CN1206110A - 惯性传感器的信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有校正质量的加速度传感器系统,通过完去陷去抖动频率的所有反馈扭矩,使得在加速度计伺服环路内没有抖动频率的反馈。由于没有反馈扭矩来改变校正质量对加速度的响应,所以校正质量相对运动是速度的直接量度。在这种情况下,校正质量基本上在开环模式下响应,此时运动振幅与相位被很好地相对抖动频率限定。按照本发明的加速度传感器系统特别适于检测Coriolis加速度。

Description

惯性传感器的信号处理系统

本发明通常涉及导航或其它应用中旋转传感器系统的信号处理技术。特别涉及包含测量旋转的Coriolis加速度传感器的旋转传感器系统中的信号处理技术。

通过将捕捉式线性加速度计安装在振动框架上并测量框架相对惯性空间的角速度产生的Coriolis加速度可以获得角速度。通常情况下，为了精确测量角速度，这种加速度计的频率响应必须准确地限定在抖动框架的振动频率上。标度因子直接与加速度计闭环增益相关。如果在解调Coriolis信号时不通过对基准相位的精密控制去除与加速度计耦合的振动驱动运动的测量，则可能产生较大的误差。

消除这种因加速度计输出的增益和相位不确定性产生的较大误差的一种技术是采用精密交流扭矩反馈以精确地抵消速度引起的Coriolis力，从而保证抖动频率的校正质量为零。

在有些反馈控制系统中，被测量的参数改变了正弦载波信号的振幅。在这种系统中，载波信号频率一般远远高于被测量参数所需的带宽。这样的振幅调制信号可以由测量压力、加速度、速度、角速度等的传感器产生。对于有些这样的传感器，参数的精确测量取决于对维持闭环结构平衡所需的反馈信号的测定。

对调制信号测量精度要求较高的应用是测量因角速度输入产生的Coriolis加速度的振动角速度传感器系统。送至这种传感器的恒速输入产生振幅受到装置驱动振荡频率调制的输出信号。所生成的Coriolis加速度正比于输入速度并且与驱动振荡振幅的相位差为90°。因此当振动速度最大时，加速度最大，此时相对振动的最大振幅相位差为90°。在大多数情况下，速度传感器是内置的加速度检测器或者安装在振动体上的小型加速度计。检测器的校正质量响应于速度产生的Coriolis加速度。

如果加速度传感器工作在开环结构中，则在输出信号的增益与相位准确限定时，其频率响应必须远远高于驱动频率。增益绝对值对于标度因子来说是重要的，并且为了去除任何“正交”信号(它是速度测量的主要误差源)，相对驱动基准振荡的信号相位也是重要的。如果采用典型的捕捉型环路技术，则在闭环加速度检测中也会有相同的增益和相位困难。

本发明提供一种具有校正质量的加速度传感器系统，通过在驱动频率下去除所有的反馈扭矩使得在该频率下加速度计伺服环路内没有反馈。由于没有反馈扭矩响应于加速度而改变校正质量，所以相对于运动的校正质量是速度的直接量度。在这种情况下，校正质量基本上在开环模式中有响应，此时运动振幅与相位准确地相对于抖动驱动而限定。按照本发明的加速度传感器系统特别适于检测Coriolis加速度。

本发明提供一种技术，它克服了已有的用于振幅调制伺服系统的反馈调制技术的困难。按照本发明的反馈调制系统捕捉Coriolis传感器，从而使得传感器产生的信号的相位与增益在维持较好的标度因子方面是无关的。按照本发明的装置包括连接在伺服补偿器输出与求和器之间的反馈环路。反馈环路包括扭矩二次调制器。传感器、解调器、伺服补偿器和带扭矩二次调制器的反馈环路协同工作以产生独立于传感动力学、解调器和伺服补偿的增益和相位的测量输出。

按照本发明的装置用来处理来自Coriolis力传感器的信号输出以测量角速度，它包括与传感器相连的解调器以接收指示角速度输出的信号以及相连的伺服补偿器以接收解调器输出的信号。伺服补偿器产生指示角速度测量值的速度输出信号φ(s)。包括扭矩二次调制器的反馈环路连接在伺服补偿器与传感器之间。扭矩二次调制器将二次调制的角速度信号施加在传感器上，使得解调器、伺服补偿器和反馈环路协同工作以产生独立于传感器、解调器和伺服补偿器的增益和相位的测量输出。

按照本发明的装置用来处理来自传感器的信号输出以测量角速度，它还包括：抖动装置，用来以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动传感器；以及与传感器相连的解调器，用来以正比于cos(ω_Dt)的信号解调输出的信号从而生成速度输出信号

