CN1193730A - 施加交流作用力电压的振动旋转传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种方法,它通过在共振器表面导电区域与相对该导电区域的一个或多个冲头电极之间建立交流电压,将作用力施加在振动旋转传感器(VRS)的共振器上。该方法包括以下步骤:产生具有第一频率和第一相位的第一交流电压;产生具有第二频率的第二交流电压并使第一和第二交流电压在共振器表面导电区域与一个或多个冲头电极之间形成差异。当共振器振动时,第一和第二交流电压与共振器上某一点的位移同步。

Description

施加交流作用力电压的振动旋转传感器
本发明的主题与专利申请“具有多路复用电子线路的振动旋转传感器”(Matthews，Darling和Varty)、“全角跟踪振动旋转传感器”(Mattthews、Varty、Li和Lynch)和“带交流作用和检测电子线路的振动旋转传感器”(Kumar和Foster)中揭示的发明主题相同。
本发明通常涉及振动旋转传感器，特别是涉及与这类旋转传感器相连的电子线路。
图1示出了组装前的现有技术振动旋转传感器(VRS)10，它由外层部件12、半球形共振器14和内层部件16组成，所有这些部分由熔凝石英构成并通过铟结合在一起。惰性敏感元件为薄壁状直径为5.8cm的半球形共振器14，它位于外层部件12与内层部件16之间并且由杆26支承。
一个环状冲头电极20和16个分立的冲头电极22与外层部件12的内部表面粘合在一起。在组装好的VRS10中，环状冲头电极20和16个分立的冲头电极22紧靠在半球形共振器14的外部金属化表面32附近。在组装好的VRS中，附着在内层部件16的8个敏感元件电极24紧靠在半球形共振器14的内部金属化表面30附近。
电容力借助金属化表面32与环状冲头电极20之间适当的作用力电压施加在半球形共振器14上从而使其以最低阶非伸缩(或柔性)模式振动。建立起了具有沿四周以90度相隔的四个反节点的驻波，四个节点与反节点偏离45度。0度和180度反节点与90度和270度反节点相差为90度。驻波使半球形共振器的边缘形状从圆形变化为椭圆状(主轴通过0度/180度的反节点和90度/270度的反节点)。
VRS10围绕垂直于半球形共振器边缘34平面的轴转动，使得驻波沿反方向转动，其转动角度正比于VRS10的转动角。这样，通过测量驻波相对VRS10的转动角度，可以确定VRS10的转动角度。
通过在半球形共振器14上施加直流偏压并在环状冲头电极20上施加交流电压激发了半球形共振器14的振动模式，其中交流电压的频率是半球形共振器14共振频率的两倍。
当半球形共振器14振动并且敏感元件电极24相对半球形共振器14金属化内表面30的电容发生变化时，通过测量流入流出敏感元件电极24的电流确定了驻波相对VRS10的模式角。x轴信号Ix由I0-I90+I180-I270组合得出，这里的下标表示相对电流源电极x轴的角度位置。同样，y轴信号Iy由I45-I135+I225-I315组合得出。两倍驻波模式角相对0度(即x)轴的正切值等于Iy/Ix。
由于半球形共振器14厚度的不均匀，第一驻波的建立将会导致第二驻波的生成，该驻波以正交相位振荡，其反节点与第一驻波的节点重合。通过在16个分立冲头电极22上施加合适的电压可以阻止第二驻波的形成。
为了降低施加在环状冲头电极20和分立冲头电极22上的交流作用力电压并且使施加在共振器上的力相对交流驱动电压呈线性变化，直流偏压通常维持在半球形共振器14的外部金属化表面32上。直流偏压的存在导致VRS电学特性变化缓慢，这归因于外层部件12和内层部件16上或内部发生的电荷迁移现象所引起的电容变化。这些缓慢变化导致令人无法接收的性能随时间的大幅度下降，因此需要提供特殊的装置来补偿这些效应。
本发明提供一种方法，它通过在共振器表面导电区域与相对该导电区域的一个或多个冲头电极之间建立直流电压，将作用力施加在振动旋转传感器(VRS)的共振器上。该方法包括以下步骤：产生具有第一频率和第一相位的第一交流电压；产生具有第二频率的第二交流电压并使第一和第二交流电压在共振器表面导电区域与一个或多个冲头电极之间形成差异。当共振器振动时，第一和第二交流电压与共振器上某一点的位移同步。
VRS振动频率与第一和第二频率之差或之和的比率为整数之比。
图1为已有技术振动旋转传感器的元件部分。
在现有技术中，为了降低所需的交流作用力电压并且使施加在共振器上的力相对交流驱动电压呈线性变化，直流偏压一直维持在共振器上。本发明通过简单地利用共振器上(或者由于电极与共振器之间存在与作用在共振器上的力有关的电势差，所以同样作用在冲头电极上)相位适当的交流偏压实现了上述两个目标。
在现有技术的VRS装置中，由于直流偏压的存在导致VRS电学特性变化缓慢。这些变化被解释成由于熔凝硅电介质(包括电极壳罩)上或内部发生的电荷迁移现象所引起的电容变化。这些缓慢变化导致VRS性能令人无法接收地大幅度下降。因此必须提供特殊的装置来补偿这些效应。自从电荷迁移现象被首次观察到以来，消除共振器上直流偏压一直被视为抑制或消除这种效应的一种手段。
VRS的环状冲头电极20或者其中一个分立冲头电极22构成了球形电容器的一部分，其中共振器14的外部金属化表面32部分面向较小的真空间隔。如果在电极与共振器之间存在电势差V，则在共振器上施加有正比于V2的作用力F。例如，在现有技术的VRS装置中，直流偏压VBo施加在共振器上而驱动电压Vωsinωt施加在冲头电极上。同样地，电压VωsinωtVBo可以施加在冲头电极上而共振器可以接地。在任一情况下，共振器上正比于冲头电极与共振器之间电压差的最终作用力由下式给出：
