專利名稱:具有多路復用電路的振動旋轉傳感器的制作方法
技術領域:
本發明的主題與以下專利申請所披露的發明有關,這些申請包括由Kumar和Foster申請的“具有AC能量和敏感電子裝置的振動旋轉傳感器”,由Matthews、Varty、Li和Lynch等人申請的“具有全角跟蹤的振動旋轉傳感器”以及由Lynch申請的“具有AC能量電壓的振動旋轉傳感器”。
本發明一般涉及振動旋轉傳感器,尤其涉及與該旋轉傳感器有關的電子線路。
如
圖1分解示意圖所示,現有技術的振動旋轉傳感器(VRS)10包括外構件12、半球形共振器14和內構件16,所有部件都由熔化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,它置于外構件12與內構件16之間并由導桿26支承。
環形加壓器電極20和16個分散的加壓器電極22置于外構件的內表面上。在組裝后的VRS 10中,環形加壓器電極20和16個分散的加壓器電極22緊靠半球形共振器14的金屬化外表面32。在組裝的VRS中,置于內構件16上的8個敏感電極24緊靠半球形共振器14的金屬化內表面30。
通過在半球形共振器14與環形加壓器電極20之間合適地加壓,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個節點與波腹偏離45度。0度和180度波腹點的振動相位,與90度和270度波腹點的振動相位相差90度。該駐波引起半球形共振器的邊緣形狀從圓形變為橢圓形(長半軸通過0度/180度波腹),到從圓形變為橢圓形(長半軸通過90度/270度波腹)的變化。
VRS 10繞著與半球形共振器邊緣34的平面相垂直的軸旋轉,使得駐波相對于VRS沿反向旋轉一個角度,與VRS 10的旋轉角度成正比。這樣,通過測量該駐波相對VRS 10的旋轉角度,即可確定VRS 10的旋轉角度。
通過在半球形共振器14上設置直流偏壓,在環形加壓器電極20上設置交流電壓,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,通過測量流進和流出敏感電極24的電流,確定相對VRS 10的駐波圖形角。從組合式I0-I90+I180-I270獲得x軸信號Ix,其中,下標表示相對產生電流的電極的x軸的角度位置。同樣,從組合式I45-I135+I225-I315獲得y軸信號Iy。通過Iy與Ix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致以直角相移振蕩的第二駐波的發展,其波腹與第一駐波的波節一致。通過將合適的電壓加在16個分離的加壓器電極22上,可以制約第二駐波的發展。
直流偏壓一般維持在半球形共振器14上,以減少施加在環形加壓器電極20和分離的加壓器電極22上的交流電壓的幅值,并使施加在共振器上的力成為交流驅動電壓的線性函數。直流偏壓的存在導致VRS電性能的緩慢改變,它歸結為發生在外構件12和內構件16或內部的電荷移動現象所引起的電容變化。隨著時間的過去,這些緩慢變化已導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。
本發明是一種振動旋轉傳感器,它包括共振器和支承該共振器的殼體,以及利用多路復用電路控制和讀出這種傳感器的方法。共振器是一種旋轉對稱的薄壁物體,它可以以多種駐波模式振動。一或多個電極附設在共振器的表面上并相互電連接,且連接到出現共振器信號的單個輸出端口。殼體具有多個附加電極靠近一或多個共振器電極。
控制和讀出振動旋轉傳感器的方法包括產生多個驅動電壓、將驅動電壓加到殼體電極、以及通過操作共振器輸出端口出現的共振器信號確定一或多個駐波參數的步驟。
加到殼體電極的驅動電壓通過殼體電極與共振器電極之間所存在的電容傳導到共振器輸出端口。驅動電壓可以包括激勵電壓或力電壓或兩者。激勵電壓基本上不會影響共振器動力學,但當它到達共振器輸出端口時,會載送與駐波參數有關的信息。力電壓使力加到共振器并由此影響共振器的動力學和駐波參數。
由于通過殼體電極-共振器電極電容傳送到共振器輸出端口,結果,施加到殼體電極的驅動電壓集中為單個共振器信號。為了獲得駐波參數,將激勵電壓和力電壓設計成可通過合適操作共振器信號而分離。
激勵電壓和力電壓可以用各種方式構成。一種頻分多路復用方法導致激勵電壓限于分離的頻帶,力電壓的頻譜限于與同激勵電壓有關的頻帶分離的頻帶。