(s)。反馈环路连接在传感器输出与抖动装置之间。反馈环路包括相连的伺服补偿器以接收传感器的输出信号以及连接在伺服补偿器与抖动装置之间的陷波滤波器。陷波滤波器排列成去除抖动频率ω_D的信号，使反馈环路不携带使传感器在抖动频率处产生反馈扭矩的信号。

本发明也可以包含与传感器敏感元件相连的高通滤波器和与高通滤波器相连的同相信号处理通道。同相信号处理通道比较好的是包括配置成从高通滤波器接收输出信号的余弦解调器和与余弦解调器相连以产生速度测量信号的第一伺服补偿电路。余弦二次调制器与第一伺服补偿电路相连。正交相位信号处理通道与高通滤波器相连。正交相位信号处理通道包括配置成从高通滤波器接收输出信号的正弦解调器和连接正弦解调器的第二伺服补偿电路。正弦二次调制器与伺服补偿电路相连。第一求和器与余弦二次调制器和正弦二次调制器相连。加速度反馈环路连接在传感器敏感元件与第二求和器之间。加速度反馈环路包括陷波滤波器，用来去除抖动频率ω_D的信号以使反馈环路不载带将在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩信号，从而使传感器的相对运动成为角速度的直接量度，并且使陷波滤波器产生指示加速度的信号。第二求和器连接在第一求和器与陷波滤波器之间。第二滤波器的输出与传感器相连以将作为同相通道、正交相位通道和加速度反馈环路输出信号之和的反馈信号施加在传感器上。

本发明包含与高通滤波器相连的解调器，用来接收经过滤波的传感器信号并产生指示角速度的信号。反馈环路连接在传感器敏感元件的输出与加速度计之间。反馈环路包括陷波滤波器，用来去除抖动频率ω_D的信号以使反馈环路不载带将在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩的信号。

图1为现有技术的用来捕捉速度测量装置中传感器输出信号的环路框图；

图2为按照本发明的第一捕捉环路的简化框图；

图3为图2的第一捕捉环路详细框图；

图4为按照本发明的第二捕捉环路的简化框图；

图5为图3的第一捕捉环路详细框图；

图6为按照本发明的多传感器旋转传感器与信号处理电路的框图；

图7为包含在图6电路中的数字信号处理器框图；

图8表示按照本发明的模拟电路，用来处理Coriolis传感器输出的信号；以上

图9表示按照本发明的数字电路，用来处理Coriolis传感器输出的信号。

按照本发明的捕捉型环路特别适应于角速度传感器系统，但是并不局限于角速度传感器。应该指出的是，上述捕捉型环路可以同测量压力、温度、速度的传感器联用。按照本发明的捕捉型环路也可以用于以被测参数作振幅调制的传感器。

图1示出了用于处理角速度传感器系统输出信号的现有技术捕捉型环路。速度输入φ(s)施加于诸如线性加速度计的传感器14。图1中所用传感器在美国专利4，679，434；4841，773；5，065，627；和5，142，921中有所揭示。包含在上述其他捕捉型环路的传感器也可以与传感器14相似。

传感器14被抖动或调制信号驱动，从而以cos(ω_Dt)调制速度输入φ(s)，这里ω_D是传感器的驱动频率而t为时间。传感器14与伺服补偿器16相连，该补偿器将输入信号与函数G(s)相乘并输出信号V(s)。信号V(s)被馈送回传感器14。传感器14根据动态响应函数A(S)对调制速度输入信号和反馈信号V(s)之和作出响应。信号V(s)也输入至以信号cos(ω_Dt)解调信号V(s)的解调器18。解调器18的输出为测得的速度

对于恒输入速率，由传感器14看到的输入信号以驱动频率ω_D振荡。传感器14输出的信号随后被伺服补偿G(s)放大并且反馈以抵消速度输入φ(s)。反馈回传感器14的信号就是输入速度的量度。由于伺服补偿器的输出V(s)是振动频率下的信号，所以信号V(s)被解调以获取表示恒输入速度的常数值。

图1的捕捉型环路技术呈现出已有技术存在一些缺陷。参见图1，传感器14和伺服补偿器16的频率响应变得非常严格，特别是在驱动频率ω_D下。对于典型的仪器，该频率位于1kHz-20kHz范围内，但是许多加速度检测器在这种频率下并不具有严格限定的输出。因此，如果采用两个这样的传感器以在振动环境下实现所需的较好的共模抑制，则在驱动频率下必须在增益和相位上良好匹配。如果传感器匹配得不好，则振动输入导致的差异将解释为角速度。输出基本上对传感器动力学和伺服频率响应非常敏感。

