CN101568801A - 校准轴对称振动陀螺测试仪中的比例因子的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过将振幅控制信号(CA)和进动控制信号(CP)施加于在给定频率下开始振动的振子元件而校准轴对称振动速率陀螺仪工作的比例因子的方法，该方法包括：预校准步骤，包括计算沿第一方向的驱动增益(Gmx)和沿与第一方向模态正交的第二方向的驱动增益(Gmy)之间的基准增益比并存储该基准增益比；以及校准步骤，包括通过含基准增益比的比例关系计算与比例因子相关联的可测量级的值，并基于可测量级的值和所存储的基准增益比计算经校正的比例因 子。

Description

校准轴对称振动陀螺测试仪中的比例因子的方法

技术领域

本发明涉及一种校准轴对称振动速率陀螺仪的比例因子的方法。

发明背景

已知各向同性振动速率陀螺仪由具有两个自由度的轴对称谐振器构成。

谐振器的振子元件被设置成通过振幅控制信号在振子元件的谐振频率下振动。为了控制振动的方向，也将进动控制信号施加于振子元件，由此在振子元件的谐振频率下的振子元件的振动测量和所述振动的解调能够应用适当的等式来确定谐振器所处于的转速。

经由控制电极施加振幅控制信号和进动控制信号，该控制电极给出驱动增益，即由控制信号产生的力振幅与控制信号振幅之比。同样，通过给出检测器增益的检测器电极测得输出信号，所述增益是振动振幅与输出信号的相应振幅之比。

计算转速的精确性是谐振器的比例因子的精确性的函数，其中该比例因子是谐振器转速与进动控制信号或等效输出信号之比。

已发现比例因子作为谐振器所处温度的函数而变化，并同样作为器件老化的函数随时间变化。这些变化影响测量的精确性。

为了提高比例因子的准确性，已知将表存储在陀螺仪的处理器单元中，这些表规定作为温度函数以及作为谐振器老化的函数的比例因子的变化。当使用陀螺仪时，温度测量由此能够校准比例因子。然而，这些表建立在无法令人满意的预测模型的基础上，且结果是所存储的比例因子变化和陀螺仪使用时比例因子的真实变化之间存在差异。

发明目的

本发明的目的是从陀螺仪本身校准速率陀螺仪的比例因子。

发明概述

为了实现该目的，本发明提供通过将振幅控制信号和进动控制信号施加于在给定频率下开始振动的振子元件而校准轴对称振动速率陀螺仪工作的比例因子的方法，该方法包括：预校准步骤，包括计算沿第一方向的驱动增益和沿与第一方向模态正交(modal quadrature)的第二方向的驱动增益之间的基准增益比并存储该基准增益比；以及校准步骤，包括通过含基准增益比的比例关系计算与比例因子相关联的可测量级的值，并基于可测量级的值和所存储的基准增益比计算经校正的比例因子。

已发现尽管每个方向的驱动增益作为温度的函数而变化并随时间变化，然而沿模态正交的两个方向的驱动增益之比在一般要求的精确度下可认为是常数。因此可在车间内准确地确定基准增益比。可测量级的即时测量则使陀螺仪的比例因子可在其使用时间被校准。由于振幅控制信号和进动控制信号被施加于同一电极以使驱动增益比不管温度和/或经过时间为何始终保持等于1，本发明的方法当陀螺仪配置成如文本FR-A-2 851 041(或等同的US 7 010 977)所述构成时尤为有利。

在本发明的第一实现方式中，可测量级是振动频率的变化，作为施加于至少一个控制电极的刚度控制信号的变化的函数。较佳地，刚度控制信号与振幅控制信号以及进动控制信号具有90°时差，而刚度控制信号与进动控制信号在几何上是模态正交的。因此，进动控制信号受刚度信号的干扰非常小，因此可永久地施加刚度信号。

在本发明的另一实现方法中，可测量级是作为振幅控制信号中的变化的函数的振幅变化。

附图说明

在参照附图阅读本发明下面两个特定和非限定的实现方式的详细说明后，本发明的其它特征和优点变得明显，其中：

图1是适用于实现本发明的方法的半球形谐振器的示意截面图；以及

图2是示出更佳本发明第二实施例的当执行校准时振幅如何变化的图表。

发明详述

参照图1，本发明的校准方法可用任何包含具有两个自由度的轴对称谐振器的任何各向同性振动速率陀螺仪来实现，尤其是已知的包含半球形振子元件1的谐振器，所述振子元件1例如为由二氧化硅制成并经由根部4固结于底部3的振铃。振铃1的内表面及其边缘以及根部4覆盖在金属层2中。底部3承载电极5，每个电极可专用于控制或检测功能，或者每个电极可多路选择以在控制功能和检测功能之间切换。电极面向振子元件1的边。谐振器也包括保护电极6。用作速率陀螺仪，振子元件最初通过施加振幅控制信号CA开始振动，并通过进动控制信号CP定向。

