[发明专利]用于振荡旋转传感器的低量化级方法和设备

说明书

本申请是1997年7月31日提出的题为“用于振荡旋转传感器的低量化方法和设备”。临时申请号为60/054,361的申请的继续申请。

本发明涉及一种振荡旋转传感器，其中振荡部件是薄壁的轴对称半球形壳，尤其涉及用于这种传感器的控制电子设备。

附图1描绘了一种现有技术的振荡旋转传感器10，带有一个外部部件12，一个半球形共振腔14，和一个内部部件16，所有这些部件均以熔凝石英制成，并通过铟结合在一起。这种类型的振荡旋转传感器通常被称为半球形共振陀螺仪(HRG)，其振荡部件14是一个薄壁的轴对称半球性壳。

该半球形共振陀螺仪(HRG)中的惯性敏感部件是该半球形共振腔14，通常为一个薄壁的5.8CM直径的钟形物体，放置于外部部件12和内部部件16之间，并在该内外件之间由杆26支撑。

该薄壁轴对称半球形壳14以一种呈驻波形的较低挠曲方式振荡。附图2和附图3在其振荡形变的两个末端26和28中显示了存在于该壳式共振腔14的边缘周围的驻波。

该椭圆形驻波包含4个波腹和4个波节。波腹和波节彼此间隔45度，该驻波的旋转敏感性产生于这样的事实：即经受振荡振荡的该壳的每一质量成份都好比一个傅科摆。当壳绕轴旋转时，极力保持固定在惯性空间中的、其线动量的方向。所产生的科里奥利力，壳的振荡运动的产物和该惯性输入率使得该驻波向该壳旋进。驻波旋进角与该惯性输入旋转角的比率被称为陀螺仪的角增益。

在运行中，需要力来控制该壳式共振腔14上的驻波，这些力实际上就是准静电。在附图1所示的半球形共振陀螺仪(HRG)的情况下，有一批电极22镀在该外壳12的内表面20上，该外壳与该半球形壳式共振腔14同心。将壳式共振腔14的外表面金属化，使得当装配该装置时，在外壳12中的电极连同其面对的共振腔的表面构成一组强迫性静电电容。对这些电极的适当结合部施加电压，以控制该静电波的波幅，并抑制不需要的正交效应。

HRG10绕正交于该壳式共振腔14的边缘34的平面的轴旋转，使得该驻波以与该HRG10的旋转角度成比例的一个角度，朝与该HRG相反的方向旋转。因此，通过测量该驻波与该HRG10的旋转角，即可确定该HRG10的旋转角。

该壳式共振腔14的振荡模式可通过对该共振腔施加直流偏压以及对该强制电极20施加交流电压来激励。该交流电压的频率通常两倍于该半球形壳式共振腔14的共振频率。

从该HRG读出的、含有有关该壳式共振腔14上的驻波的波幅和位置的信息的信号也可以电容方式获得。通过将该壳式共振腔14的内表面30金属化，可构成电容可读电极24，位于一个内部同心壳上的一组电极24将保持在与该内部金属化的壳式共振腔14极为接近的地方。由于壳的振荡形变，每一电极24的电容都被调整为该共振腔挠曲频率。由读取电路测量这些电容值变化，并由此确定该驻波的位置和波幅。

有关振荡旋转传感器的更多细节可以在1990年8月28日授予LOPER.JR的4951508号美国专利中查到，其整个公开内容皆包含在此。

8个电极24(附图2)通常被镀在该传感器组件的表面，这8个电极在附图2和附图3中简略地描绘成30和32，它们以4个一组成二组连接在一起。每4个一组电极30和32测量驻波模在该电极上的波幅。从第1组电极30输出，1号传感轴为：

PO1(1号传感轴)=Acos(2PA)从2组电极32输出，2号传感轴为：

PO2(2号传感轴)=Asin(2PA)模角(PA)由公式

PO2/PO1=Tan(2PA)计算。

有两种操作HRG的方法。重平衡力方法(FTR)和全角方法(WA)。在重平衡力方法中，一个静电力施加到共振腔以锁定模角为0度上下。当模角接近0时，传感轴的输出

PO1=Acos(2PA)=A并且PO2=Asin(2PA)=A(2PA)

由于PO2是小信号，可以对该信号施加较大增益，以提高HRG的分辨率和敏感性。

在全角操作方法中，所施加的惯性率使得模26相对于传感轴34运动，到达一个新的位置36(附图2)。这个差38就是模角PA。从两组电极输出的信号PO1和PO2必须调节到处理较大的信号。根据传感值测量驻波成分，然后取它的波幅比的反正切，则给出模角PA38的一个测量值。

在附图4所示的全角操作轨迹模式中，数字信号处理控制器52控制该交流激励电压50，从而使从共振腔41读出的信号与在驻波波节和波腹处的运动成比例。