[发明专利]惯性传感器的信号处理系统

说明书

本发明通常涉及导航或其它应用中旋转传感器系统的信号处理技术。特别涉及包含测量旋转的Coriolis加速度传感器的旋转传感器系统中的信号处理技术。

通过将捕捉式线性加速度计安装在振动框架上并测量框架相对惯性空间的角速度产生的Coriolis加速度可以获得角速度。通常情况下，为了精确测量角速度，这种加速度计的频率响应必须准确地限定在抖动框架的振动频率上。标度因子直接与加速度计闭环增益相关。如果在解调Coriolis信号时不通过对基准相位的精密控制去除与加速度计耦合的振动驱动运动的测量，则可能产生较大的误差。

消除这种因加速度计输出的增益和相位不确定性产生的较大误差的一种技术是采用精密交流扭矩反馈以精确地抵消速度引起的Coriolis力，从而保证抖动频率的校正质量为零。

在有些反馈控制系统中，被测量的参数改变了正弦载波信号的振幅。在这种系统中，载波信号频率一般远远高于被测量参数所需的带宽。这样的振幅调制信号可以由测量压力、加速度、速度、角速度等的传感器产生。对于有些这样的传感器，参数的精确测量取决于对维持闭环结构平衡所需的反馈信号的测定。

对调制信号测量精度要求较高的应用是测量因角速度输入产生的Coriolis加速度的振动角速度传感器系统。送至这种传感器的恒速输入产生振幅受到装置驱动振荡频率调制的输出信号。所生成的Coriolis加速度正比于输入速度并且与驱动振荡振幅的相位差为90°。因此当振动速度最大时，加速度最大，此时相对振动的最大振幅相位差为90°。在大多数情况下，速度传感器是内置的加速度检测器或者安装在振动体上的小型加速度计。检测器的校正质量响应于速度产生的Coriolis加速度。

如果加速度传感器工作在开环结构中，则在输出信号的增益与相位准确限定时，其频率响应必须远远高于驱动频率。增益绝对值对于标度因子来说是重要的，并且为了去除任何“正交”信号(它是速度测量的主要误差源)，相对驱动基准振荡的信号相位也是重要的。如果采用典型的捕捉型环路技术，则在闭环加速度检测中也会有相同的增益和相位困难。

本发明提供一种具有校正质量的加速度传感器系统，通过在驱动频率下去除所有的反馈扭矩使得在该频率下加速度计伺服环路内没有反馈。由于没有反馈扭矩响应于加速度而改变校正质量，所以相对于运动的校正质量是速度的直接量度。在这种情况下，校正质量基本上在开环模式中有响应，此时运动振幅与相位准确地相对于抖动驱动而限定。按照本发明的加速度传感器系统特别适于检测Coriolis加速度。

本发明提供一种技术，它克服了已有的用于振幅调制伺服系统的反馈调制技术的困难。按照本发明的反馈调制系统捕捉Coriolis传感器，从而使得传感器产生的信号的相位与增益在维持较好的标度因子方面是无关的。按照本发明的装置包括连接在伺服补偿器输出与求和器之间的反馈环路。反馈环路包括扭矩二次调制器。传感器、解调器、伺服补偿器和带扭矩二次调制器的反馈环路协同工作以产生独立于传感动力学、解调器和伺服补偿的增益和相位的测量输出。

按照本发明的装置用来处理来自Coriolis力传感器的信号输出以测量角速度，它包括与传感器相连的解调器以接收指示角速度输出的信号以及相连的伺服补偿器以接收解调器输出的信号。伺服补偿器产生指示角速度测量值的速度输出信号φ(s)。包括扭矩二次调制器的反馈环路连接在伺服补偿器与传感器之间。扭矩二次调制器将二次调制的角速度信号施加在传感器上，使得解调器、伺服补偿器和反馈环路协同工作以产生独立于传感器、解调器和伺服补偿器的增益和相位的测量输出。

按照本发明的装置用来处理来自传感器的信号输出以测量角速度，它还包括：抖动装置，用来以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动传感器；以及与传感器相连的解调器，用来以正比于cos(ω_Dt)的信号解调输出的信号从而生成速度输出信号(s)。反馈环路连接在传感器输出与抖动装置之间。反馈环路包括相连的伺服补偿器以接收传感器的输出信号以及连接在伺服补偿器与抖动装置之间的陷波滤波器。陷波滤波器排列成去除抖动频率ω_D的信号，使反馈环路不携带使传感器在抖动频率处产生反馈扭矩的信号。