在本发明的第一实现方式中，交替的刚度控制信号CR也被施加于至少一个控制电极。刚度控制信号较佳地与振幅控制信号CA和进动控制信号CP成90°时差。刚度控制信号CR在几何上也模态正交于进动控制信号CP，即当在振子元件1的谐振频率保持振动时，刚度控制信号CR施加于设置成与接收进动控制信号的控制电极成90°的控制电极，如果在两倍于谐振频率的频率下激励振子元件，则刚度控制信号CR施加于相对接收进动控制信号的控制电极成45°的控制电极。

控制电子器件用来调整控制信号以使振幅沿第一方向x与设定点值Ac对应，而振幅沿与第一方向x模态正交的第二方向y为零。x力对应于振幅控制CA而y力对应于进动控制CP。CP控制的值是速度Ω的测量值。则沿x方向和y方向获得如下运动方程：

m.x″+f.x′+r.x＝CA.x′+CR.x    (1)

0＝2.m.x′.Ω+F_y                (2)

其中m是振子元件1的质量，f是振动阻尼，r是振子元件的刚度，Ω是要测量的转速，而F_y是沿y方向的力。

此外，当存在刚度控制时，谐振器的频率通过下式给出：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{r-\mathrm{CR}}{m}}---\left(3\right)$

其中dCR＝2.m.ω.dω                (4)

在实践中，假定沿方向x的驱动增益为Gmx，而测量振幅的检测器增益为Gd，则等式(4)变为：

2.m.ω.dω＝dCR.Gmx.Gd            (5)

从中可推导出振动频率相对于刚度变化时的变化比V：

$V=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dCR}}=\frac{\mathrm{Gmx}.\mathrm{Gd}}{2.m.\mathrm{\ω}}---\left(6\right)$

此外，对于它所包含的三角值的第一近似值，可以下列形式写出x’：

x′＝ω.Ac/Gd

另外，通过引入沿y方向的驱动增益Gmy：

Fy＝CP.Gmy

等式(2)变成：

$O=2.m.\mathrm{\Ω}.\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{Ac}}{\mathrm{Gd}}+\mathrm{CP}.\mathrm{Gmy}---\left(7\right)$

从中可推导比例因子Gfe如下：

$\mathrm{Gfe}=\frac{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{CP}}=\frac{\mathrm{Gmy}.\mathrm{Gd}}{2.m.\mathrm{\ω}.\mathrm{Ac}}---\left(8\right)$

通过从等式(6)提取检测器增益Gd的值并将其代入等式(8)，获得下式：

$\frac{V}{\mathrm{Gfe}}=\frac{\mathrm{Gmx}}{\mathrm{Gmy}}\mathrm{Ac}---\left(9\right)$

其中V是通过使刚度控制变化并计算振动频率的相应变化而测得的量级。

如上所述，x驱动增益与y驱动增益之比为常数，以使用于测量比值V/Gfe的相似设定点Ac保持常数，不管是在车间还是在校准比例因子时。在实践中，在车间中测得比值Gmx/Gmy并被存储在谐振器的处理器单元的存储器中。当要求校准比例因子Gfe时，则有能力测量V的瞬时值并选择与计算驱动增益的比值时所使用的振幅设定点Ac相似的振幅设定点Ac，由此能够从等式(9)计算经校正的比例因子Gfe。

这种校准技术适用于刚度控制CR的振幅引起的频率变化相比谐振器温度变化引起的频率变化来得大的传感器。本发明的这种实现方式因此特别适用于quapason型陀螺仪。

对于刚度控制变化期间频率变化不足的陀螺仪，尤其是半球形谐振陀螺仪，使用基于改变振幅控制的本发明方法的第二实现方式。在正常工作时，处理器电子器件被配置成将振幅保持在恒定的设定点值Ac。当用正比于振幅的信号代替振幅控制CA时，振幅作为t/T1次幂的递减指数(函数)而变化，其中T1是递减指数(函数)的时间常数，如图2所示。维持该控制，直到振幅到达预定的低阈值为止，例如图2所示的AC/2。当振幅到达低阈值时，振幅控制逆转且振幅随着-t/T2次幂的上升指数(函数)变化，其中T2是该第二个指数(函数)的时间常数。时间常数在该机构系统中的表达是通过下列二阶方程给出的：