相位分離多路復用方法致使激勵電壓成為頻率相同但相位相差四分之一周期的周期函數,使力電壓的頻譜限于與激勵電壓頻率分離的頻帶。
一種時分多路復用方法致使激勵電壓與呈現數值0和1的單值方波成正比,每個力電壓包括與呈現數值0和1的方波成正比的乘法因子,其中,僅僅與激勵電壓和力電壓有關的一個方波才在任何給定的時間呈現數值1。
第二時分多路復用方法致使激勵電壓與呈現數值0和1的單值方波以及具有預定頻率和相位的周期函數的積成正比,每個力電壓包括與呈現數值0和1的方波成正比的乘法因子,只有與激勵電壓和力電壓有關的一個方波才在任何給定時間呈現數值1。
碼分多路復用方法致使激勵電壓與按照預定的偽隨機序列呈現數值-1和1的單值方波成正比,力電壓的頻譜限于同與激勵電壓有關的頻帶分離的頻帶。
從共振器信號獲取駐波參數的方法包括,首先從共振器信號中獲取至少兩個分量,然后通過對該兩個分量的運算確定駐波參數。在頻分多路復用的情況下,其中兩個分量占用分開的頻帶,通過運算其分開的頻帶之間有差異的共振器信號獲取每個分量。
在相位分離多路復用的情況下,其中兩個分量為周期性函數,它們具有相同的頻率,相位差為四分之一周期,通過運算其兩個分量的相位之間有差異的共振器信號獲取每個分量。
在時分多路復用的情況下,其中兩個分量在不同的時期呈現在共振器信號中,通過運算不同時期之間有差異的共振器信號獲取每個分量。
在碼分多路復用的情況下,其中兩個分量為偽隨機序列0和1,交叉相關的偽隨機序列為0,通過運算其兩個偽隨機序列之間有差異的共振器信號獲取每個分量。
圖1表示現有技術的振動旋轉傳感器結構。
圖2表示本發明的控制和讀出電路的方框圖。
圖3表示用于本發明特定實施例的多路復用控制信號。
本發明是一種振動旋轉傳感器,用多路復用電壓完成對其的控制和讀出。本發明的振動旋轉傳感器包括共振器、附設共振器的殼體和多路復用電路。共振器可以是具有駐波振動模式的任何旋轉對稱薄壁物體。現有技術通常建議共振器為半球形。
圖2示出了確定駐波參數和控制共振器動力學的簡化方法。駐波是相對圖示x軸和y軸描繪的。假定對于同相駐波,共振器邊緣沿著圖2所示的同相波腹軸與圓周的偏差改變為cos(ωt+φ),其中ω為振動頻率。從x軸順時針測量的同相波腹軸的角坐標或位置角為θ。假定對于直角相移駐波,共振器邊緣沿著直角相移波腹軸(從同相波腹軸順時針移置45度的直角波腹軸)與圓周的偏差的改變為sin(ωt+φ)。
置于共振器內表面上的呈圓周連續的共振器電極42由方波電壓VB偏置,VB由多路復用器48提供。VB的符號周期性反向,以便當工作于力-重新平衡模式時,避免VRS比例因子中大的偏差和離子移動。為了實現該目的,方波頻率應當較佳地至少為幾個赫茲。如果方波頻率等于共振器的振動頻率,可以實現某些設計方便。如果未連續施加力電壓,當無力電壓時,VB的幅值可以為零。
共振器電極42經由隔直電容器43連接到放大-多路分離器44。安裝在VRS殼體的8個電極46繞圓周等距隔開靠近共振器電極42,最上面的xp電極位于x軸的中心。該8個電極46由多路復用器48提供4個驅動電壓Vxp(t),Vxn(t),Vyp(t)和Vyn(t),其中,Vxp(t)=Vmx(t)cos(ωxt+ψx)+Vcx(t)Uxp(t)Vxn(t)=-Vmx(t)cos(ωxt+ψx)+Vcx(t)Uxn(t)Vyp(t)=Vmy(t)cos(ωyt+ψy)+Vcy(t)Uyp(t) (1)Vyn(t)=-Vmy(t)cos(ωyt+ψy)+Vcy(t)Uyn(t)較佳實施例的激勵電壓包括正弦曲線cos(ωxt+ψx)和cos(ωyt+ψy)。有幾種周期函數F(ωxt+ψx),它可以用耒替代包括普通方波的正弦曲線。設計激勵電壓Vmx(t)cos(ωxt+ψx)和Vmy(t)cos(ωyt+ψy)不影響共振器駐波參數。角頻率ωx和ωy以及相位ψx和ψy取決于所用多路復用的類型。力電壓Vcx(t)Uxp(t),Vcx(t)Uxn(t),Vcy(t)Uyp(t)和Vcy(t)Uyn(t)使力施加到共振器,以控制共振器上一或多個駐波的參數。函數Uxp(t),Uxn(t),Uyp(t)和Uyn(t)由控制單元50產生并送到多路復用器48。電壓Vcx(t)和Vcy(t)是用以將力電壓與激勵電壓隔離的預定函數,其符號與VB符號的反向同步地反向。例如由Vcx(t)Uxp(t)施加在共振器上的力與[VB-Vcx(t)Uxp(t)]2成正比。由于VB和Vcx(t)符號同步反向,故符號反向不會影響施加在共振器上的力。