参见图2，它示出了按照本发明的捕捉型环路。速度输入信号φ(s)输入至传感器34，该传感器按照图1的方式将速度输入信号φ(s)与cos(ω_Dt)相乘。传感器输出信号输入至以信号cos(ω_Dt)解调传感器信号的解调器36。解调器36输出的信号被输入至提供测量速度信号

(s)的伺服补偿器38。伺服补偿器比较好的是具有G(jω)|→∞的增益G(jω)。测量的速度信号

(s)被输入至反馈环路40，环路包括以cos(ω_Dt)调制信号

(s)的扭矩二次调制器42。扭矩二次调制器42输出的信号随后输入传感器34以构成反馈环路40。

图2所示的捕捉技术在速度输入φ(s)的测量精度上远远超过图1的技术。值得注意的是，图2的装置与图1相似，只是解调是在反馈环路内部进行的并且反馈是已经被伺服补偿器38处理过的二次调制信号(伺服补偿器放大输入信号G(s)倍)。图2的系统工作时完全抑制了来自Coriolis加速度的传感器校正质量所有相对运动并且测量了所需的扭矩。

二次调制前的输出φ(s)是输入φ(s)的精确测量。信号φ(s)基本上独立于传感单元动力学A(s)或者伺服补偿增益G(s)的增益和相位特性。如果增益G(s)随着频率趋向于零而趋于无限大，即如果伺服补偿包括积分增益，则这一条件是成立的。由于这种无限大的增益，交流反馈信号基本上消除了输入速度产生的信号，并且直流信号 (s)是交流信号的精确测量值。速度输入测量基本上不受传感动力学A(s)、伺服补偿G(s)或者通过解调器36后相位或增益漂移改变的影响。但是对于二次调制反馈扭矩来说。正比于并且同相于输入速度产生的Coriolis加速度是重要的。

捕捉型环路的输出必须对环路内部动力学的增益和相位不敏感，以在驱动振荡频率附近对任何线性振动输入提供较好的共模抑制特性。

如果只有一个传感器用于角速度的检测，则无法把速度信号与驱动频率上或附近环境的线性振动输入产生的信号区分开来。因此，大多数传感器设计成至少有两个振动方向相反的传感器，从而使他们的速度矢量相差180度。当角速度施加在这种传感器上时，输出Coriolis信号相互之间反相。对于线性振动输入则信号是同相的。因此角速度信号可以通过求和与差分信号从振动输入中区分出来。

值得注意的是，图1的现有装置的误差和灵敏度与按照图2所示本发明实施例的捕捉型环路无关。每个传感器的输出基本上独立于传感器34、解调器36和伺服补偿器38的增益和相位。但是解调器基准输入可以是额定的校正相位以使典型的检测单元动力学A(s)的输出最大并且优化捕捉型环路稳定性、带宽和整体性能。

图3更为详细地示出了图2的捕捉型环路技术。角速度输入φ(s)和加速度G_IN被施加在加速度计200上。加速度计比较好的是用传输函数表示的摆型装置： $\mathrm{AccelDynamics}=\frac{1}{I{s}^2+\mathrm{Ds}+K}------------\left(1\right)$

信号传感装置202与传感器200相连。传感器200可以包含现有技术中熟知的加速度计摆。信号传感装置202产生指示加速度计摆角θ的传感信号。传感装置202的信号输出被输入至速度捕捉型环路204。传感装置202输出的信号也输入到加速度捕捉型环路206。

速度捕捉型环路204包括与机电传感器2装置202输出相连的高通滤波器208。在高通滤波器208滤波之后，传感信号被输入以cos(ω_Dt)解调传感信号的第一解调器210。传感信号还输入以sin(ω_Dt)解调传感信号的第二解调器212。从余弦解调器210输出的信号被输入向输入信号施加函数H_c(s)的补偿器214。从正弦解调器212输出的信号同样被输入施加函数H_s(s)的补偿器216。从补偿器214输出的信号是角速度测量值

(s)。从补偿器214输出的信号被输入以cos(ω_Dt)二次调制信号(s)的余弦二次调制器218。同样地，从补偿器216输出的信号被输入以sin(ω_Dt)二次调制输入信号的正弦再调制器220。