$\frac{1}{T1}=\frac{\mathrm{CA}.\mathrm{Gmx}.\mathrm{Gd}}{2.m.\mathrm{\ω}}-\frac{\mathrm{\ω}}{2Q}---\left(10\right)$

$\frac{1}{T2}=\frac{\mathrm{CA}.\mathrm{Gmx}.\mathrm{Gd}}{2.m.\mathrm{\ω}}+\frac{\mathrm{\ω}}{2Q}---\left(11\right)$

从这两个等式获得机电效率系数：

$C=0.5[\frac{1}{T1}+\frac{1}{T2}]=\frac{\mathrm{CA}.\mathrm{GmxGd}}{2.m.\mathrm{\ω}}---\left(12\right)$

通过等式(8)和(12)并在简化后，获得下列比值：

$\frac{C}{\mathrm{Gfe}}=\frac{\mathrm{CA}.\mathrm{Ac}.\mathrm{Gmx}}{\mathrm{Gmy}}---\left(13\right)$

以上述同样的方式，比值C/Gfe直接取决于常数比值Gmx/Gmy。

由于已在车间测量比值Gmx/Gmy并存储在处理器单元中，当想要校准比例因子时，用正比于振幅的信号代替振幅控制。测量递减指数(函数)的连续点，由此基于存储在处理器单元中的模型测量时间常数T1。当振幅到达低阈值时，振幅控制逆转并测量连续的振幅变化点以确定上升指数(函数)的时间常数T2。然后就能计算由等式(12)给出的机电效率系数C。然后将C值代入等式(13)，从中提取比例因子的最新值。

当在振子元件的谐振频率下将振幅控制施加于控制电极时，检测出的信号遵循上述等式。当在两倍于振子元件谐振频率的频率下给予振幅控制和进动控制时，控制电极产生静电压力，对此表达式可精简为正比于振幅的一个项，这意味着通过将作为常数的振幅控制CA施加于控制电极，机电效率系数C被精简为下列表达式：

$C=\frac{\mathrm{CA}.\mathrm{Gmx}}{2.m.\mathrm{\ω}}---\left(14\right)$

以在应用下式时简化比值C/Gfe：

$\frac{C}{\mathrm{Gfe}}=\frac{\mathrm{CAgmx}}{\mathrm{Gmy}}---\left(15\right)$

自然，本发明不局限于上述实现方式，而是可以具有许多实现变例，这些变例对本领域内技术人员而言是明显的，且不脱离本发明如权利要求书定义的范围。

具体地说，尽管在第二实现方式的较佳实现方式中，将低振幅阈值选为等于振幅设定值的一半，由此能够在短时间内获得振幅的明显变化同时执行校准，可将一些其它阈值用作陀螺仪工作需求的函数。

Claims (6)

1.一种通过将振幅控制信号(CA)和进动控制信号(CP)施加于在给定频率下开始振动的振子元件而校准轴对称振动速率陀螺仪工作的比例因子的方法，其特征在于，包括：预校准步骤，包括计算沿第一方向的驱动增益(Gmx)和沿与第一方向模态正交的第二方向的驱动增益(Gmy)之间的基准增益比并存储该基准增益比；以及校准步骤，包括通过含基准增益比的比例关系计算与比例因子相关联的可测量级的值，并基于可测量级的值和所存储的基准增益比计算经校正的比例因子。

2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述可测量级是作为施加于至少一个控制电极的刚度控制信号的变化的函数的振动频率的变化。

3.如权利要求2所述的校准方法，其特征在于，所述刚度控制信号与振幅控制信号和进动控制信号具有90°时差，而所述刚度控制信号几何上模态正交于进动控制信号。

4.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述可测量级是作为振幅控制信号(CA)的变化的函数的振幅变化。

5.如权利要求4所述的校准方法，其特征在于，产生振幅控制信号(CA)以使振幅变化背离设定点振幅(Ac)至一低振幅阈值，随后从所述低振幅阈值向上逆转变化至设定点振幅(Ac)。

6.如权利要求5所述的校准方法，其特征在于，所述低振幅阈值等于设定点振幅的一半。

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