專利名稱：利用線性彎曲量度法的振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器，特別是，涉及與這種旋轉(zhuǎn)傳感器相關(guān)的電子技術(shù)。


圖1示出未裝配的現(xiàn)有技術(shù)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器(VRS)10，它包括外部部件12、半球形諧振器14和內(nèi)部部件16，所有這些部件都由熔融石英構(gòu)成并用銦將它們連接起來。慣性敏感元件(inertially-sensitive element)是直徑為5.8cm的薄壁半球形諧振器14，位于外部部件12和內(nèi)部部件16之間并由桿(stem)26支撐。
把圓環(huán)形加力器電極(ring forcer delectrode)20和16個(gè)分立的加力器電極22淀積在外部部件12的內(nèi)表面上。在裝配的VRS10中，圓環(huán)形加力器電極20和16個(gè)分立的加力器電極22非常接近于半球形諧振器14的外金屬表面32。在裝配的VRS中，淀積在內(nèi)部部件16上的8個(gè)傳感電極(pickoff electrode)24非常接近于半球形諧振器14的內(nèi)金屬表面30。
用半球形諧振器14和圓環(huán)形加力器電極20之間適當(dāng)?shù)募恿﹄妷翰羁梢詫Π肭蛐沃C振器14施加電容力(capacitive force)，以使半球形諧振器以最低級非伸縮(或者撓曲)模式振動(dòng)。使四個(gè)腹點(diǎn)在圓周上以90度隔開而四個(gè)節(jié)點(diǎn)偏離腹點(diǎn)45度可形成駐波。0度和180度腹點(diǎn)與90度和270度腹點(diǎn)以90度相差振蕩。駐波使半球形諧振器的邊緣形狀從圓形到橢圓形(長半軸通過0度/180度腹點(diǎn))變成圓形到橢圓形(長半軸通過90度/270度腹點(diǎn))。
VRS10繞著與半球形諧振器邊緣34的平面垂直的軸旋轉(zhuǎn)使駐波相對VRS以相反的方向旋轉(zhuǎn)，其角度與VRS10的旋轉(zhuǎn)角度成正比。這樣，通過相對于VRS10測量駐波的旋轉(zhuǎn)角度，可以確定VRS10的旋轉(zhuǎn)角度。
通過把直流偏置電壓設(shè)置在半球形諧振器14上并把交流電壓設(shè)置在圓環(huán)形加力器電極20上，激發(fā)半球形諧振器14的振動(dòng)模式，其中交流電壓頻率是半球形諧振器14的諧振頻率的兩倍。
當(dāng)半球形諧振器14振動(dòng)和傳感電極24相對于半球形諧振器14的電容變化時(shí)，通過測量流入和流出傳感電極24的電流，確定相對于VRS10的駐波譜角。從組合I0-I90+I180-I270獲得x軸信號Ix，其中下標(biāo)表示與產(chǎn)生電流的電極的x軸相關(guān)的角取向。類似地，從組合I45-I135+I225-I315獲得y軸信號Iy。由Iy和Ix之比給定相對于0度(即，x)軸的兩倍駐波譜角的正切。
作為半球形諧振器14的厚度不一致性的結(jié)果，第一駐波的建立將導(dǎo)致以相位正交進(jìn)行振蕩的第二駐波，其腹點(diǎn)與第一駐波的節(jié)點(diǎn)一致。通過把適當(dāng)?shù)碾妷杭釉?6個(gè)分立的加力器電極22上可以抑制第二駐波的形成。
為了減小施于圓環(huán)形加力器電極20和分立的加力器電極22的AC加力電壓的幅度，而且施于諧振器上的力與交流驅(qū)動(dòng)電壓成線性關(guān)系，一般在半球形諧振器14上保持直流偏置電壓。施加直流偏置電壓使得VRS的電特性緩慢變化，而該電特性起因于在外部部件12和內(nèi)部部件16上或其內(nèi)部發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象所引起的電容變化。這些緩慢的變化導(dǎo)致隨著時(shí)間推移產(chǎn)生無法接受的較大幅度的性能降低，而且必須采取特殊措施來補(bǔ)償這些影響。
本發(fā)明方法用于獲得具有一個(gè)或多個(gè)輸入端i和一個(gè)輸出端的裝置的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)pm的線性量度，其中m取從1到M的整數(shù)值，M是等于或大于1的整數(shù)，i取從1到I的整數(shù)值，I是等于或大于1的整數(shù)。裝置把饋送到一個(gè)或多個(gè)輸入端的一個(gè)或多個(gè)輸入信號Gi(pm)Eei(t)變換成一個(gè)輸出信號，包括在輸出端把Gi(pm)Hi(pm)Eoi(t)對i求總和，其中Gi(pm)是與第i個(gè)輸入端相關(guān)的權(quán)函數(shù)，Eei(t)是與第i個(gè)輸入端相關(guān)的激勵(lì)信號，Eoi(t)是Eei(t)從輸入端i橫穿到輸出端的路徑的得出的激勵(lì)信號Eei(t)的變換形式，Eei(t)和Eoi(t)與參數(shù)pm無關(guān)。由pm的階Nim次冪可以表示乘積函數(shù)Gi(pm)Hi(pm)，Nim的值依賴于表達(dá)式的特定精確度。所述方法包括下列步驟(1)生成一個(gè)或多個(gè)線性化權(quán)函數(shù)Gil(pm)，其中輸出信號是參數(shù)pm對于表達(dá)式的特定精確度的線性量度；(2)把輸入信號Gil(pm)Eei(t)饋送到裝置中；(3)把輸出信號的一個(gè)分量用作一個(gè)或多個(gè)參數(shù)中每個(gè)參數(shù)Pm的線性量度。