二次调制器218和220输出的二次调制信号随后在求和器222内组合。二次调制信号之和被反相作为负反馈信号输入求和器223。

由于传感信号全部无效，所以传感装置202的增益和相位在速度捕捉型环路中并不重要。解调和二次调制可以由数字乘法器、模拟乘法器或者切换全波解调器完成。抖动频率下的全扭矩反馈完全抑制了抖动频率ω_D的摆动。

加速捕捉型环路206包括将增益GH(s)施加到传感装置202输出信号上的放大器224。放大的传感信号随后输入去除抖动频率信号的陷波滤波器230。陷波滤波器电路230的输出是指示测量的加速度的信号G_m。测量的加速度信号G_m被反相并输入求和器223。陷波滤波器230禁止加速度反馈环路206中任何抖动频率下的反馈。

图4示出了按照本发明的第二捕捉型环路。传感器54接收指示输入Coriolis加速度的速度输入信号φ(s)。传感器54的输出被输入以正比于cos(ω_Dt)的信号解调传感器输出信号以产生速度测量信号φ(s)的解调器56。指示传感器54的传感角度的信号被输入包括伺服补偿电路58在内的反馈环路57。伺服补偿电路58向去除抖动频率信号的陷波滤波器电路59提供补偿的测量信号。陷波滤波器电路的输出随后被输入传感器54以提供反馈信号。

图4示出了操作加速度闭环和速度开环的装置。图4的本发明实施例通过陷去所有驱动频率下的反馈扭矩允许在伺服环路57内校正质量完全没有驱动频率下的反馈信号。由于没有反馈扭矩改变校正质量对Coriolis加速度的响应，所以校正质量的运动就是速度的直接测量值。在这种情况下，校正质量基本上在开环模式下响应，这里运动的振幅和相位相对抖动驱动被较好限定。应该指出的是，作用在校正质量上的低频加速度也可以通过伺服环路57捕捉。

图5示出了图4所示发明的其他特征。速度输入φ(s)和输入加速度G_IN被输入可以用方程式(1)的传递函数描述功能的加速度计250。加速度计250可以包含在图4的传感器54中。

加速度计250的信号输出为角度θ，它被输入传感装置252。传感装置252输出的信号被输入包括补偿器256和陷波滤波器260(类似于图3的补偿器224和陷波滤波器230)在内的加速度捕捉型环路254。陷波滤波器电路230的输出是信号Gm，它表示测量的加速度。测量的加速度信号Gm被反相并作为负反馈扭矩输入加速度计250以避免摆动。

传感装置252的输出被输入高通滤波器262对传感信号进行滤波并随后输入至解调器264。解调器264以cos(ω_Dt)解调滤波的传感信号以产生速度测量值φ(s)。

在图4和5所示的本发明实施例中，没有抖动频率的扭矩反馈。校正质量或者摆完全自由地只响应Coriolis力。因此摆的动力学就响应Coriolis加速度的增益和相位而言是重要的。但是许多实现图2和3所示本发明实施例所需的电路可以省略，因此大幅度降低了成本。加速度输入仍然由包含陷波滤波器的低频速度环路捕捉。陷波滤波器260去除反馈环路254中抖动频率的信号以避免影响反馈信号。

图2的捕捉型环路操作时完全抑制Coriolis加速度下校正质量的所有相对运动并测量所需的扭矩。图4的捕捉型环路使得校正质量完全自由地响应Coriolis加速度并测量其相对运动。由于扭矩反馈和校正质量运动都不是角速度输入产生的Coriolis加速度的真实测量值，所以不会发生图2和3的两种情况的组合。

参见图6，它示出了多传感器组件系统60和相连的信号处理电路62的框图。抖动部件61用来以机械方式使多传感器组件系统60抖动。抖动组件61包括中央转子64、外环66和在中央转子64与外环66之间延伸的多个叶片70-72。叶片70包含一对安装在相对侧面上的压电驱动器74和75。利用经数字-模拟转换器82与数字信号处理器80相连的抖动驱动放大器78向驱动器74和75提供驱动电流。

图6为加速度计100和抖动组件61的示意图。实际上，多传感器组件60包括与每根轴上抖动组件61相似的两个抖动组件。加速度计如1991年11月19日授权给Stewart等人的美国专利5，065，627所揭示的那样，安装在两个抖动组件的三个叶片上。如美国专利No．5，065，627揭示的那样，两个抖动组件安装在一个公共转子上并且以相位差180度抖动。

提供给压电驱动器74和75的驱动电流的相位关系使得驱动器74、75的一个伸长而另一个缩短。提供给叶片70的驱动电流的相位关系使得叶片70在图6纸面内小幅振荡。叶片71和72分别包含一对压电驱动器86、87和88、89，它们接收与提供给驱动器74和75同样的驱动电流。叶片70-72因此同相振荡，从而导致环66围绕通过中央枢轴64并且垂直纸面的轴振荡旋转。

