CN101903779A - 校正电容性构件的增益的方法以及实现该方法的设备 - Google Patents

Abstract

校正电容性构件的增益的方法，所述电容性构件包括能彼此相对移动的电极，该方法包括以下步骤：向电极之一连续施加减小的偏压(10、12)，这些偏压具有相反符号和低于阈值的相同值(ε)，从而能够测量由这些减小的偏压产生的剩余场；对来自该电容性构件的输出信号(11、13)进行相应测量；计算平均值(14)；以及作为所测得的输出信号的函数来对该电容性单元的增益进行校正(19)。

Description

校正电容性构件的增益的方法以及实现该方法的设备

本发明涉及校正电容性构件的增益的方法以及实现该方法的设备

发明背景

已知有众多设备包括电容性构件用于检测或控制该设备的能彼此相对移动的两部分之间的距离。具体地，已知电容性构件用于检测和控制振动式陀螺仪——尤其是轴对称振动式陀螺仪——中的机械谐振器的形变。当这类设备用在自由陀螺仪模式中时，它们呈现出具有稳定性极大的比例因子(Bryan因子)的优点。

在自由陀螺仪模式中，振动是自由的且其平面绕谐振器的轴转动，而谐振器的轴则是载体的运动的函数。为了从该模式的优点受益，关键是精确地知晓振动相对于装置的外壳的位置，以便施加使振动运动能得以维持的控制信号。在测量振动的位置时的任何误差都会在所施加的力的方向上产生误差，并由此产生陀螺仪的寄生漂移。

已经进行了众多尝试来校正或计及在加速度计测量中出现的误差。因此，文献US-A-2003/006783和US-A-6 035 694寻求减少由基本恒定的杂散电容值引起的测量误差。文献US-A-6 035 694描述了类似的解决方案。

发明目的

在检测和控制两方面的意义上，陀螺仪的操作涉及电容性构件的增益，即，电容性构件的电极之间的距离与电容性构件的端子上的电信号的振幅之比。电容性构件在用作检测器时其端子上的信号的振幅以及在用于控制目的时其电极之间的距离也是施加于电极之一的直流(DC)偏压的函数。导致本发明的实验已经示出电容性构件的增益受到即使在偏压已经中断之后仍会余留的剩余场的影响。据信这种剩余场是由电极体中或其表面上的杂质引起，且在施加偏压时由偏压所产生。当标称偏压——即在检测或控制阶段期间施加于电容性构件的电压——在几百伏的数量级(一般在200伏至400伏的范围内)时，所导致的剩余场等效于几伏的偏压。该剩余场会产生缓慢变化的增益误差。

本发明的目的是提出一种使得能够消除剩余场的影响的方法和设备。

发明内容

为了实现这一目的，本发明提供一种校正电容性构件的增益的方法，该电容性构件包括能彼此相对移动且在其间建立起剩余场的电极，所述方法包括以下步骤：

·向电极之一施加值低于阈值的减小的DC偏压，从而能够测量由所述减小的偏压产生的剩余场；

·测量来自电容性构件的输出信号；以及

·作为所测得的输出信号的函数来校正该电容性构件的增益。

来自电容性构件的输出信号于是包括相加的两个分量：由与存在的剩余场等效的偏压导致的第一分量和由减小的偏压直接导致的第二分量。输出信号中由减小的偏压直接导致的分量可根据所述偏压并且根据电容性构件在校正之前的增益来计算。因此可从输出信号中提取由剩余场导致的输出信号分量。该分量使得计算在电容性构件用于与其相关联的设备的操作时由剩余场导致的增益误差成为可能

在本发明的有利版本中，此减小的偏压比所估计的与剩余场等效的偏压要大。因此，不管剩余场的方向如何，来自电容性构件的输出信号具有不变的符号，且输出信号的绝对值于是使得有可能根据所述绝对值大于还是小于此减小的偏压的振幅来确定剩余场的方向。

优选地，该方法包括以下步骤：对来自具有相同值但具有相反符号的减小的偏压的输出信号进行两次连续测量，并取所得的输出信号的平均值。这消除了输出信号中由这些减小的偏压导致的分量，因此有可能使用来自电容性构件的输出信号的平均值来校正增益而不必计及此减小的偏置信号的振幅。

在本发明的方法的优选实现中，该方法包括短时间地将标称偏置信号施加到电容性构件的在前步骤。这确保在实现增益校正方法时测得的剩余场具有与在同电容性构件相关联的设备操作期间的剩余值相等的值。