在該方法的特定實(shí)施中，通過把Gil(pm)Hi(pm)設(shè)為等于AimPm獲得Gil(pm)，其中Aim是任一恒值。
在把該方法應(yīng)用于振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的過程中，裝置變成一種振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器，它包括帶有附屬諧振器電極的諧振器以及帶有多個(gè)附屬外殼電極的外殼，每個(gè)外殼電極對應(yīng)于輸入端而諧振器電極對應(yīng)于輸出端。與特定端i相關(guān)的線性化權(quán)函數(shù)是Gii(zi)，當(dāng)諧振器不振動(dòng)時(shí)，量(1+zi)是以相同電極之間的距離為單位的諧振器電極和第i個(gè)外殼電極之間的距離。與特定端i相關(guān)的線性化權(quán)函數(shù)Gil(zi)與zi(1+zi)成正比。在另一種結(jié)構(gòu)中，與特定端i相關(guān)的線性化權(quán)函數(shù)Gil(zi)與(1-zi)(1+zi)成正比。
根據(jù)以與zi相同的單位分別表示的同相和正交振動(dòng)模式的最大彎曲幅度di和dq、同相駐波的腹點(diǎn)軸相對于zi電極位置之間的角θ、諧振器的振動(dòng)角頻率ω和與諧振器的振動(dòng)相關(guān)的相位角φ計(jì)算參數(shù)zi。由振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器對di、dq、θ、ω和φ提供估算。
在全角跟蹤模式中，在計(jì)算zi的過程中，可以把最大正交彎曲幅度dq的值設(shè)為零，而仍然實(shí)現(xiàn)作為zi的線性表示的令人滿意的輸出信號的表達(dá)精確度。在計(jì)算zi的過程中，使cos(ωt+φ)近似于恒值γ可以另作簡化。
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的結(jié)構(gòu)。
圖2示出本發(fā)明的控制和讀出電路(electronics)的方框圖。
圖3示出本發(fā)明的特定實(shí)施例的復(fù)用控制信號。
在這一部分中，描述作為振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器一部分的本發(fā)明的實(shí)施例，其中用復(fù)用信號實(shí)現(xiàn)所述振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的控制和讀出。振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器包括諧振器、連接諧振器的外殼和復(fù)用電路。諧振器可以是具有駐波振動(dòng)模式的任何振動(dòng)對稱薄壁物體?，F(xiàn)有技術(shù)通常建議諧振器的形狀為半球狀。
圖2示出用于確定駐波參數(shù)并控制諧振器動(dòng)力特性的簡化方法。對于相對于諧振器固定的x和y軸來描述駐波?？梢杂美@著x軸順時(shí)針測得的同相腹點(diǎn)軸的取向角θ指定相對于諧振器的同相駐波的取向。假設(shè)諧振器邊緣沿著同相腹點(diǎn)軸偏離圓周是隨著cos(ωt+φ)變化的，其中ω是振動(dòng)頻率，t是時(shí)間，而φ是任一相位角。用繞著x軸順時(shí)針測得的正交腹點(diǎn)軸的取向角θ+π/4指定正交駐波相對于諧振器的取向。假設(shè)諧振器邊緣沿著正交腹點(diǎn)軸偏離圓周是隨著sin(ωt+φ)變化的。
對淀積在諧振器內(nèi)表面上的圓周連續(xù)(circumferentially-continous)的諧振器電極42施加直流偏置電壓VB，而且通過隔直電容器43與放大器/信號分離器44相連。把連到VRS外殼的八根電極46沿著極接近于諧振器電極42的圓周均等隔開，最上面的xp電極定位于x軸的中心。八根電極46施以來自復(fù)用器48的驅(qū)動(dòng)電壓Vxp(t)、Vxn(t)、Vyp(t)和Vyn(t)，其中Vxp(t)＝Gxp(x)[Vmxr(t)cos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)sin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcx(t)Uxp(t)Vxn(t)＝-Gxn(x)[Vmxr(t)cos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)sin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcx(t)Uxn(t)Vyp(t)＝Gyp(y)[Vmxr