下面給出從共振器電極42流向放大-多路分離器44的電流I(t)I(t)=Ixp(t)+Ixn(t)+Iyp(t)+Iyn(t) (2)其中Ixp(t)=KIVmx(t)ωxcos(ωxt+ψx)Cxp+KIVcx(t)ωUxpUxp(t)CxpIxn(t)=-KIVmx(t)ωxcos(ωxt+ψx)Cxn+KIVcx(t)ωUxnUxn(t)CxnIyp(t)=KIVmy(t)ωycos(ωyt+ψy)Cyp+KIVcy(t)ωUypUyp(t)Cyp(3)Iyn(t)=-KIVmy(t)ωycos(ωyt+ψy)Cyn+KIVcy(t)ωUynUyn(t)Cyn電容Cxp,Cxn,Cyp和Cyn是xp,xn,yp和yn電極46相對共振器電極42的電容。角頻率ωUxp,ωUxn,ωUyp,和ωUyn是與相應的U有關的角頻率,通常等于或小于2ω,其中ω為共振器振動頻率。符號K1表示常數。驅動電壓與所產生的電流之間的相位差似乎無關,故在上述等式中已經忽略。其電容由下式給出Cxp=Co[1+dicos2θcos(ωt+φ)-dqsin2θsin(ωt+φ)]Cxn=Co[1-dicos2θcos(ωt+φ)+dqsin2θsin(ωt+φ)]Cyp=Co[1+disin2θcos(ωt+φ)+dqcos2θsin(ωt+φ)](4)Cyn=Co[1-disin2θcos(ωt+φ)-dqcos2θsin(ωt+φ)]其中,Co是共振器未激勵時電極對的電容,di和dq分別是共振器未激勵時,有關cos(ωt+φ)除以共振器電極42與電極46之間的間隙的同相和直角相移模式的最大伸縮幅度,θ是同相駐波的波腹與x軸之間的角度,ω是共振器振動的角頻率,φ是任意相位角。等式中已忽略了di和dq中的高次項。
在電流等式中替代電容表示式并獲得I,得到I(t)=KIVmx(t)ωxcos(ωxt+ψx)Co[2dicos2θcos(ωt+φ)-2dqsin2θsin(ωt+φ)]+KIVcx(t)ωUxpUxp(t)Cxp+KIVcx(t)ωUxnUxn(t)Cxn
+KIVmy(t)ωycos(ωyt+ψy)Co[2disin2θcos(ωt+φ)-2dqcos2θsin(ωt+φ)]+KIVcy(t)ωUypUyp(t)Cyp+KIVcy(t)ωUynUyn(t)Cyn(5)通過放大-多路分離器44將電流I(t)變換為電壓V(t)V(t)=KV[Vx(t)Rx(t)+Vy(t)Ry(t)]+KF[Fx(t)+Fy(t)] (6)其中,kv和kF為常數,Vx(t)=Vmx(t)ωxcos(ωxt+ψx)Vy(t)=Vmy(t)ωycos(ωyt+ψy)Rx(t)=dicos2θcos(ωt+φ)-dqsin2θsin(ωt+φ)Ry(t)=disin2θcos(ωt+φ)+dqcos2θsin(ωt+φ)(7)和Fx(t)=Vcx(t)[ωUxpUxp(t)Cxp+ωUxnUxn(t)Cxn]Fy(t)=Vcy(t)[ωUypUyp(t)Cyp+ωUynUyn(t)Cyn] (8)信號Rx(t)和Ry(t)是施加到V(t)分離運算所組成的多路分離過程的所需輸出,因為它們含有駐波參數di,dq,θ,ω和φ。
通過對Sx(t)運算Ox,對Sy(t)運算Oy,由放大-多路分離器44獲得含有信號Rx(t)和Ry(t)的信號Sx(t)和Sy(t)。放大-多路分離器44的多路分離器部分的工作原理取決于電壓Vmx(t),Vmy(t),Vcx(t)和Vcy(t)的形式以及ωx,ωy,ψx和ψy的值。
至于頻分多路復用,Vmx(t),Vmy(t),Vcx(t)和Vcy(t)均等于常數,ωx,ωy和|ωx-ωy|大于6ω,ψx和ψy為任意常數。通過對V(t)的兩個乘積解調,一個相對cos(ωxt+ψx),另一個相對cos(ωyt+ψy),獲得含有駐波參數的信號Rx(t)和Ry(t)。如果采用不同于正弦曲線的周期函數,則解調采用周期函數的復制品。乘積解調包括將輸入電壓乘以參考正弦曲線,并對乘積進行低通濾波,低通濾波器的截止頻率約為3ω。上述處理的結果為信號SFDMx(t)和SFDMy(t)
