動產(chǎn)生沿與Y軸平行的軸施加的力frate。
上述方程式變?yōu)閐2xdt2+2Txdxdt+ωx2x=fparax+2kΩdydt]]>d2ydt2+2Tydydt+ωy2y=fparay+frate-2kΩdxdt---(2)]]>在力-重新平衡模式中，d2y/dt2，dy/dt和y全等于零，且frate=2kΩdxdt----(3)]]>消除共振器上直流偏壓被視為(1)減少或消除電荷遷移現(xiàn)象影響的一種手段，電荷遷移被認為是VRS標度因子隨時間變化的原因，(2)消除采用高阻抗敏感的一種手段，它對于雜散偽信號是非常敏感的。圖3表示消除常規(guī)直流偏壓的VRS加力和敏感電路50的一個實施例。
交流源52經(jīng)由微動開關(guān)54和電容器56連接到共振器40，并連接到運算放大器60的輸入端58。運算放大器60的輸出端62經(jīng)由微動開關(guān)64連接到敏感電極ANP和NP。微動開關(guān)64于ANP與NP敏感電極之間周期性地切換運算放大器60的輸出端62，以檢測同相和正交共振器振動模式的幅度。當微動開關(guān)64在ANP與NP電極之間切換時，微動開關(guān)54將電容器56的輸入端接地。
運算放大器60的輸入阻抗高到足以使輸入電流假設(shè)為零。運算放大器60的增益足夠高，如輸出電壓不飽和，與其它電壓相比，輸入電壓可假設(shè)忽略不計。例如，如果輸出范圍為+-10V且放大器增益為1gV/V，則最大輸入電壓僅為10nV。無須將共振器40的電位限制到10nV以避免因電荷遷移現(xiàn)象引起的電容變化所導(dǎo)致的HRG電性能的慢變化。共振器電位的理想上限可能為0.1V。
雜散電容存在于敏感電容ANP與NP之間。線路62一般有10歐姆電阻。為了將敏感電容ANP與NP之間的耦合減低到可忽略不計的程度，運算放大器60的輸出阻抗應(yīng)當小于100歐姆。
根據(jù)以上得到e52=1C56∫i66dt]]>e62ANP=1CANP∫i62dt---(4)]]>i66＝-i62其中，下標表示圖3中的器件或線路，上標表示敏感電極，運算放大器60的輸出端62經(jīng)由微動開關(guān)64連接到該敏感電極。
從以上等式得到e62ANP=-C56CANPe52---(5)]]>從下式得到敏感電極的電容CANP=ϵAx----(6)]]>其中，x可以由以下表達式表示x＝do+xosinωt (7)且ε為介電常數(shù)，A為一對敏感電極44的面積，do為共振器40和敏感電極44之間的標稱間隙，xo為共振器40的彎曲幅值，ω為共振器40的振動角頻率。
組合等式(5)和(6)，我們得到e62ANP=K(do+xosinωt)e52----(8)]]>其中K=-C56ϵA----(9)]]>同樣，e62NP=K(do+yosinωt)e52---(10)]]>表達式e52作為幅值V52和角頻率ω52的正弦曲線，得到e62ANP=KV52(do+xosinωt)sinω52t]]>e62NP=KV52(do+yosinωt)sinω52t---(11)]]>通過圖4所示解調(diào)電路在處理器72內(nèi)對e62作進一步處理。在混頻器76內(nèi)混合e62，與sinω52t和通過低通濾波器78濾去ω52之諧波的結(jié)果按時序為SANP和SNP，其中SANP∝KV52(do+xosinωt)SNP∝KV52(do+yosinωt) (12)使Ss通過截止角頻率小于ω的低通濾波器80分別獲得SANP和SNP的平均值S1ANP和S1NP。S1ANP=SANP∝KV52do----(13)]]>通過用混頻器82混合Ss與sinωt并經(jīng)由低通濾波器84濾去ω和ω的諧波，分別獲得SANP和SNP的量S2ANP和S2NP。S2ANP∝KV52xo----(14)]]>S2NP∝KV52yo]]>信號S1和S2的穩(wěn)定性取決于交流電壓源52和電容器C56的穩(wěn)定性。如果兩者均穩(wěn)定，則可以精確測定標稱間隙do和撓曲幅值xo。可以采用一種高級別溫度穩(wěn)定的電容器，諸如溫度系數(shù)非常接近于零的ATC-700。
圖3所示電路設(shè)想用連接在一起的兩個ANP電極和連接在一起的兩個NP電極，用微動開關(guān)64交替地將運算放大器60的輸出端62連接到ANP和NP電極。一種更有效的電路將利用成對連接的全部8個敏感電極，以VRS的振動模式為其特征。ANP電極對和NP電極對將分別構(gòu)成ANP(+)和NP(+)對。與X和Y軸呈橫切的線上的UN對分別構(gòu)成ANP(-)和NP(-)對，因為這些電極對上的信號與用正符號標記的電極對上的信號反向。為了適應(yīng)該4個電極對，微動開關(guān)64應(yīng)為單刀四擲開關(guān)，它將連續(xù)地切換到4對電極的每一對。在接下來的信號處理期間，將組合ANP(+)和ANP(-)信號，并組合NP(+)和NP(-)信號。
處理器72以常規(guī)的方法按e62操作，產(chǎn)生加力電壓加到電極42。
在HRG的力-重新平衡機理中，通過下式(見等式(3)和(7))給出使節(jié)點輸出為無效的力Fratefrate=2kΩdxdt=2kΩωxocosωt----(15)]]>在本發(fā)明中，通過在圖2所示的共振器電極與“r”電極之間建立一個電壓Vrate(+)或Vrate(-)，產(chǎn)生該力Vrate(+)＝Vω/2cos[1/2(ωt]Vrate(-)＝Vω/2sin[1/2ωt] (16)所產(chǎn)生的力frate(+)和frate(-)與電極之間電壓的平方成正比frate(+)∝Vω/22cos2[1/2(ωt)]=1/2Vω/22(1+cosωt)]]>frate(-)∝Vω/22sin2[1/2(ωt)]=1/2Vω/22(1-cosωt)----(17)]]>余弦項是所需的加力函數(shù)。直流項對共振器動力學(xué)的影響可忽略不計。通過選擇frate(+)和frate(-)中的任一個，可以選擇加力函數(shù)的符號。