(t)sin2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)cos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcy(t)Uyp(t)Vyn(t)＝-Gyn(y)[Vmxr(t)sin2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)cos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcy(t)Uyn(t)(1)激勵(lì)電壓Vmxr(t)cos(ωxrt+ψxr)和Vmyr(t)cos(ωyrt+ψyr)是圖2xr-yr跟蹤角坐標(biāo)系統(tǒng)中的分量(由下標(biāo)r表示)。激勵(lì)電壓的較佳實(shí)施例包括正弦cos(ωxrt+ψxr)和cos(ωyrt+ψyr)?？梢岳酶鞣N周期函數(shù)F(ωxrt+ψxr)來代替包括普通方波的正弦曲線。
權(quán)函數(shù)Gxp(t)、Gxn(t)、Gyp(t)和Gyn(t)是x和y的函數(shù)，其中x和y是當(dāng)沒有激勵(lì)諧振器時(shí)，在分別由諧振器電極42和電極46之間的空隙分開的xp和yp電極位置上的諧振器電極42的彎曲幅度。正x或y值與大于非激勵(lì)空隙的空隙相關(guān)，而負(fù)x或y值與小于非激勵(lì)空隙的空隙相關(guān)。下面，討論出現(xiàn)這些函數(shù)的原因。
xr軸以跟蹤角θr繞著x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)的激磁電壓不影響諧振器的駐波參數(shù)。角頻率ωxr和ωyr以及相位ψxr和ψyr依賴于所用的復(fù)用類型。加力電壓Vcx(t)Uxp(t)、Vcx(t)Uxn(t)、Vcy(t)Uyp(t)和Vcy(t)Uyn(t)(表示為x-y坐標(biāo)系中的分量)使得力加到諧振器，以控制在諧振器上的一個(gè)或多個(gè)駐波的參數(shù)。由控制單元50生成函數(shù)Uxp(t)、Uxn(t)、Uyp(t)和Uyn(t)并施于復(fù)用器48。電壓Vcx(t)和Vcy(t)是預(yù)定函數(shù)，用于把加力電壓與激磁電壓分開。
由下式給出從諧振器電極42流入放大器-信號分離器44的電流I(t)I(t)＝Ixp(t)+Ixn(t)+Iyp(t)+Iyn(t)(2)其中
Ixp(t)＝KIGxp(x)Cxp[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICxpVcx(t)ωUxpUxp(t)Ixn(t)＝-KIGxn(x)Cxn[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICxnVcx(t)ωUxnUxn(t) (3)Iyp(t)＝KIGyp(y)Cyp[Vmxr(t)ωxrsin2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)ωyrcos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICypVcy(t)ωUypUyp(t)Iyn(t)＝-KIGyn(y)Cyn[Vmxr(t)ωxrsin2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)ωyrcos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICynVcy(t)ωUynUyn(t)電容Cxp、Cxn、Cyp和Cyn是xp、xy、yp和yn電極46相對于諧振器電極42的的電容。角頻率ωUxp、ωUxn、ωUyp和ωUyn與相應(yīng)U相關(guān)的角頻率，而且一般等于或小于2ω，其中ω是諧振器的振動(dòng)頻率。符號KI是恒值。驅(qū)動(dòng)電壓和結(jié)果電流之間的相位差互相無關(guān)，而且在上述等式中已予以忽略。
由下式給出電容Cxp＝Co(1-x)/(1-x2)Cxn＝Co(1+x)/(1-x2) (4)Cyp＝Co(1-y)/(1-y2)Cyn＝Co(1+y)/(1-y2)量Co是當(dāng)不激勵(lì)諧振器時(shí)電極對的電容，而x、y、-x和-y是當(dāng)沒有激勵(lì)諧振器時(shí)諧振器電極42在分別由諧振器電極42和電極46之間的空隙分開的xp、yp、xn和yn電極位置上的彎曲幅度。