SFDMx(t)=KFDMRx(t)SFDMy(t)=KFDMRy(t)(9)其中,KFDM為常數。由于Fx(t)和Fy(t)的頻譜上限約為3ω,這些量通過多路分離過程而消除。
至于相位分離多路復用,ωx和ωy具有相同的值ωo,ωo大于約6ω,ψx-ψy等于π/2弧度。通過相對cos(ωot+ψx)及相對cos(ωot+ψy)(或相對所用周期函數的復制品)對V(t)進行乘積解調獲得信號SPDMx(t)和SPDMy(t)SPDMx(t)=KPDMRx(t)SPDMy(t)=KPDMRy(t)(10)其中,kPDM為常數。
作為時分多路復用的一種形式,ωx和ωy具有相同的值ωo(ωo大于約6ω),ψx和ψy等于任意數ψo。電壓Vmx(t)和Vmy(t)與取數值0和1的方波成正比,只有其中之一在任何給出時間等于1,數值“1”的持續時間等于2π/ω的整數倍。電壓Vcx(t)和Vcy(t)都等于一個常數。通過相對cos(ωot+ψo)繼之以與Vmx(t)和Vmy(t)的平行乘法對V(t)進行乘積解調,獲得信號STDMx(t)和STDMy(t)STDMx(t)=KTDMVmx(t)Rx(t)STDMy(t)=KTDMVmy(t)Ry(t) (11)其中KTDM是常數。注意,Rx(t)和Ry(t)僅當Vmx(t)和Vmy(t)為非零時才有效。
如果Vmx(t),Vmy(t),Vcx(t)和Vcy(t)與呈現0值和1值的方波成正比,可獲得同樣結果(或許除了常數值KTDM以外),只有其中一個任何給定時候都等于1,數值“1”的持續時間等于整數倍2π/ω。這種工作模式是理想的,它完全將力電壓Vcx(t)Uxp(t),Vcx(t)Uxn(t),Vcy(t)Uyp(t),和Vcy(t)Uym(t)相互隔離,并與激勵電壓Vmx(t)cos(ωot+ψo)和Vmy(t)cosωot+ψo)相隔開。
至于另一種形式的時分多路復用,ωo等于0,Vmx(t),Vmy(t),Vcx(t)和Vcy(t)與呈現0值和1值的方波成正比,只有其中一個任何給定時候都等于1,數值“1”的持續時間等于整數倍2π/ω。在平行運行中,V(t)乘以Vmx(t)和乘以Vmy(t)給出了與第一種形式的時分多路復用相同的結果。
至于碼分多路復用,ωx,ωy,ψx和ψy全等于0,Vcx(t)和Vcy(t)為常數,Vmx(t)和Vmy(t)與偽隨機序列值為-1/T和1/T的方波成正比,并滿足以下條件∫TViVjdt={0;i≠j1;i=j---(12)]]>其中,下標i和j代表任何下標mx,my,cx和cy。總的時間間隔T應小于2π/3ω。通過分別將V(t)乘以Vmx(t)和Vmy(t)獲得信號SCDMx(t)和SCDMy(t),然后對T求積SCDMx(nT)=KCDMRx(nT)SCDMy(nT)=KCDMRy(nT) (13)其中,KTCM為常數,n為整數。注意,在時間間隔T,信號SCDMx(t)和SCDMy(t)提供了與駐波參數有關的信息。
電壓Ux(t)和Uy(t)一般包括3個分量Uxp(t)=Uaxp(t)+Uqxp(t)+Urxp(t)Uxn(t)=Uaxn(t)+Uqxn(t)+Urxn(t)Uyp(t)=Uayp(t)+Uqyp(t)+Uryp(t)(14)Uyn(t)=Uayn(t)+Uqyn(t)+Uryn(t)其中,下標a,q和r確定幅值、90度相差和頻率的控制電壓。在所有應用中無需將這些分量相互隔離。然而,如果需要隔離,以下的替換可用于前面的等式。
Vcax(t)Uaxp+Vcqx(t)Uqxp(t)+Vcrx(t)Urxp(t)替換Vcx(t)Uxp(t)Vcax(t)Uaxp+Vcqx(t)Uqxn(t)+Vcrx(t)Urxn(t)替換Vcx(t)Uxn(t)
Vcay(t)Uayp+Vcqy(t)Uqyp(t)+Vcry(t)Uryp(t)替換Vcy(t)Uyp(t)(15)Vcay(t)Uayn+Vcqy(t)Uqyn(t)+Vcry(t)Uryn(t)替換Vcy(t)Uyn(t)采用這些替換,加在Vcx(t)和Vcy(t)上的各種限制也適用于Vcax(t),Vcqx(t),Vcrx(t),Vcay(t),Vcqy(t)和Vcry(t)。