可以是磁性或压电传感装置的抖动传感90产生指示环66角向振荡的电学信号。抖动传感90的信号输入放大器92。放大器92的输出信号被输入通过模拟-数字转换器96与数字信号处理器80相连的多路复用器94。

图6的多传感器组件60还包括线性加速度计100。如图6所示，多传感器组件60比较好的是包括基本上与线性加速度计100相同的5个附加线性加速度计(未画出)。线性加速度计100可以包含摆装置，该装置包括包含有叠加在电容105两块板103、104之间的介电材料的校正质量102。电容105的电容值与校正质量相对电容板的位置有关。

指示摆位置的信号输入其输出与传感解调器112相连的前置放大器110。传感解调器112输出的信号输入通过模拟-数字转换器116与数字信号处理器80接口的多路复用器114。

电容板从通过数字-模拟转换器121与数字信号处理器80连接的一对求和器120和122接收电学信号。传感激发电路124向求和器120和122提供180度相位差的信号，求和器将数字-模拟转换器121的信号与传感激发电路124的输出相加。

图7示出了数字信号处理器80的结构。数字信号处理器80以高精度、低功耗和极低的成本提供了系统数字频率控制。

数字信号处理器80从系统时钟141接收主时钟信号。该时钟在逻辑块151中建立了时序以完成下述功能并向系统处理器173产生与系统处理器总线175提供信息同步的中断。

数字信号处理器80利用循环查询表150分别使基准正弦和余弦波形输出140和142同步。频率和相位指示器143的指示标出了查询表150的当前位置。指示在每个更新周期内(例如抖动周期的1／8)增一以构造数字波形。这些正弦和余弦基准波形用作控制电路80各部分的精确相位基准。

余弦调制器152将数字化基准余弦波形与余弦振幅相乘。系统处理器173对正弦和余弦振幅进行控制。正弦调制器154将数字化基准正弦波形与从系统处理器总线175接收的正弦振幅相乘。余弦解调器152和正弦解调器154的输出由求和器156矢量合成以提供输入至数字-模拟转换器82的具有规定振幅和相位的单个波形。

数字-模拟转换器82的输出是施加在每个多传感器转子64上压电双压电晶片组的抖动驱动电压。压电驱动器74-75、86-87和88-89交替膨胀和收缩，从而对每个转子安装的加速度计组提供角向运动。这种机构提供了一种同步的激发装置，可以提供能控制振幅、相位和频率的抖动运动。

对于传感检测，传感元件90检测环66的抖动振幅并经多路复用器94和模拟-数字转换器96将此信号传回数字信号处理器80。抖动传感信号由抖动余弦解调器160以基准余弦波形解调。抖动传感信号还由抖动正弦解调器162以基准正弦波形解调。这种解调是为了确定抖动速度的振幅和相位。解调器160和162的输出分别由积分器164和166积分。解调和积分的信息被送至系统处理器总线175作振幅和频率控制。

相对扭矩T所施加的抖动角速度θ给出如下： $\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\&Tgr;}}\∝\frac{s}{1+\frac{s}{Q{\mathrm{\ω}}_0}+{\left(\frac{s}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}--------\left(2\right)$

这里ω₀为以rad／sec为单位的共振频率。在共振时，θ和T同相。在共振频率之上，T先于θ；在共振频率之下，T滞后于θ。因此T与θ的相位关系是共振频率的分水岭。

为了实现合适的信号关系，扭矩相位以闭环的方式调整从而获得与表150输出的余弦波形完全同相的抖动角速度θ。随后观察扭矩驱动的相位。如果需要有效正交(如正弦)分量，则根据正交解调器的极性将频率增加或降低一个增量(例如1Hz)。这确保了抖动频率始终接近共振频率。

传感解调160和162输出信号的平方和正比于抖动角速度。抖动角速度控制在特定值上，该值设定了多传感器装置的角速度标度因子。振幅和相位控制比较好的是在系统处理器中以600Hz速率进行。频率控制比较好的是在系统处理器中以0．5Hz速率进行。

为了确保有足够的带宽恢复加速度计100，对加速度计扭矩计施加高频激发(例如25kHz)。加速度计100传感的信号经传感解调器112解调以产生正比于抵消偏差值的信号。每个传感信号被放大并经多路复用器114提供给A／D转换器116。