F∝(Vωsinωt-VBo)2
 ＝Vω 2：(1-cos2ωt)-2VωVBosinωt+VBo 2                      (1)
实践中常数项对共振器动力学的影响可以忽略不计，正比于cos2ωt的项影响非常小。因此共振器上的作用力基本上正比于上述表达式中的第二项。
F∝VωVBosinωt                                            (2)
由于对于给定的作用力，如果偏压相应增加，则Vω可能减少，所以利用直流偏压VBo实现了作用力随驱动电压Vω幅度呈线性变化并降低了对Vω幅度的要求大小。
施加在共振器上的作用力被用来维持所需的振荡模式以抑制正交振荡，并且在作用力-重新平衡模式中使驻波的方向相对VRS罩壳保持不变。通过在VRS上半球形共振器与一个或多个冲头电极之间建立电压(V1-V2)，产生了满足上述需要的作用力，这里
V1＝Vω1sinω1t                                          (3)
V2＝Vω2sin(ω2t+φ)
最终的作用力F正比于(V1-V2)2：
F∝[Vω1sinω1t-Vω2sin(ω2t+φ)])2    (4)该表达式可以改写为：
F∝Vω1 2+Vω2 2-Vω1 2cos2ω1t-Vω2 2cos2(ω2t+φ)
-2Vω1Vω2cos[(ω1-ω2)t-φ)]
+2Vω1Vω2cos[(ω1+ω2)t+φ)]          (5)
为了保持所需振荡模式的幅度，在环状冲头电极20与共振器14外部金属化表面32之间加一电压。如果半球形共振器边缘的径向位移是sinωt形式的时间函数，其中ω为振荡的角频率，则环状冲头电极与共振器电极之间维持振荡所需的电压应该正比于sin2ωt。为了形成这样的作用力，例如设定ω1＝ω，ω2＝3ω，并且φ＝π/2，上述表达式中只有第三项是重要的：
F∝Vω1+Vω2 sin2ωt                   (6)值得注意的是作用力F随Vω1或Vω2都呈线性变化。
为了抑制正交振荡，电压被施加在四组相隔90度的四冲头电极22与共振器14外部金属化表面32之间，组与组之间相隔22.5度。如果半球形共振器边缘的径向位移是sinωt形式的时间函数，其中ω为振荡的角频率，则冲头电极组与共振器电极之间的电压应该正比于cos2ωt。为了形成这样的作用力，例如设定ω1＝ω，ω2＝3ω，并且φ＝0，表达式(5)中只有第三项是重要的：
F∝-Vω1+Vω2 cos2ωt                  (7)
值得注意的是作用力F随Vω1或Vω2线性变化。
在作用力-重新平衡模式中，在节点冲头电极22与共振器14的外部金属化表面32之间加一电压。如果半球形共振器边缘的径向位移是sinωt形式的时间函数，其中ω为振荡的角频率，则冲头电极与共振器导电区域之间的电压应该正比于cos(5)ωt为了形成这样的作用力，例如设定ω1＝ω，ω2＝2ω，并且φ＝0，这时表达式(5)中只有第三项是重要的：
F∝-Vω1+Vω2 cosωt                    (8)值得注意的是作用力F随Vω1或Vω2线性变化。
为了使定相误差最小，需要将ω1和ω2选定为通过除以和/或乘以公共频率得到的ω的整数被或分数倍。
通过使共振器电极与冲头电极中任一电极接地并在另一电极上施加(V1-V2)使它们之间的电压为(V1-V2)。另一种方法是在其中一个电极上加电压V1而在另一电极上加V2。
上述本发明实施例借助的是正弦函数形式。本发明更广义的实施例将借助周期函数F(ωt+φ)形式，此时方程式(3)变为：
V1＝Vω1F(ω1t）                        (9)
V2＝Vω2F(ω2t+φ)
最简单的周期函数就是方波。采用这种周期函数产生的结果与采用正弦函数得到的结果等同。
在Loper等人于1990年8月28日提交的美国专利4,951,508中包含有振动旋转传感器的其它细节，它们作为参考文献包含在这里。

Claims (3)

1.一种将作用力施加在振动旋转传感器(VRS)的共振器上的方法，共振器表面有一个或多个导电区域，VRS具有多个与共振器表面导电区域相对的冲头电极，所述方法包括以下步骤：
产生具有第一频率和第一相位的第一交流电压，当共振器振动时，所述第一交流电压与共振器上某一点的位移同步；
产生具有第二频率的第二交流电压，当共振器振动时，所述第二交流电压与共振器上某一点的位移同步；
在一个或多个冲头电极与一个或多个共振器表面导电区域之间建立电压差，所述电压差等于第一和第二交流电压之差。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于VRS振动频率与第一和第二频率之差的比率为整数之比。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于VRS振动频率与第一和第二频率之和的比率为整数之比。
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