在電流等式中代入電容，我們得到Ixp(t)=KICoGxp(x)1+x[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)]]>-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICxpVcx(t)ωUxpUxp(t)(5)Ixn(t)=-KICoGxn(x)1-x[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)]]>-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICxnVcx(t)ωUxnUxn(t)Iyp(t)=KICoGyp(y)1+y[Vmxr(t)ωxrsin2θrcos(ωxrt+ψxr)]]>+Vmyr(t)ωyrcos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICypVcy(t)ωUypUyp(t)Iyn(t)=-KICoGyn(y)1-y[Vmxr(t)ωxrsin2θrcos(ωxrt+ψxr)]]>+Vmyr(t)ωyrcos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICynVcy(t)ωUynUyn(t)如果電流是x和y的線性函數(shù)，那么確定駐波參數(shù)的過程很簡單。通過如下限定G函數(shù)，可以獲得這個(gè)結(jié)果Gxp＝x(1+x)Gxn＝x(1-x) (6)Gyp＝y(tǒng)(1+y)Gyn＝y(tǒng)(1-y)較佳的是，僅運(yùn)用兩個(gè)G因子，其中Gx(x)＝Gxp(x)＝Gxn(x)Gy(y)＝Gyp(y)＝Gyn(y)(7)于是，電流總和變成I(t)=KICo(-2x)Gx(x)1-x2[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)]]>-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICxpVcx(t)ωUxpUxp(t)(8)+KICxnVcx(t)ωUxnUxn(t)+KICo(-2y)Gy(y)1-y2[Vmxr(t)ωxrsin2θrcos(ωxrt+ψxr)]]>+Vmyr(t)ωyrcos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICypVcy(t)ωUypUyp(t)+KICynVcy(t)ωUynUyn(t)這里，通過如下限定G函數(shù)，我們可以獲得預(yù)期的線性關(guān)系Gx(x)＝-(1-x2)Gy(y)＝-(1-y2) (9)于是，由下式給定電流I(t)的總和I(t)＝2KICox[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICxpVcx(t)ωUxpUxp(t)+KICxnVcx(t)ωUxnUxn(t)(10)+2KICoy[Vmxr(t)ωxrsin2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)ωyrcos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+KICypVcy(t)ωUypUyp(t)+KICynVcy(t)ωUynUyn(t)用下列方法，可以歸納出上述應(yīng)用于振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的線性化處理。讓我們假設(shè)，一種裝置具有一個(gè)或多個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，它把輸入信號Gi(pm)Eei(t)變換成包括信號Gi(pm)Hi(pm)Eeo(t)對于i求總和的輸出信號。指數(shù)i取從1到I(它指定I個(gè)輸入端)的整數(shù)值。符號pm表示第m個(gè)M個(gè)參數(shù)，其中M個(gè)參數(shù)表示裝置操作的特性和/或裝置在其中操作的環(huán)境的特性。信號Eei(t)是與第i個(gè)輸入端相關(guān)的激勵(lì)信號。信號Eoi(t)是激勵(lì)信號Eei(t)的變換形式，它由Eei(t)從輸入端I橫通過輸出端的路徑得出。函數(shù)Gi(pm)是與第i個(gè)輸入端相關(guān)的權(quán)函數(shù)。函數(shù)Hi(pm)表示輸入信號從第i個(gè)輸入端到輸出端的變換對pm的函數(shù)相依關(guān)系。輸入信號到輸出信號的變換提供了獲取pm的Gi(pm)Hi(pm)量度的方法。
讓我們假設(shè)，由pm的Nim階次冪來表示Gi(pm)Hi(pm)，其中Nim依賴于規(guī)定的表達(dá)精確度。在規(guī)定的表達(dá)精確度范圍內(nèi)，線性化權(quán)函數(shù)Gil(pm)導(dǎo)致成為pm的線性量度的Gil(pm)Hi(pm)。
從下列等式可以得出線性化權(quán)函數(shù)Gil(pm)Gil(pm)=AimpmHi(pm)---(11)]]>其中，Aim是任一常數(shù)。