6个加速度计传感信号都被A／D转换器116数字化。数字化的速率比较好的是19．2kHz。数字化的加速度计传感信号被提供给数字信号处理器80以输入传感信号处理电路165，该电路包括一对再平衡路径169和171。再平衡路径169为同相通道，而再平衡路径171为正交相位通道。

再平衡路径190为抵消线性加速度对校正质量102影响的低频通道。再平衡路径169和171为操作抖动载波信号并消除作用在校正质量102上的Coriolis力的通道。数字反馈通道的使用避免了模拟电路漂移引起的误差累计，特别是消除了角速度信号解调处理中的误差。

参见图7，在正交通道171中，模拟-数字转换器116的信号被输入从正弦发生器140接收基准信号的正交相位解调器172。正交相位解调器172输出的信号被输入补偿器电路176并随后由积分器178积分。积分器178输出的信号随后输入也从正弦发生器140接收其基准信号的正交相位二次调制器180。正交相位二次调制器180的输出输入算术逻辑单元(ALU)182。

在同相通道169中，模拟-数字转换器116的信号被输入从余弦发生器142接收其基准信号的同相解调器174。同相解调器174输出的信号被输入补偿器184并随后由积分器186积分。积分器186输出的信号是提供给系统处理器总线175的Coriolis加速度输出。积分器186输出的信号也输入从余弦发生器142接收其基准信号的同相二次调制器188。同相二次调制器188的输出与ALU182相连。

模拟-数字转换器116输出的信号也输入加速度环路190。加速度环路190包括操作从模拟-数字转换器116接收的数字化传感信号以去除抖动频率的信号分量的数字陷波滤波器192。最终的滤波信号经数字环路补偿器200处理并由积分器202积分。加速度环路190具有积分增益以提供积分器202输出的加速度反馈信号并输入系统处理器总线175和ALU182。ALU182输出的信号被输入作为加速度计100驱动电路一部分的数字-模拟转换器121。

这种加速度反馈信号在约50微秒更新定时器间隔内正比于平均加速度(或者ΔV)。这种形式的6个输出代表沿着加速度计芯片输入轴测量的加速度。

正比于角速度的Coriolis加速度与抖动角速度同相。但是正切抖动加速度耦合入加速度计100可能导致较大不需要的抖动频率正交分量。如上所述，正交和同相分量需要为零以避免传感元件相位漂移引起的误差。

同相二次调制器188与抖动传感频率同步。后面跟随求和器186的补偿器184组合具有积分增益以提供Coriolis加速度的测量值并且设定驱动Coriolis分量为零的同相二次调制器188的振幅。振幅在每个抖动周期内更新一次以确保足够的环路带宽。该振幅代表一个抖动周期内的平均角速度。

正交通道171不包含与Coriolis加速度有关的信息，但是应用解调的正交信号确保了加速度计传感信号保持为零。因此，正交二次调制器180的振幅每个抖动周期更新一次。加速度环路的同相、正交和低频信号分量在ALU182中相加。ALU182的输出为施加给数字-模拟转换器121的数字化字，转换器比较好的是在数字视盘播放器中采用的高精度D／A转换器。转换在20kHz下进行以在重建2kHz抖动波形时有足够的时间分辨率。

D／A转换器的输出被用来在反相结构中利用线性放大器产生正负电压。传感激发发生器124产生的高频(典型的是250kHz)传感激发与正负信号路径相加减。组合信号随后施加给加速度计的上下扭矩板。运用不同的板电压连同摆上出现的电压导致生成静电力，抵消了线性和Coriolis加速度分量产生的力并由此保持传感为零。

图8示出了处理一对电容板304和306之间校正质量302运动输出的Coriolis信号的模拟系统300。应该理解的是，校正质量302和电容板304和306仅仅是Coriolis力传感器的实例。实际上，为了实施本发明，更好的是采用美国专利5，065，627揭示的传感器结构。电容308使传感器输出信号与放大器310耦合。电压Vbias经电阻312施加在校正质量302上。

放大的传感器输出信号通过电容314到达传感解调器316。第一传感激发信号施加给传感解调器326并经求和器329施加给电容板304。第二传感激发信号经求和器331施加在电容板306上。第二传感激发信号与第一传感激发信号的相位相差180度。传感激发信号的频率比较好的是250kHz。

传感解调器316向加速度捕捉型环路318和角速度捕捉型环路320提供信号。加速度捕捉型环路318包括产生加速度输出信号的伺服补偿电路322。加速度输出信号输入求和器324。

