CN101886924A - 一种八电极静电陀螺仪位移信号提取电路 - Google Patents

Abstract

一种用于八电极静电陀螺仪位移信号提取的电路，第一桥臂电容(11)和第二桥臂电容(12)串联连接在上支承电极(1)和下支承电极(2)上，恒频电压源(10)连接在第一桥臂电容(11)和第二桥臂电容(12)的中间；第一桥臂电阻(13)和第二桥臂电阻(14)串接形成第一电阻桥臂，与第一桥臂电容(11)和第二桥臂电容(12)形成的电容桥臂并联；第三桥臂电阻(15)和第四桥臂电阻(16)串联形成第二电阻桥臂，此电阻桥臂的两端分别经第一陷波器(17)和第二陷波器(18)与第一电阻桥臂连接；测量电路(21)的两个引入端分别接在第一桥臂电阻(13)与第二桥臂电阻(14)的电气连接处，以及第三桥臂电阻(15)与第四桥臂电阻(16)的电气连接处。

Description

一种八电极静电陀螺仪位移信号提取电路

技术领域

本发明涉及一种用于八电极静电陀螺仪位移信号提取的电路。

背景技术

静电陀螺仪是目前实现的陀螺仪中精度最高的惯性测量器件。静电陀螺仪是依靠静电场的静电力将高速旋转的转子悬浮于高真空的球腔里，具有无机械接触、受干扰力小、精度高等优点。静电陀螺仪是通过检测转子相对于球腔的位移来控制相应电极上的电压，从而通过电极对转子的静电吸引力使转子悬浮在球腔中心的。

根据球面电极划分的不同，静电陀螺仪可以分为六电极、八电极和十二电极方案。相对于六电极和十二电极，八电极方案的机械结构更容易加工。目前国内的静电陀螺仪主要采用十二电极恒压控制方案。而现在采用的八电极方案的静电陀螺仪都是采用的恒流控制。由于目前采用的静电支承方案，不论是十二电极还是八电极，其测量电路和支承电路都是采用的同一个电极，这样用于支承的高电压和用于测量的低压信号就会耦合在一起，如何将测量信号从中分离出来就成了静电陀螺仪设计中必须要首先考虑的问题。在十二电极支承方案中是采用分频的方式来实现的，即支承电压采用高压低频的形式而测量电压采用低压高频的形式。由于测量电路的电压远小于支承电压，为了测量电路安全可靠的工作，信号采集卡与支承电极的接线方式至关重要。十二电极方案是在六电极方案的基础上改进而成的，它将三轴支承的六个电极一分为二，在新形成的两个电极上施加大小相等但极性相反的电压，这样在两个电极中间就会形成一个零势点，零势点的电压是几乎不会波动的，这主要取决于高压放大器产生的正高压和负高压的精度。信号采集卡就是通过接入十二电极形成的六个零势点来得到转子三个位移自由度的。

对于八电极支承方案并不可以形成这样的零势点，如果仍像十二电极那样接线，八电极会形成四个零势点，只有两个位移自由度，无法实现对转子三轴位移可控。一种方案是模仿十二电极方案将八电极进一步划分为十六电极，这样就会形成八个零势点，得到四个位移自由度，这是可行的。缺点是支承电极的过度划分会使支承电极的有效面积损失过多，且过多的支承电极会使系统的鲁棒性变差。前面提到，目前八电极支承方案都是采用恒流控制方案【杨晔，来琦，赵慧，刘飞，程关德。八电极静电陀螺支承系统的建模，中国惯性技术学报，2007.8，15(4)：452-457】。图1所示的即是单频恒流控制方案的原理图。变压器3的副边中心抽头接恒流源5，当转子4在电极1和电极2的中心位置时，流过电极1和电极2的电流均为i₀。当转子偏离电极球腔中心位置向电极1移动时，流过电极1的电流为i₁＝i₀-i_s，流过电极2的电流为i₂＝i₀+i_s，其中i_s为伺服电流。流过变压器3原边的电流为i_c，根据磁链守恒i_cN₃+i₁N₁-i₂N₂＝0且N₁＝N₂可以得到i_c＝2N₁i_s/N₃。当转子偏离中心位置时，Δi＝i₂-i₁耦合到原边并经过计算补偿即可以得到转子位移信号。

恒流控制方案可以实现转子的稳定悬浮，其不足之处在于由于测量和加力采用同一个变压器，这就对变压器的性能提出了极为苛刻的性能要求，另外恒流控制方案实现的位移测量分辨率仍达不到恒压控制的转子位移测量分辨率。

发明内容

本发明的目的是克服现有的八电极恒压控制方案中，静电陀螺仪在保证测量自由度的情况下信号采集卡无等电势点可供接入，而在保证有等电势点接入时又无法满足测量自由度的缺点，提供一种静电陀螺仪位移信号提取电路。

本发明解决问题采用的技术方案为：与恒流控制方案相同，本发明采用中心线过球腔中心的两个电极为一个电极对，八个电极共有四个电极对，其中两个电极对施加正向支承电压，另外两个电极对施加负向电压。正电极对与负电极对相间隔开，这种支承方式是为了保证转子的地电位。采用电容桥臂与电极-转子的间隙电容形成电容桥，用恒频电压源为电容桥供电，转子的位置信号通过外加的电阻桥来获得。两个电阻桥中间用陷波器来进行信号隔离，陷波器的谐振频率为电容桥的供电电源的频率。电容桥供电电源的频率远大于支承电压的频率。低频的支承电压可以通过陷波器而测量电压则不能通过，于是支承电压在电阻桥的两个桥臂上都有分压，而测量电压即电容桥的差动输出电压只在一只电阻桥臂上有分压，这样信号采集卡在两个电阻桥臂的中点进行接入，就满足了接入点支承高压等电势而又有转子位移信号引入，保证了四个测量自由度。