附图简要说明

在阅读以下参照附图给出的本发明的特定非限定性实现的描述时本发明的其它特征和优点将显现，附图中：

·图1是沿图2的I-I的概略轴截面视图，其示出半球形钟振动式传感器；

·图2是沿图1的II-II线的截面视图；

·图3是示出本发明的方法在初始化阶段中的实现的流程图；

·图4是示出本发明的方法在与电容性构件相关联的设备的操作阶段中的第一实现的流程图；

·图5是示出与剩余场等效的偏压、减小的偏压、以及针对具有相反符号的同值减小偏压获得的总等效电压的振幅的图；以及

·图6是示出本发明的方法在与电容性构件相关联的设备的操作阶段中的第二实现的流程图。

发明的详细描述

参照图1和2，参考半球形钟振动式传感器7说明本发明，该半球形钟振动式传感器7按常规的方式包括搭载在同样由二氧化硅制成的基座2上的二氧化硅钟1，钟1由气密外壳3围绕，以使得传感器能够置于真空中。

同样按已知方式，钟1的内表面与其底部边缘一样被镀金属，并且底部边缘面向着两对控制电极4和两对检测电极5地延伸。钟1的镀金属的底部边缘与每一个面向着的电极构成各自相应的电容性构件，这些电容性构件被适当连接到控制和检测单元6，用于产生包含在含有该半球形钟的轴和由相对于基准电极5的角度θ标识的位置的平面中的振动。振动的位置由控制单元6通过对控制电极4施加旋进控制来控制。

由将DC偏压施加于钟1的金属层导致的剩余场不仅作为时间和温度函数而变化，而且还作为包含振动的平面的取向的函数而变化。

为了对每个电容性构件的增益进行更新校正，本发明的方法优选地包括周期性执行的初始化阶段，其中周期是在中断标称偏压之后剩余场存留的时间长度的函数。这种存留时间可以是几小时至几天。然后在使用与电容性构件相关联的设备之际执行施加校正的阶段。

优选就在进行施加校正的阶段之前执行初始化阶段，例如，就在上面搭载着振动式传感器的飞机起飞之前执行。

图3示出初始化阶段的优选实现。在该优选实现中，该方法包括短时间地施加标称偏压的步骤8，标称偏压即在陀螺在用时施加的偏压。在大多数通常的情况下，标称偏压在200伏至400伏的范围内。该方法然后包括定位振动的步骤9，最初定位在相对于基准电极为角度θ₀之处。在该位置，该方法包括施加具有低于阈值的值+ε的减小的DC偏压的步骤10，从而可以测量由所述减小的偏压产生的剩余场。减小的偏压的值+ε还大于等效于剩余场的偏压VE。在这种情形中，应观察到，200伏至400伏的标称偏压产生具有在几伏数量级的等效偏压的剩余场。由减小的偏压ε本身可以在几伏的数量级，而同时大于与剩余场等效的电压

可根据电容性构件的技术数据来估计等效偏压VE。还可在不施加减小的偏压的情况下通过测量输出信号来估计该等效偏压。在实践中，可将此减小的偏压的值任意地设置在10伏。

相反，由于此减小的偏压的值很小，因此它产生了值可忽略的剩余场(等效于百分之几伏数量级的偏压)。输出信号中对应于剩余场的分量因此仅由最初施加标称偏压所产生的剩余场导致。

在正施加减小的偏压+ε的同时，执行测量输出信号并存储它的步骤11。来自电容性构件的输出信号是总偏压VT由电极之间的间隙调制的结果，如图5所示，总偏压VT是等效于存在的剩余场的偏压VE加上减小的偏压+ε的代数和。在时段T1期间测量输出信号。

在图3所示的优选实现中，该方法还包括施加减小的DC偏压-ε的步骤12，该偏压即为与减小的偏压+ε具有相等的值但符号相反的偏压。然后在与时段T1相等的时段T2期间执行所述测量相应输出信号的步骤13。

然后在步骤14中计算时段T1+T2上的输出信号的平均值。对应于减小的偏压+ε和对应于减小的偏压-ε的输出信号分量由此抵消，所以平均值代表剩余场本身。在步骤15中，以此方式计算出的平均值由此可直接用于计算增益校正。如图3中的步骤16所表示的，存储以此方式计算出的增益校正以及相关联的振动位置。