角速度环路320包括与传感解调器316相连以接收输出信号的正弦／余弦解调器326。正弦／余弦解调器326的输出信号被输入积分增益电路328。积分增益电路328输出的信号为速度输出信号。速度输出信号被输入正弦／余弦二次调制器电路330。抖动基准信号被输入正弦／余弦二次调制器电路330和解调器电路326。

正弦／余弦调制器330电路输出的信号输入求和器324。求和器324将加速度输出信号与调制的角速度信号相加并向连接求和器329与331的节点332提供扭矩反馈信号。求和器329将扭矩反馈信号332与0度传感激发信号相加而求和器331将反馈信号332从180度传感激发信号中减去。

图9示出了处理传感器输出信号的数字系统。如图6所示，完整的传感器系统包括6个加速度传感器。6个加速度传感器被用来获取指示三根互相垂直轴的角速度和加速度的信号。

对于x轴，传感器系统产生信号X1和X2。这些信号分别具有分量X_A1和X_R1以及X_A2和X_R2。传感器系统对于y轴和z轴产生类似的信号，总共12个信号。这些信号源于表示速度和加速度测量值的图8。对于双转子，抵消抖动系统对每根轴有两组传感器，对应的速度和加速度信号可以以180度相位差抖动以实现高频线性和角速度振动的高度共模抑制。在数字处理系统中，所有的速度和加速度信号处理都在系统处理器384内完成，无需额外的电路。

信号X_A1和X_A1被求和器350组合以生成加速度信号X_A。信号Y_A1和Y_A2以及Z_A1和Z_A2分别被求和器352和354组合，分别生成加速度信号Y_A和Z_A。

信号X_R1和X_R2被求和器356组合以生成信号X_R。信号Y_R1和Y_R2以及Z_R1和Z_R2同样被求和器358和360组合，分别生成速度信号Y_R和Z_R。

加速度信号X_A、Y_A以及Z_A分别被输入开关364-366。开关364-366分别与采样和保持电路370-372相连。采样和保持电路370-372的输出被输入向模拟-数字电路378提供输出信号的多路复用器374。地址总线382向多路复用器374提供合适的控制信号以顺序选择被转换通道。模拟-数字电路378向数字控制器和信号处理器384提供数字信号输出。

旋转速度信号X_R、Y_R以及Z_R分别被输入开关390-392。开关390-392分别与采样和保持电路394-396相连。采样和保持电路394-396的输出被输入向模拟-数字电路402提供输出信号的多路复用器400。地址总线408向多路复用器400提供合适的控制信号以顺序选择被转换通道。模拟-数字电路402向处理和输出系统所用数据的数字控制器和信号处理器384提供数字信号输出。

Claims (10)

1．一种处理Coriolis力传感器输出的信号以测量角速度的装置，其特征在于包含：

与传感器相连以接收指示输出的角速度信号的解调器；

相连的伺服补偿器，用来接收解调器输出的信号，伺服补偿器产生指示角速度测量值的速度输出信号φ(s)；以及

反馈环路，包括连接在伺服补偿器与传感器之间的扭矩二次调制器，扭矩二次调制器将二次调制的角速度信号施加给传感器，从而使得解调器、伺服补偿器和反馈环路协同工作以产生独立于传感器、解调器和伺服补偿器增益和相位的测得的输出。

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包括以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动传感器的装置，从而使得传感器以频率ω_D机械振荡并且产生以频率ω_D调制的电学传感器输出信号，其中解调器以相位与角速度信号同相的信号对传感器输出信号进行解调。

3．如权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包括以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动传感器的装置，从而使得传感器以频率ω_D机械振荡并且产生以频率ω_D调制的电学传感器输出信号，其中解调器以相位与角速度信号相差90度的信号对传感器输出信号进行解调。

4．如权利要求3所述的装置，其特征在于进一步包括第二解调器，用来以相位与角速度信号同相的信号解调传感器输出信号。

5．一种处理传感器输出信号以测量角速度的装置，其特征在于包含：

以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动传感器的抖动装置；

与传感器相连的解调器，用来以正比于cos(ω_Dt)的信号解调输出信号从而产生速度输出信号φ(s)；以及

连接在传感器输出与抖动装置之间的反馈环路，反馈环路包括：

相连的伺服补偿器，用来接收传感器输出的信号；以及

连接在伺服补偿器与抖动装置之间的陷波滤波器，陷波滤波器用来去除抖动频率为ω_D的信号以使反馈环路不载带在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩的信号，从而使得传感器的相对运动作为角速度的直接量度。