例如,等式(1)變成Vxp(t)=Vmx(t)cos(ωxt+ψx)+(Vcax(t)Uaxp(t)+Vcqx(t)Uqxp(t)+Vcrx(t)Urxp(t)Vxn(t)=-Vmx(t)cos(ωxt+ψx)+(Vcax(t)Uaxn(t)+Vcqx(t)Uqxn(t)+Vcrx(t)Urxn(t)Vyp(t)=Vmy(t)cos(ωyt+ψy)+(Vcay(t)Uayp(t)+Vcqy(t)Uqyp(t)+Vcry(t)Uryp(t)(16)Vyn(t)=-Vmy(t)cos(ωyt+ψy)+(Vcay(t)Uayn(t)+Vcqy(t)Uqyn(t)+Vcry(t)Uryn(t)一種可能的時分多路復用結構是與共振器的彎曲率同步的32π/ω持續時間的16時隙結構。多路復用器控制電壓如圖3所示。在力-重新平衡(FTR)模式的振動旋轉傳感器操作中,x軸為波腹軸,y軸為波節軸。在FTR模式中,分配8個時隙讀取y信號分量,4個時隙讀取x信號分量,各有1個時隙將幅值、90度相差和頻率的力加到共振器。至于4千赫振動頻率,x和y信號分量的讀出將分別適用于2千赫和1千赫。控制電壓將以0.25千赫的速率施加。
在全角(WA)模式的操作中,頻率的力不加到共振器,分配給頻率的力的時隙不采用。
通常,離開放大-多路分離器44的信號Sx(t)和Sy(t)的形式為Sx(t)=KVxRx(t)Sy(t)=KVyRy(t)(17)其中,除了時分多路復用當KVx等于KVVmx(t)和KVy等于KVVmy(t)的情況以外,KVx和KVy的每一個等于Kv。
為了從信號Sx(t)和Sy(t)取出駐波參數,需要一個穩定和精確復制的共振器振動信號cos(ωt+φ)。該復制是從復制發生器52中的壓控振蕩器獲得的,其中壓控振蕩器為鎖相到同相駐波波腹信號。該過程的第一步是將Sx(t)和Sy(t)乘以復制信號cos(ωrt+φr),并對該結果低通濾波,然后將其乘以相移復制sin(ωrt+φr)并對該結果低通濾波。該過程的結果為K{dicos2θcos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]Six(t)=+dqsin2θsin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}K{disin2θcos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]Siy(t)=-dqcos2θsin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}K{dicos2θsin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]Sqx(t)=(18)-dqsin2θcos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}K{disin2θsin[(ωr-ω)t+(φr-φ)]Sqy(t)=+dqcos2θcos[(ωr-ω)t+(φr-φ)]}其中,K為常數。
下一步是形成Six(t),Siy(t),Sqx(t)和Sqy(t)之積的組合E=Six2+Sqx2+Siy2+Sqy2=K2(di2+dq2)]]>Q=2(SixSqy-SiySqx)=K2(2didq)R=Six2+Sqx2-Siy2-Sqy2=K2(di2-dq2)cos4θ---(19)]]>S=2(SixSiy+Sqx)SQy)=k2(di2-dq2)sin4θ]]>Li=2(SixSqx+SiySqy)=K2(di2-dq2)sin[2(ωr-ω)t+2(φr-φ)]]]>用Li(t)作為誤差信號,用復制相位φr等于φ和ωr等于ω鎖住鎖相環。
從下式和R(t)及S(t)的符號可以確定駐波方位角tan4θ=S(t)R(t)---(20)]]>量S(t)可以用作控制環中的誤差信號,它在力-重新平衡操作模式中使θ為零。
E(t)與指定數之差用作幅值控制環內的誤差信號,它在組合的同相和90度相差駐波中產生總能量,其與di2+dq2成正比,等于指定數。
量Q(t)用作90度相差控制環中的誤差信號,它使90度相差駐波幅值dq為零。當該環閉合時,幅值控制環將同相幅值di維持在指定值。
可見采用上述控制變量是最佳的。本領域的熟練人員將發現有許多可供選擇的控制變量是次優但仍是實用的。
控制單元50的輸出是函數Uxp(t),Uxn(t),Uyp(t)和Uyn(t),它們被提供給多路復用器48。
與振動旋轉傳感器有關的其它詳細內容見Loper等人1990年8月28日申請的第4951508號美國專利,它在此作為參考資料。