在上述振動(dòng)旋轉(zhuǎn)諧振器的情況下，假設(shè)xp電極是輸入端，而諧振器電極是輸出端。于是Ecxp(t)＝[Vmxr(t)cos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)sin2θrcos(ωyrt+ψyr)]Eoxp(t)＝[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]Hxp(x)=KICo11+x---(12)]]>Gxpl(x)＝x(1+x)Axp＝KICo如果振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器的輸入端直接向xp電極饋電并通過倒相器進(jìn)而對xn電極饋電，那末Ecxp(t)＝[Vmxr(t)cos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)sin2θrcos(ωyrt+ψyr)]Eoxp(t)＝[Vmxr(t)ωxrcos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)ωyrsin2θrcos(ωyrt+ψyr)]Hxpn(x)=-KICox1-x2---(13)]]>Gxpnl(x)＝(1-x2)Axpn＝-KICo由下式以振動(dòng)模式參數(shù)表示量x和y。
x＝dicos2θcos(ωt+φ)-dqsin2θsin(ωt+φ)]y＝disin2θcos(ωt+φ)+dqcos2θsin(ωt+φ)] (14)量di和dq分別是當(dāng)沒有激勵(lì)諧振器時(shí)，由諧振器電極42和電極46之間的間隔分開的同相和正交模式的最大彎曲幅度，θ是同相駐波的腹點(diǎn)和x軸之間的角度，ω是諧振器的振動(dòng)角頻率，φ是任一相位角。
在振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器中，不能直接獲得量x和y，但可以通過上述等式來確定它們。由于量dq保持接近零，所以x和y也可近似為上述等式的第一項(xiàng)。在全角跟蹤模式下，跟蹤角θr保持在近似等于θ。因此，在上述等式中，可以用θr來代替θ。x和y的這些近似值導(dǎo)致包括作為x和y的線性表示式的輸出信號，其表達(dá)式精確度是可接受的。
進(jìn)一步近似是只運(yùn)用上述等式中的第一項(xiàng)，并把常數(shù)γ代替量cos(ωt+φ)。分析表明，γ的(3/4)1/2值可提供適中的精確度。
用上述等式代替在I(t)等式(10)中的x和y，我們可以獲得I(t)＝2KICoVmxr(t)ωxrcos(ωxrt+ψxr)[dicos(2θ-2θr)cos(ωt+φ)-dqsin(2θ-2θr)sin(ωt+φ)]+KICxpVcx(t)ωUxpUxp(t)+KICxnVcx(t)ωUxnUxn(t)+2KICoVmyr(t)ωyrcos(ωyrt+ψxr)[disin(2θ-2θr)cos(ωt+φ) (15)+dqcos(2θ-2θr)sin(ωt+φ)]+KICypVcy(t)ωUypUyp(t)+KICynVcy(t)ωUynUyn(t)由放大器-信號分離器44把電流I(t)變換成電壓V(t)V(t)＝KV[Vx(t)Rx(t)+Vy(t)Ry(t)]+KF[Fx(t)+Fy(t)] (16)其中，Kv和KF是恒值，Vx(t)＝Vmxr(t)ωxrcos(ωxrt+ψxr)Vy(t)＝Vmyr(t)ωyrcos(ωyrt+ψyr) (17)Rx(t)＝dicos(2θ-2θr)cos(ωt+φ)-dqsin(2θ-2θr)sin(ωt+φ)Ry(t)＝disin(2θ-2θr)cos(ωt+φ)+dqcos(2θ-2θr)sin(ωt+φ)和Fx(t)＝Vcx(t)[ωUxpUxp(t)Cxp+ωUxnUxn(t)Cxn]Fy(t)＝Vcy(t)[ωUypUyp(t)Cyp+ωUynUyn(t)Cyn](18)由于信號Rx(t)和Ry(t)包括駐波參數(shù)di、dq、θ-θr、ω和φ，所以它們是應(yīng)用于V(t)的信號分離處理所得出的所需輸出。
由放大器信號分離器44提取包括信號Rx(t)和Ry(t)的信號Sx(t)和Sy(t)。放大器信號分離器44的信號分離器部分的操作原理依賴于電壓Vmxr(t)、Vmyr(t)、Vcx(t)和Vcy(t)的形式以及ωxr、ωyr、ψxr和ψyr值。
對于頻分多路復(fù)用，Vmxr(t)、Vmyr(t)、Vcx(t)和Vcy(t)都為恒量，ωxr、ωyr和|ωxr-ωyr|大于約6ω，而ψxr和ψyr是任一常數(shù)。通過執(zhí)行V(t)的兩個(gè)乘積解調(diào)，一個(gè)相對于cos(ωxrt+ψxr)，而另一個(gè)相對于cos(ωyrt+ψyr)，可得到包括駐波參數(shù)的信號Rx(t)和Ry(t)。如果運(yùn)用周期函數(shù)而不是正弦函數(shù)，那么解調(diào)運(yùn)用周期函數(shù)的復(fù)制(replica)進(jìn)行。乘積解調(diào)包括把輸入電壓與參考正弦(或復(fù)制)相乘并低通濾去乘積，低通濾波器的截止頻率大約為3ω。上述處理的結(jié)果是信號SFDMx(t)和SFDMy(t)
SFDMx(t)＝KFDMRx(t)SFDMy(t)＝KFDMRy(t) (19)其中，KFDM是恒量。由于Fx(t)和Fy(t)頻譜的上限大約為3ω，所以由信號分離處理除去這些量。
對于相分多路復(fù)用，ωxr和ωyr具有相同的值ωo，ωo大于約6ω。而ψxr-ψyr等于π/2弧度。通過相對于cos(ωot+ψx)和相對于cos(ωot+ψy)(或者相對于所用的周期函數(shù)的復(fù)制)，執(zhí)行V(t)的乘積解調(diào)，獲得信號SPDMx(t)和SPDMy(t)。