如前面結(jié)合圖1所述，通過在半球形共振器14與環(huán)形加力器電極20之間合適的加力電壓，可以將電容性力施加在半球形共振器14上，使半球形共振器以最低價的非伸展(或彎曲)方式振動。隨后，環(huán)形加力器電極發(fā)展成繞共振器周長對稱分布的分離電極，如圖2所示。
為了維持振動，力必須加到共振器上以消除與等式(1)中的dx/dt成正比的阻尼力。如果x隨sinωt變化，則力必須隨cosωt變化。通過將隨cosωt變化的電壓加到圖2所示的“p”電極上，可以獲得該力。
由施加到兩個“p”電極的電壓Vp所產(chǎn)生的凈力相互移置90度f(t,θi)∝Vp2[do-x(θi)]2-Vp2[do-x(θi+π/2)]2---(18)]]>其中，do-x(θi)是共振器40與“p”電極之間的距離，后者從X軸移置θi，如圖2所示。由于x(θi)＝-x(θi+π/2)，f(t,θi)∝Vp2[do-x(θi)]2-Vp2[do+x(θi)]2----(19)]]>并假設(shè)x(θi)＜＜do，f(t,θi)∝Vp2x(θi)---(20)]]>給出x(θi)＝xocos2θisinωt(21)則f(t,θi)∝Vp2xocos2θisinωt---(22)]]>綜合從-π/4至+π/4以及3π/4至5π/4角度部分(包括所有“p”電極對)中所有θi，得到f(t)f(t)∝Vp2xosinωt---(23)]]>現(xiàn)在假定下列加力電壓Vp＝Vposin(ωt+φ)(24)代入等式(23)，獲得f(t)∝Vpo2xosin2(ωt+φ)sinωt---(25)]]>并可改寫為f(t)∝Vpo2xo[sinωt+1/2sin(ωt+2φ)-1/2sin(3ωt+2φ)]---(26)]]>第一和第三項對共振器動力學(xué)影響可忽略不計，故可以忽略。如φ＝π/4，則第二項作用為最大，在此情況下f(t)∝Vpo2xocosωt---(27)]]>通過將電壓加到間隔90度的電極(見圖2)實行正交控制。這樣，等式(22)可適用fQ(t)∝VQ2xosinωt----(28)]]>這里，設(shè)置θi等于零，下標等于Q。如VQ＝VQosinωQt(29)則fQ(t)∝VQo2xosin2ωQtsinωt----(30)]]>該等式可以改寫為fQ(t)∝VQo2xo[sinωt-1/2sin(2ωQ+ω)t+1/2sin(2ωQ-ω)t]----(31)]]>如果ωQ等于ω，則第二項無效力，第一和第三項組合形成合適的正交加力函數(shù)。其它的值可以用于既無第二項也無第三項具有任何效力的情況，而第一項本身提供正交加力。
有關(guān)振動旋轉(zhuǎn)傳感器的其它細節(jié)包含在Loper，Jr等人1990年8月28日申請的第4951508號美國專利中，它在此作為參考資料引用。
權(quán)利要求
1.一種控制振動旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)振動模式的方法，該VRS包括共振器和殼體，共振器和殼體的電位被表示為地電位，共振器的表面具有導(dǎo)電區(qū)域，多個電極連接到殼體并相對共振器上的導(dǎo)電區(qū)域而設(shè)置，其特征在于，所述方法包括如下步驟產(chǎn)生交流敏感信號；將交流敏感信號饋送到共振器上的導(dǎo)電區(qū)域；獲得一個或多個振動信號，每個振動信號為調(diào)幅交流敏感信號的復(fù)制品，調(diào)幅為共振器表面導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)一點至相對殼體電極之距離的周期函數(shù)，調(diào)幅頻率為共振器的振動頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進一步包括如下步驟將共振器上導(dǎo)電區(qū)域的電位維持在對地100毫伏以內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于進一步包括如下步驟產(chǎn)生一個或多個交流加力電壓；將每個交流加力電壓加到一個或多個殼體電極，每個交流加力電壓產(chǎn)生一個或多個力加到共振器上。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于要求操作VRS的所有加力電壓為交流電壓。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，共振器振動頻率與每個交流加力電壓頻率之比等于一個整數(shù)比，其產(chǎn)生步驟包括如下步驟當共振器振動時，維持每個交流加力電壓與共振器的振動同步。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，共振器振動頻率與一個交流加力電壓頻率之比等于1，交流加力電壓施加到環(huán)繞共振器的環(huán)形電極以維持共振器的振動。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，共振器振動頻率與一個交流加力電壓頻率之比等于1，該交流加力電壓施加到環(huán)繞共振器的多個電極以維持共振器的振動。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，共振器振動頻率與一個交流加力電壓頻率之比等于2，該交流加力電壓施加到位于振動圖形節(jié)點處的一個或多個電極以將振動圖形維持于相對VRS的一個固定位置。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，交流加力電壓施加到一個或兩個電極對，以抑制正交振動，這些電極包括間隔90度的多對電極，這些電極包括間隔90度的一對電極。