權利要求
1.一種振動旋轉傳感器,其特征在于包括共振器,該共振器是一種旋轉對稱的薄壁物體,它能按多種駐波模式的至少一種模式振動,一或多個電極附設到共振器的表面,該一或多個電極電連接到單一輸出端口;敏感電路,其輸入端口連接到共振器的輸出端口,該敏感電路取決于在該共振器的輸出端口應用的共振器信號,當共振器振動時至少有一個駐波參數存在。
2.如權利要求1所述的振動旋轉傳感器,其特征在于信號總和Vx(t)Rx(t)+Vy(t)Ry(t)位于共振器信號內出現的信號中間,Vx(t)和Vy(t)為時間t的預定函數,Rx(t)和Ry(t)為時間和至少一個駐波參數的函數,敏感電路分別對共振器信號執行Ox和Oy運算,以分別獲得Rx(t)和Ry(t)。
3.如權利要求2所述的振動旋轉傳感器,其特征在于所述Ox包括將共振器信號乘以復制的角頻率ωx和相位ψx的周期函數,繼之以低通濾波,所述Qy包括將共振器信號乘以復制的角頻率ωy和相位ψy的周期函數,繼之以低通濾波,所述ωx,ωy,ψx和ψy的值是預定的。
4.如權利要求2所述的振動旋轉傳感器,其特征在于所述Ox包括將共振器信號乘以復制的角頻率ωo和相位ψo的周期函數,繼之以低通濾波,所述Qy包括將共振器信號乘以復制的角頻率ωo和相位(ψo+π/2)的周期函數,繼之以低通濾波,所述ωo和ψo的值是預定的。
5.如權利要求2所述的振動旋轉傳感器,其特征在于所述Ox包括將共振器信號乘以Vmx(t),所述Oy包括將共振器信號乘以Vmy(t),其中,Vmx(t)和Vmy(t)與取值0和1的預定時間方波函數成正比,該方波函數不同時等于1。
6.如權利要求2所述的振動旋轉傳感器,其特征在于,(1)所述Qx包括(a)將共振器信號乘以復制的周期函數繼之以低通濾波,(b)乘以Vmx(t);(2)所述Qy包括(a)將共振器信號乘以復制的周期函數繼之以低通濾波,(b)乘以Vmy(t),復制的周期信號具有角頻率ωo和相位ψo,該ωo和ψo的值是預定的,Vmx(t)和Vmy(t)與取值0和1的預定時間方波函數成正比,該方波函數不同時等于1。
7.如權利要求2所述的振動旋轉傳感器,其特征在于所述Qx包括將共振器信號乘以Vmx(t),繼之以對預定時期T求積,所述Qy包括將共振器信號乘以Vmy(t),繼之以對時期T求積,其中,Vmx(t)和Vmy(t)與時期T期間時間序列值取-1和1的方波函數成正比。
8.如權利要求1所述的振動旋轉傳感器,其特征在于進一步包括附設共振器的殼體,所述殼體有多個附設電極緊靠一或多個共振器電極;驅動電路,它將電壓Vx1(t)提供給一或多個殼體電極的第一組,將電壓Vy2(t)提供給一或多個殼體電極的第二組,Vx1(t)和Vy2(t)分別包括電壓分量Vmx(t)F(ωxt+ψx)和Vmy(t)F(ωyt+ψy),其中,Vmx(t)和Vmy(t)或為預定的時間t的函數或為常數,F(ωt+ψ)為頻率ω和相位ψ的時間t的周期函數,ωx,ψx,ωy和ψy的值為預定,Vmx(t)F(ωxt+ψx)和Vmy(t)F(ωyt+ψy)對共振器的駐波動力學無重大影響。
9.如權利要求8所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vmx(t)和Vmy(t)為常數,ωx,ωy和|ωx-ωy|大于約6ω,ω為共振器的振動角頻率。
10.如權利要求8所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vmx(t)和Vmy(t)為常數,ωx和ωy等于預定值ωo,ψx-ψy等于π/2弧度,ωo大于約6ω,ω為共振器的振動角頻率。
11.如權利要求8所述的振動旋轉傳感器,其特征在于ωx,ωy,ψx和ψy等于0,Vmx(t)和Vmy(t)與分別取值0和1的第一和第二時間方波函數成正比,第一和第二方波函數不同時等于1。
12.如權利要求8所述的振動旋轉傳感器,其特征在于ωx和ωy等于預定值ωo,ψx和ψy等于預定值ψo,Vmx(t)和Vmy(t)與分別取值0和1的第一和第二方波函數成正比,ωo大于約6ω,其中,ω為共振器的振動角頻率,第一和第二方波函數不同時等于1。
13.如權利要求8所述的振動旋轉傳感器,其特征在于ωx,ωy,ψx和ψy等于0,Vmx(t)和Vmy(t)與預定時期期間偽隨機序列分別取值-1和1的第一和第二方波函數成正比。