SPDMx(t)＝KPDMRx(t)SPDMy(t)＝KPDMRy(t)(20)其中，KPDM是恒值。
對于時(shí)分多路復(fù)用的一種形式，ωxr和ωyr具有相同的值ωo，ωo于約6ω，而ψxr和ψyr等于任一值ψo(hù)。電壓Vmxr(t)和Vmyr(t)與方波成正比，方波的取值為0和1，在任何給定時(shí)刻只有其中之一等于1，而“1”的持續(xù)時(shí)間是2π/ω的整數(shù)倍。電壓Vcx(t)和Vcy(t)等于恒值。通過在與Vmxr(t)和Vmyr(t)平行相乘之后，相對于cos(ωot+ψo(hù))(或者復(fù)制)執(zhí)行V(t)的乘積解調(diào)，獲得信號STDMx(t)和STDMy(t)STDMx(t)＝KTDMVmxr(t)Rx(t)STDMy(t)＝KTDMVmyr(t)Ry(t)(21)其中KTDM是恒值。應(yīng)注意，只有當(dāng)Vmxr(t)和Vmyr(t)非零時(shí)，才可獲得Rx(t)和Ry(t)。
如果Vmxr(t)、Vmyr(t)、Vcx(t)和Vcy(t)與方波成正比，方波的取值為0和1，在任何給定時(shí)刻只有其中之一等于1，而“1”的持續(xù)時(shí)間是2π/ω的整數(shù)倍，那么獲得相同的結(jié)果(可能除了恒值KTDM之外)。這種操作模式可能是理想的，因?yàn)樗鸭恿﹄妷篤cx(t)Uxp(t)、Vcx(t)Uxn(t)、Vcy(t)Uyp(t)和Vcy(t)Uyn(t)相互完全隔開，而且與激磁電壓Vmxr(t)cos(ωot+ψo(hù))和Vmyr(t)cos(ωot+ψo(hù))完全隔開。
對于另一種時(shí)分復(fù)用形式，ωo等于0，而Vmxr(t)、Vmyr(t)、Vcx(t)和Vcy(t)與方波成正比，方波的取值為0和1，在任何給定時(shí)刻只有其中之一等于1，而“1”的持續(xù)時(shí)間是2π/ω的整數(shù)倍。在并行操作中把V(t)與Vmxr(t)和Vmyr(t)相乘得出與時(shí)分多路復(fù)用的第一種形狀相同的結(jié)果。
對于碼分多路復(fù)用，ωxr、ωyr、ψxr和ψyr等于0，Vcx(t)和Vcy(t)是恒值，而且Vmxr(t)和Vmyr(t)與方波成正比，方波取-1/T和1/T的偽隨機(jī)序列值，而且滿足下列條件∫TViVjdt={0;i≠j1;i=j---(22)]]>其中，下標(biāo)i和j表示下標(biāo)mxr、myr、cx和cy中的任一個(gè)。積分時(shí)間間隔應(yīng)小于2π/3ω。通過分別把V(t)與Vmxr(t)和Vmyr(t)相乘然后在T內(nèi)積分，獲得信號SCDMx(t)和SCDMy(t)SCDMx(nT)＝KCDMRx(nT)SCDMy(nT)＝KCDMRy(nT) (23)其中，KTDM是恒值，而n是整數(shù)。應(yīng)注意，信號SCDMx(t)和SCDMy(t)提供駐波參數(shù)在T間隔的信息。
電壓Ux(t)和Uy(t)一般包括三個(gè)分量Uxp(t)＝Uaxp(t)+Uqxp(t)+Urxp(t)Uxn(t)＝Uaxn(t)+Uqxn(t)+Urxn(t) (24)Uyp(t)＝Uayp(t)+Uqyp(t)+Uryp(t)Uyn(t)＝Uayn(t)+Uqyn(t)+Uryn(t)其中，下標(biāo)a、q和r表示幅度、正交和速率控制電壓。在所有應(yīng)用中，不必這些分量互相隔開。然而，如果需要隔開，那么可在上述等式中進(jìn)行下列替代。
Vcax(t)Uaxp(t)+Vcqx(t)Uqxp(t)+Vcrx(t)Urxp(t)代替Vcx(t)Uxp(t)Vcax(t)Uaxn(t)+Vcqx(t)Uqxn(t)+Vcrx(t)Urxn(t)代替Vcx(t)Uxn(t)Vcay(t)Uayp(t)+Vcqy(t)Uqyp(t)+Vcry(t)Uryp(t)代替Vcy(t)Uyp(t)(25)Vcay(t)Uayn(t)+Vcqy(t)Uqyn(t)+Vcry(t)Uryn(t)代替Vcy(t)Uyn(t)利用這些替代，對Vcx(t)和Vcy(t)規(guī)定的任何限制也可施于Vcax(t)、Vcqx(t)、Vcrx(t)、Vcay(t)、Vcqy(t)和Vcry(t)。例如，等式(1)變成Vxp(t)＝Gxp(x)[Vmxr(t)cos2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)sin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcax(t)Uaxp(t)+Vcqx(t)Uqxp(t)+Vcrx(t)Urxp(t)Vxn(t)＝-Gxn(x)[Vmxr(t)cos2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)sin2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcax(t)Uaxn(t)+Vcqx(t)Uqxn(t)+Vcrx(t)Urxn(t)Vyp(t)＝Gyp(y)[Vmxr(t)sin2θrcos(ωxrt+ψxr)+Vmyr(t)cos2θrcos(ωyrt+ψyr)] (26)+Vcay(t)Uayp(t)+Vcqy(t)Uqyp(t)+Vcry(t)Uryp(t)Vyn(t)＝-Gyn(y)[Vmxr(t)sin2θrcos(ωxrt+ψxr)-Vmyr(t)cos2θrcos(ωyrt+ψyr)]+Vcay(t)Uayn(t)+Vcqy(t)Uqyn(t)+Vcry(t)Uryn(t)一個(gè)可行的時(shí)分多路復(fù)用結(jié)構(gòu)是與諧振器的彎曲速率同步的持續(xù)時(shí)間32π/ω的16時(shí)隙幀(sixteen-slot frame)。