同样如图3所示，对于π/n角偏移量处的n个振动位置重复这些步骤，其中n是作为期望进行的校正的精细度的函数来确定的。

在使用陀螺仪的阶段期间，如图4所示，该方法包括检测振动位置的第一步骤17，然后是搜索对应的增益校正的步骤18，然后是施加增益校正的步骤19。当振动位置在存储了增益校正的两位置之间的居间位置时，可施加针对所存储位置中的较近位置的增益校正，或取与振动位置两侧上的两个存储的位置相关联的增益校正的平均值。

参照图6，在本发明的方法的第二实现中，类似于第一实现，该实现具有短时间地施加标称偏压的第一步骤8，随后是定位振动的步骤9以及施加减小的偏压+ε的步骤10。在该实现中，减小的偏压大于所估计的与剩余场等效的偏压VE。在该实现中，在步骤20中测量来自电容性构件11的输出信号，以便确定仅剩余场的方向并存储所述方向。确定剩余场的方向的步骤之后是在不施加减小的偏压的情况下测量来自电容性构件的输出信号的步骤21。然后执行计算增益校正的步骤15，该步骤首先利用剩余场的方向以便确定校正的符号，然后利用在没有减小的偏压的情况下所测得的输出信号以便确定增益校正的值。如前，在步骤16中存储增益校正和相关联的振动位置。

在本发明的方法的第二实现的变形中，可通过在维持此减小的偏压的同时测量来自电容性构件的输出信号来确定剩余场的值。为了获得补偿剩余场的校正值，然后需要通过根据减小的偏压和电容性构件在校正之前的增益计算输出信号中直接由此减小的偏压导致的分量，来从所测得的输出信号减去所述直接由减小的偏压导致的输出信号分量。然而，应该观察到，减小的偏压的生成遭受误差的不利影响，该误差会引起对由剩余场导致的分量的有相应误差的确定。如图6所示，因此优选的是，通过施加减小的偏压来确定剩余场的方向，并通过在没有减小的偏压的情况下测量输出信号来独立地测量剩余场的值，来确定剩余场的方向。在这种情形中，应观察到，可按任何顺序执行确定剩余场方向的步骤和测量剩余场的值的步骤。

自然，本发明不限于所述实现，且可对其应用变形而不会脱离如权利要求所定义的本发明的范围。

具体地，尽管参照具有多个电容性构件的轴对称振动式陀螺描述本发明，但本发明同样适用于具有期望要校正增益的单个电容性构件的设备。

Claims (10)

1.一种校正电容性构件的增益的方法，所述电容性构件包括能彼此相对移动的电极，且在所述电极之间建立起剩余场，所述方法的特征在于包括以下步骤：

·向所述电极之一施加值低于阈值的减少的DC偏压(10)，从而能够测量由所述减少的偏压产生的剩余场；

·测量来自所述电容性构件的输出信号(11)；以及

·作为所测得的输出信号的函数来计算对所述电容性构件的增益的校正(15)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减小的偏压(10、12)大于估计的与所述剩余场等效的偏压(VE)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增益校正的计算包括：在正施加着减小的偏压的同时根据对来自所述电容性构件的输出信号的测量(11)来确定所述剩余场的方向的步骤(20)、以及在不施加减小的偏压的同时根据对来自所述电容性构件的输出信号的测量(11)来确定所述剩余场的值的步骤(21)。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述增益校正的计算包括从所述输出信号减去直接由所述减小的偏压导致的分量的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括针对具有相同值但符号相反的减小的偏压对所述输出信号进行两次连续测量的步骤(11、13)，以及取所得输出信号的平均值的步骤(14)。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括施加标称偏压的在前步骤(8)。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括初始化和增益校正存储阶段，随后是施加所述校正的阶段。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法与纳入在轴对称振动陀螺仪中的电容性构件一起使用，所述轴对称振动陀螺仪产生能移到各种位置的振动，所述方法的特征在于所述增益校正是在多个振动位置进行的。

9.一种用于校正电容性构件的增益的设备，所述电容性构件包括能彼此相对移动的电极以及用于将偏压信号施加于所述电极之一的装置，所述设备的特征在于包括：用于向所述电极之一施加值低于阈值的减少的DC偏压(10)的装置，从而能够测量由所述减少的偏压产生的剩余场；用于测量来自所述电容性构件的输出信号的装置；以及用于作为所测得的输出信号的函数来校正所述电容性构件的增益的装置。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备被纳入在轴对称振动陀螺仪中，所述轴对称振动陀螺仪产生能被移到各种位置的振动，所述设备包括用于存储对多个振动位置的增益校正的装置。

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