附图说明

图1为现行的八电极陀螺仪采用的恒流控制方案；

图2为本发明的位移信号提取电路结构图；

图中，1、上支承电极，2、下支承电极，3、变压器，4、转子，5、恒流源，6、电流放大器，7、PID控制器，8、位移监测补偿环节，9、加法器，10、恒频电压源，11、第一桥臂电容，12、第二桥臂电容，13、第一桥臂电阻，14、第二桥臂电阻，15、第三桥臂电阻，16、第四桥臂电阻，17、第一陷波器，18、第二陷波器，19、第一高压放大器，20、第二高压放大器，21、信号采集卡。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图2为本发明的电路示意图。上支承电极1和下支承电极2为一个电极对，八电极静电陀螺仪共有四个电极对，四个电极对是由整金属球内腔面等面积切割而成，各电极之间电气绝缘，转子4位于四个电极对形成的球腔内，当转子4稳定悬浮时，其位于球腔重心位置。八电极静电陀螺仪支承系统的测量电路共有四路，四路测量电路的结构相同，这里只以一路测量电路进行说明。第一桥臂电容11和第二桥臂电容12为具有足够耐压等级的精密电容。第一桥臂电容11和第二桥臂电容12串联连接在上支承电极1和下支承电极2上，恒频电压源10连接在第一桥臂电容11和第二桥臂电容12的中间。第一桥臂电阻13和第二桥臂电阻14串接形成第一电阻桥臂，第一电阻桥臂与第一桥臂电容11和第二桥臂电容12形成的电容桥臂并联，第三桥臂电阻15和第四桥臂电阻16串联形成第二电阻桥臂，第二电阻桥臂的两端分别经第一陷波器17和第二陷波器18与第一桥臂电阻13和第二桥臂电阻14形成的第一电阻桥臂连接，第一高压放大器19和第二高压放大器20分别经第一陷波器17和第二陷波器18为上支承电极1和下支承电极2供电。信号采集卡21的两个引入端分别接在第一桥臂电阻13与第二桥臂电阻14的电气连接处，以及第三桥臂电阻15与第四桥臂电阻16的电气连接处。

本发明是通过两个中间带有陷波器的两个电阻桥臂：即第一桥臂电阻13和第二桥臂电阻14串接形成电阻桥臂，以及第三桥臂电阻15和第四桥臂电阻16串联形成电阻桥臂来提取八电极静电陀螺仪支承电极上的位移信号的，其工作原理分析如下：

控制信号u₀+Δu和u₀-Δu分别经过正高压放大器被放大为支承电压U₀+ΔU和U₀-ΔU，其中u₀为预载控制电压，U₀为预载支承电压。由于陷波器的谐振频率远大于支承电压的频率，所以支承电压在两个电阻桥臂上都有分压，即

$U_A=U_B=\frac{(U_0+\mathrm{\ΔU})+(U_0-\mathrm{\ΔU})}{2}=U_0---\left(1\right)$

因此，对于低频支承高压，其对于信号采集卡的输入电压为

U_AB＝U_A-U_B＝0        (2)

对于测量信号，其激励源为恒频电压源10，其幅值为u_m，电极1与转子4的间隙电容为C₁，电极2与转子4的间隙电容为C₂，桥臂电容11的容值为C_b1，桥臂电容12的容值为C_b2，且有C_b1＝C_b2＝C_b，于是电容桥的输出电压就可以表示为：

$u_{\mathrm{AB}}=u_1-u_2=u_m\frac{C_i(C_2-C_1)}{(C_i+C_2)(C_i+C_1)}---\left(3\right)$

当转子4向电极1移动δ时，电极间隙电容就可以表示为C₁＝C₀+ΔC，C₂＝C₀-ΔC，其中C₀为转子4在中心位置时的电极间隙电容。(3)式就可以表示为

$u_{\mathrm{AB}}=u_m\frac{2C_i\mathrm{\ΔC}}{(C_i+C_2)(C_i+C_1)}---\left(4\right)$

ΔC为转子4位移δ的函数，采样电路通过检测电压u_AB就可以得到转子的位移信息。

Claims (2)

1.一种八电极静电陀螺仪位移信号提取电路，其特征在于，所述的信号提取电路中，第一桥臂电容(11)和第二桥臂电容(12)串联连接在上支承电极(1)和下支承电极(2)上，恒频电压源(10)连接在第一桥臂电容(11)和第二桥臂电容(12)的中间；第一桥臂电阻(13)和第二桥臂电阻(14)串接形成第一电阻桥臂，第一电阻桥臂与第一桥臂电容(11)和第二桥臂电容(12)形成的电容桥臂并联；第三桥臂电阻(15)和第四桥臂电阻(16)串联形成第二电阻桥臂，第二电阻桥臂的两端分别经第一陷波器(17)和第二陷波器(18)与第一电阻桥臂连接；第一高压放大器(19)和第二高压放大器(20)分别经第一陷波器(17)和第二陷波器(18)为上支承电极(1)和下支承电极(2)供电；信号采集卡(21)的两个引入端分别接在第一桥臂电阻(13)与第二桥臂电阻(14)的电气连接处，以及第三桥臂电阻(15)与第四桥臂电阻(16)的电气连接处。

2.根据权利要求1所述的八电极静电陀螺仪位移信号提取电路，其特征在于通过所述的第一电阻桥臂和第二电阻桥臂来提取八电极静电陀螺仪支承电极上的位移信号。

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