14.如權利要求8所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vx1(t)和Vy2(t)也分別包括電壓分量Vcx(t)Ux1(t)和Vcy(t)Uy2(t),量Vcx(t)和Vcy(t)或為時間t的函數或為常數,電壓分量Vcx(t)Ux1(t)和Vcy(t)Uy2(t)使力加到共振器。
15.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vmx(t)、Vmy(t)、Vcx(t)和Vcy(t)為常數,ωx,ωy和|ωx-ωy|大于約6ω,ω為共振器的振動角頻率。
16.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vmx(t)、Vmy(t)、Vcx(t)和Vcy(t)為常數,ωx和ωy等于預定值ωo,ψx-ψy等于π/2弧度,ωo大于約6ω,ω為共振器的振動角頻率。
17.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于ωx,ωy,ψx和ψy等于0,Vmx(t),Vmy(t),Vcx(t)和Vcy(t)與分別取值0和1的第一、第二、第三和第四時間方波函數成正比,第一、第二、第三和第四方波函數不同時等于1。
18.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于ωx和ωy等于預定值ωo,ψx和ψy等于預定值ψo,Vmx(t),Vmy(t),Vcx(t)和Vcy(t)與分別取值0和1的第一、第二、第三和第四時間方波函數成正比,ωo大于約6ω,其中,ω為共振器的振動角頻率,第一、第二、第三和第四方波函數不同時等于1。
19.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vx1(t)還包括電壓分量Vcax(t)Uax1(t),Vcqx(t)Uqx1(t)和Vcrx(t)Urx1(t),Vy2(t)還包括電壓分量Vcay(t)Uay2(t),Vcqy(t)Uqy2(t)和Vcry(t)Ury2(t),ωx,ωy,ψx和ψy等于0,Vmx(t),Vmy(t),Vcax(t),Vcqx(t),Vcrx(t),Vcay(t),Vcqy(t)和Vcry(t)與分別取值0和1的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八時間方波函數成正比,第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八方波函數不同時等于1。
20.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于Vx1(t)還包括電壓分量Vcax(t)Uax1(t),Vcqx(t)Uqx1(t)和Vcrx(t)Urx1(t),Vy2(t)還包括電壓分量Vcay(t)Uay2(t),Vcqy(t)Uqy2(t)和Vcry(t)Ury2(t),ωx和ωy等于預定值ωo,ψx和ψy等于預定值ψo,ωo大于約6ω,其中,ω為共振器的振動角頻率,Vmx(t),Vmy(t),Vcax(t),Vcqx(t),Vcrx(t),Vcay(t),Vcqy(t)和Vcry(t)與分別取值0和1的第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八時間方波函數成正比,該第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八方波函數不同時等于1。
21.如權利要求14所述的振動旋轉傳感器,其特征在于ωx,ωy,ψx和ψy等于0,Vmx(t)和Vmy(t)與偽隨機序列分別取值-1和1的第一和第二時間方波函數成正比,Vcx(t)和Vcy(t)為常數。
22.如權利要求1所述的振動旋轉傳感器,其特征在于共振器電極由符號周期性反向的恒壓偏置,共振器和殼體的電位相應于零電壓。
23.一種控制和讀出振動旋轉傳感器的方法,其特征在于包括,其電極連接到單個輸出端口的共振器,以及其多個電極緊靠共振器電極的殼體,該共振器能以一或多種駐波模式振動,每種駐波模式由多個參數限定,所述方法包括如下步驟(a)產生多個驅動電壓;(b)將驅動電壓加到殼體電極;(c)通過運算出現在共振器輸出端口的共振器信號,確定一或多種駐波中至少一種駐波的參數。