10.一種裝置，其特征在于實施權(quán)利要求1所述的方法。
11.一種控制振動旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)振動模式的裝置，該VRS包括共振器和殼體，共振器和殼體的電位被表示為地電位，共振器的表面具有導(dǎo)電區(qū)域，多個電極連接到殼體并相對共振器上的導(dǎo)電區(qū)域而設(shè)置，其特征在于，所述裝置包括具有輸出端口的敏感信號發(fā)生器，該敏感信號發(fā)生器的輸出端口提供交流敏感信號；一個或多個敏感電路，每個敏感電路具有輸入端口和輸出端口，每個敏感電路的輸入端口連接到敏感信號發(fā)生器的輸出端口和共振器的導(dǎo)電區(qū)域，每個敏感電路的輸出端口連接到一電極，每個敏感電路的輸出端口提供一振動信號，每個振動信號為調(diào)幅交流敏感信號的復(fù)制品，調(diào)幅為共振器表面導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)一點至相對殼體電極之距離的周期函數(shù)，調(diào)幅頻率為共振器的振動頻率。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于進一步包括一個或多個加力函數(shù)發(fā)生器，每個加力函數(shù)發(fā)生器具有輸入端口和輸出端口，每個加力函數(shù)發(fā)生器的輸入端口連接到一個或多個敏感電路的輸出端口，每個加力函數(shù)發(fā)生器的輸出端口連接到一個或多個殼體電極，每個加力函數(shù)發(fā)生器的輸出端口提供一交流加力電壓，共振器振動頻率與每個交流加力電壓的頻率之比等于整數(shù)比，每個交流加力電壓與振動信號同步。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于要求操作VRS的所有加力電壓為交流電壓。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，共振器振動頻率與一個交流加力電壓頻率之比等于1。
15.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，共振器振動頻率與一個交流加力電壓頻率之比等于2。
16.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于每個敏感電路的輸出端口對地阻抗小于100歐姆。
17.一種控制振動旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)振動模式的裝置，該VRS包括共振器和殼體，共振器和殼體的電位被表示為地電位，共振器的表面具有導(dǎo)電區(qū)域，多個電極連接到殼體并相對共振器上的導(dǎo)電區(qū)域而設(shè)置，其特征在于，所述裝置包括具有輸出端口的敏感信號發(fā)生器，該敏感信號發(fā)生器的輸出端口提供交流敏感信號；具有輸入端口和輸出端口的敏感電路，敏感電路的輸入端口連接到敏感信號發(fā)生器的輸出端口和共振器的導(dǎo)電區(qū)域，敏感電路的輸出端口按時序連接到多個殼體電極，敏感電路的輸出端口按時序提供多個振動信號，每個振動信號為調(diào)幅交流敏感信號的復(fù)制品，調(diào)幅為共振器表面導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)一點至相對殼體電極之距離的周期函數(shù)，調(diào)幅頻率為共振器的振動頻率。
全文摘要
控制振動旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)振動模式的方法和裝置,包括共振器和殼體。共振器的表面具有導(dǎo)電區(qū)域,殼體的多個附加電極相對共振器上的導(dǎo)電區(qū)域而設(shè)置。通過將交流敏感信號饋送到共振器上的導(dǎo)電區(qū)域并獲得一個或多個振動信號,同時將共振器上的導(dǎo)電區(qū)域的對地電位維持在100毫伏,確定共振器駐波振動圖形的參數(shù)。每個振動信號是交流敏感信號的復(fù)制品,其幅度調(diào)制是共振器表面導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)一點至相對殼體電極之距離的周期函數(shù)。
文檔編號G01H11/00GK1194370SQ9810583
公開日1998年9月30日 申請日期1998年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月20日
發(fā)明者拉利特·庫馬爾, 邁克爾J·福斯特, 托馬斯A·比特納 申請人:利頓系統(tǒng)有限公司