6．一种处理传感器输出信号以测量角速度和加速度的装置，其特征在于包含：

以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动传感器的抖动装置；

与传感器相连以提供传感器输出信号的传感器敏感元件；

与传感器敏感元件相连的高通滤波器；

与高通滤波器相连的同相信号处理通道，同相信号处理通道包括：

余弦解调器，用来接收高通滤波器输出的信号；

与余弦解调器相连的第一伺服补偿电路，用来产生速度测量信号；以及

与第一伺服补偿电路相连的余弦二次调制器；

与高通滤波器相连的正交相位信号处理通道，正交相位信号处理通道包括：

正弦解调器，用来接收高通滤波器输出的信号；

与正弦解调器相连的第二伺服补偿电路；以及

与第二伺服补偿电路相连的正弦二次调制器；

连接到余弦和正弦二次调制器的第一求和器；

连接在传感器敏感元件与第二求和器之间的加速度反馈环路，加速度反馈环路包括陷波滤波器，陷波滤波器用来去除抖动频率为ω_D的信号以使反馈环路不载带在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩的信号，从而使得传感器的相对运动作为角速度的直接量度，陷波滤波器产生指示加速度的信号；以及

连接在第一求和器与陷波滤波器之间的第二求和器，第二求和器的输出与传感器相连以将同相通道、正交相位通道和加速度反馈环路输出信号之和的反馈信号施加在传感器上。

7．一种处理传感器输出信号以测量角速度和加速度的装置，其特征在于包含：

加速度计；

以频率为ω_D的振荡角速度信号驱动加速度计的抖动装置；

与加速度计相连以提供传感器输出信号的传感器敏感元件；

与传感器敏感元件相连的高通滤波器；

与高通滤波器相连的解调器，用来接收滤波的传感器信号并产生指示角速度的信号；以及

连接在传感器敏感元件输出与加速度计之间的反馈环路，反馈环路包括陷波滤波器，陷波滤波器用来去除抖动频率为ω_D的信号以使反馈环路不载带在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩的信号，从而使得传感器的相对运动作为角速度的直接量度，陷波滤波器产生指示加速度的信号。

8．一种处理Coriolis力传感器阵列输出的信号以测量围绕多根互相垂直轴的角速度和加速度的装置，其特征在于包含：

向传感器阵列施加驱动信号从而使其以频率ω_D抖动并产生以频率ω_D调制的电学传感器输出信号的装置；

用来接收指示传感器抖动角向运动的信号的抖动敏感元件；

相连的用来接收抖动敏感元件输出信号的第一多路复用器；

与多路复用器相连用来确定抖动速度的振幅和相位的装置，它包括：

与多路复用器相连的抖动余弦解调器；以及

与多路复用器相连的抖动正弦解调器；

产生与驱动信号同相的第一基准信号和与驱动信号相位正交的第二基准信号的装置；

与传感器阵列相连的第二多路复用器；

与第二多路复用器相连以顺序处理三根轴的传感器输出信号的传感器信号处理装置，传感器信号处理装置包括：

第一再平衡路径，它包括：

以第一基准信号解调传感器输出信号的同相解调器；

连接成处理同相解调器输出的信号以提供速度信号的第一伺服补偿器；以及

与第一伺服补偿器相连的同相二次调制器；

第二再平衡路径，它包括：

以第二基准信号解调传感器输出信号的正交相位解调器；

处理同相解调器输出的信号以提供指示传感器Coriolis加速度信号的第二伺服补偿器；以及

与第二伺服补偿器相连的正交相位二次再调制器；

加速度通道，它包括：

用来接收传感器信号并去除驱动信号中频率为ω_D的分量的陷波滤波器；

加速度通道伺服补偿器，连接成接收陷波滤波器传送的信号并产生指示沿选定输入轴的传感器加速度输入的加速度反馈信号；以及

算术逻辑单元连接成接收第一和第二再平衡路径和加速度通道输出的信号；以及

向传感器阵列施加传感器反馈信号以消除线性和Coriolis加速度对传感器影响的装置。

9．如权利要求8所述的向传感器阵列施加驱动信号的装置，其特征在于包括：

分别提供第一和第二基准信号作为cos(ω_Dt)和sin(ω_Dt)的查询表；

接收第一基准信号的余弦调制器；

接收第二基准信号的正弦调制器；

接收余弦和正弦调制器输出的信号并产生具有规定振幅和相位的求和器输出的求和器；以及

将求和器输出施加到传感器以抖动传感器的装置。

10．如权利要求8所述的装置，其特征在于进一步包括将抖动角速度调整到与查询表余弦波形输出同相的装置。

Images