復(fù)用控制電壓如圖3所示。當(dāng)θr等于θ時(shí)，xr軸與腹點(diǎn)軸一致，而yr軸與節(jié)點(diǎn)軸一致。分配8個(gè)時(shí)隙讀出yr信號分量，4個(gè)時(shí)隙讀出xr信號分量，而各一個(gè)時(shí)隙把幅度、正交和速率力施于諧振器。對于4kHz的振動(dòng)頻率，應(yīng)分別在2kHz和1kHz的速率下讀出xr和yr信號分量。應(yīng)在0.25kHz的速率下施加控制電壓。
總之，來自放大器-信號分離器44的信號Sx(t)和Sy(t)具有以下形式Sx(t)＝KVxRx(t)Sy(t)＝KVyRy(t) (27)其中，Kvx和Kvy等于Kv，除了在Kvx等于KvVmx(t)和Kvy等于KvVmy(t)時(shí)進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用的情況。
為了從信號Sx(t)和Sy(t)中提取駐波參數(shù)，要求穩(wěn)定和精確地復(fù)制諧振器振動(dòng)信號cos(ωt+φ)。在復(fù)制發(fā)生器52中，從壓控振蕩器獲得復(fù)制，其中壓控振蕩器是鎖相到同相駐波腹點(diǎn)信號。處理的第一步是首先把Sx(t)和Sy(t)與復(fù)制信號cos(ωrt+φr)相乘并低通濾去所得結(jié)果，然后與相移復(fù)制sin(ωrt+φr)相乘并低通濾去所得結(jié)果。處理的結(jié)果是
Six(t)＝K{dicos(2θ-2θr)cos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]+dqsin(2θ-2θr)sin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}Siy(t)＝K{disin(2θ-2θr)cos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]-dqcos(2θ-2θr)sin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}Sqx(t)＝K{dicos(2θ-2θr)sin[(ωr-ω)t+(φr-φ)](28)-dqsin(2θ-2θr)cos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}Sqy(t)＝K{disin(2θ-2θr)sin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]+dqcos(2θ-2θr)cos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}其中，K是恒值。
接著的步驟是形成Six(t)、Siy(t)Sqx(t)和Sqy(t)乘積的下列組合E=Six2+Sqx2+Siy2+Sqy2=K2(di2+dq2)]]>Q＝2(SixSqy-SiySqx)＝K2(2didq)R=Six2+Sqx2-Siy2-Sqy2=K2(di2-dq2)cos(4θ-4θr)---(29)]]>S=2(SixSiy+SqxSqy)=K2(di2-dq2)sin(4θ-4θr)]]>Li=2(SixSqx+SiySqy)=K2(di2-dq2)sin[2(ωr-ω)t+2(φr-φ)]]]>把Li(t)作為誤差信號，鎖相環(huán)用等于φ的復(fù)制相位φr和等于ω的ωr鎖定。
從下列等式和Six(t)及Siy(t)的符號可以確定駐波取向角和跟蹤角之差θ-θrtan(4θ-4θr)=S(t)R(t)---(30)]]>在控制環(huán)中，把量S(t)用作誤差信號，控制環(huán)生成θr并使得平均θ等于θr，d/dt(θ-θr)等于0。用數(shù)字合成的跟蹤角θr用于生成施于復(fù)用器48的sin2θr和cos2θr。φr等于φ，ωr等于ω，φr等于θ，從等式28中的第一和第四項(xiàng)確定量di和dq。
在任何給定時(shí)刻，由下式給出θ的實(shí)際值θ=θr+14tan-1S(t)R(t)≈θr+14S(t)R(t)---(31)]]>在幅度控制環(huán)中，把E(t)和特定數(shù)之差用作誤差信號，控制環(huán)在經(jīng)組合的同相和正交駐波中使與di2+dq2成正比的總能量等于特定數(shù)。
在正交控制環(huán)中把量Q(t)用作誤差信號，它導(dǎo)致正交駐波幅度dq等于零。當(dāng)閉合該環(huán)時(shí)，幅度控制環(huán)使同相幅度di保持在特定值。