24.如權利要求23所述的方法,其特征在于每個驅動電壓包括激勵電壓,至少兩個激勵電壓的頻譜局限于分離的頻帶。
25.如權利要求23所述的方法,其特征在于不同驅動電壓數為2,每個驅動電壓包括激勵電壓,每個激勵電壓為一個周期性函數,該兩個不同激勵電壓的頻率相同,相位差四分之一周期。
26.如權利要求23所述的方法,其特征在于,每個驅動電壓包括激勵電壓,至少兩個激勵電壓的每一個與取值0和1的獨特方波成正比,只有一個方波在任何給定時間取值1。
27.如權利要求23所述的方法,其特征在于,每個驅動電壓包括激勵電壓,至少兩個激勵電壓的每一個與具有預定頻率和相位的周期函數和取值0和1的獨特方波的乘積成正比,只有一個方波在任何給定時間取值1。
28.如權利要求23所述的方法,其特征在于每個驅動電壓包括激勵電壓,至少兩個激勵電壓的每一個與按預定的偽隨機序列取值-1和1的獨特方波成正比。
29.如權利要求23所述的方法,其特征在于至少兩個驅動電壓的每一個包括激勵電壓和力電壓,激勵電壓的頻譜局限于分離頻帶,力電壓的頻譜局限于與有關激勵電壓的頻帶分離的頻帶。
30.如權利要求23所述的方法,其特征在于,不同驅動電壓數為2,每個驅動電壓包括激勵電壓和力電壓,每個激勵電壓為周期函數,兩個不同激勵電壓的頻率相同,相位差四分之一周期,力電壓的頻譜局限于與激勵電壓頻率分離的頻帶。
31.如權利要求23所述的方法,其特征在于至少兩個驅動電壓的每一個包括激勵電壓和力電壓,每個激勵電壓與取值0和1的獨特方波成正比,每個力電壓包括與取值0和1的方波成正比的乘法因子,只有與激勵電壓和力電壓有關的一個方波在任何給定時間都取值1。
32.如權利要求23所述的方法,其特征在于至少兩個驅動電壓的每一個包括激勵電壓和力電壓,每個激勵電壓與具有預定頻率和相位的周期函數和取值0和1的獨特方波的乘積成正比,每個力電壓包括與取值0和1的方波成正比的乘法因子,只有一個方波在任何給定時間與取值1的激勵電壓和力電壓有關。
33.如權利要求23所述的方法,其特征在于至少兩個驅動電壓的每一個包括激勵電壓和力電壓,每個激勵電壓與按預定的偽隨機序列取值-1和1的獨特方波成正比,力電壓的頻譜局限于與有關激勵電壓的頻帶分離的頻帶。
34 如權利要求23所述的方法,其特征在于,共振器信號是作為駐波參數之函數的兩個分量之和,步驟(c)包括以下步驟(c1)從共振器信號中取出兩個分量的每一個分量;(c2)通過運算兩個分量確定駐波參數。
35.如權利要求34所述的方法,其特征在于該兩個分量占據分離的頻帶,通過運算在分離的頻帶之間有區別的共振器信號取出每個分量。
36.如權利要求34所述的方法,其特征在于該兩個分量為頻率相同相位差四分之一周期的周期函數,通過運算在兩個分量的相位之間有區別的共振器信號取出每個分量。
37.如權利要求34所述的方法,其特征在于該兩個分量在不同時期期間出現在共振器信號中,通過運算在不同時期之間有區別的共振器信號取出每個分量。
38.如權利要求34所述的方法,其特征在于該兩個分量是0和1的偽隨機序列,兩個偽隨機序列的互相關等于0,通過運算在兩個偽隨機序列之間有區別的共振器信號取出每個分量。
39.如權利要求23所述的方法,其特征在于進一步包括以下步驟(d)用符號周期性反向的恒壓偏置共振器電極,共振器和殼體的電位相應于零伏。
40.一種裝置,其特征在于實現權利要求23所述的方法。
41.一種裝置,其特征在于實現權利要求34所述的方法。
全文摘要
一種包括共振器和共振器殼體的振動旋轉傳感器,以及利用多路復用電路控制和讀出該傳感器的方法。該共振器是旋轉對稱的薄壁物體,它可以按多種駐波模式振動。有一或多個電極附設到共振器的表面并連接到單個輸出端口,殼體上有多個附設的電極緊靠共振器電極。控制和讀出振動旋轉傳感器的方法包括將驅動電壓加到殼體電極并通過運算由共振器輸出端口產生的共振器信號確定駐波參數。驅動電壓可以包括或激勵電壓或力電壓或兩者。
文檔編號G01P3/44GK1200483SQ9810521
公開日1998年12月2日 申請日期1998年2月18日 優先權日1997年2月18日
發明者安東尼·馬修, J·斯科特·達林, 蓋伊·托馬斯·瓦迪 申請人:利頓系統有限公司