上述控制變量的使用可以證明是最佳的。對于熟悉該技術(shù)的人員而言，控制變量的許多選顯然是次優(yōu)的但仍然實(shí)用。
控制單元50的輸出是施于復(fù)用器48的函數(shù)Uxp(t)、Uxn(t)、Uyp(t)和Uyn(t)，以及di、dq、sin(ωrt+φr)、cos(ωrt+φr)和sin2θr和cos2θr。
在美國專利4,951,508號(由小Loper等人在1990年8月28日申請，列入于此，以作參考)中進(jìn)一步描述振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器。
權(quán)利要求
1.一種用于獲得具有一個(gè)或多個(gè)輸入端i和一個(gè)輸出端的裝置的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)pm的線性量度方法，其中m取從1到M的整數(shù)值，M是等于或大于1的整數(shù)，i取從1到I的整數(shù)值，I是等于或大于1的整數(shù)，所述裝置把饋送到一個(gè)或多個(gè)輸入端的一個(gè)或多個(gè)輸入信號Gi(pm)Eei(t)變換成在所述輸出端的包括Gi(pm)Hi(pm)Eoi(t)對i求總和的輸出信號，其中Gi(pm)是與所述第i個(gè)輸入端相關(guān)的權(quán)函數(shù)，Eei(t)是與所述第i個(gè)輸入端相關(guān)的激勵(lì)信號，Eoi(t)是Eei(t)從所述輸入端i橫穿到所述輸出端的所述路徑的激勵(lì)信號Eei(t)的變換形式、Eei(t)和Eoi(t)與參數(shù)pm無關(guān)，由pm的階Nim次冪可以表示所述乘積函數(shù)Gi(pm)Hi(pm)，Nim的值依賴于表達(dá)式的特定精確度，其特征在于，所述方法包括下列步驟生成一個(gè)或多個(gè)線性化權(quán)函數(shù)Gil(pm)，其中所述輸出信號是對于表達(dá)式的所述特定精確度的所述參數(shù)pm的線性量度；把所述輸入信號Gil(pm)Eei(t)饋送到所述裝置中；把所述輸出信號的分量用作所述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)Pm中每個(gè)參數(shù)的線性量度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Gil(pm)Hi(pm)等于Aimpm，其中Aim是任一恒值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述裝置是振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器，它包括帶有附屬諧振器電極的諧振器以及帶有多個(gè)附屬外殼電極的外殼，每個(gè)所述外殼電極是輸入端而所述諧振器電極是所述輸出端，與特定端i相關(guān)的線性化權(quán)函數(shù)是Gii(zi)，當(dāng)所述諧振器不振動(dòng)時(shí)，所述量(1+zi)是以相同電極之間的所述距離為單位的所述諧振器電極和所述第i個(gè)外殼電極之間的所述距離。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，與特定端i相關(guān)的所述線性化權(quán)函數(shù)Gil(zi)與zi(1+zi)成正比。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，與特定端i相關(guān)的所述線性化權(quán)函數(shù)Gil(zi)與(1-zi)(1+zi)成正比。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，根據(jù)分別以與zi同單位表示的所述同相和正交振動(dòng)模式的所述最大彎曲幅度di與dq、同相駐波的所述腹點(diǎn)軸相對于所述zi電極位置的所述角θ、所述諧振器的所述振動(dòng)角頻率ω和與所述諧振器的所述振動(dòng)相關(guān)的所述相位角φ計(jì)算zi，并由所述振動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳感器提供的di、dq、θ、ω和φ的估算值。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在計(jì)算zi的過程中，把所述最大正交彎曲幅度值dq設(shè)為零。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在計(jì)算zi的過程中，cos(ωt+φ)近似于恒值γ。
全文摘要
一種用于獲得具有一個(gè)或多個(gè)輸入端i和輸出端的裝置的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)p
文檔編號G01C19/56GK1201902SQ98109500
公開日1998年12月16日 申請日期1998年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月29日
發(fā)明者A·馬修斯, D·D·凌奇 申請人:利頓系統(tǒng)有限公司