CN1894558A - 借助转速科式陀螺测量转速/加速度的方法和实现该方法的科式陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种科式陀螺(1’)，具有第一和第二谐振器(70₁，70₂)，每个谐振器都采用包括第一和第二线性振荡器(3₁，3₂，4₁，4₂)的耦合系统的形式构成，其中，第一谐振器(70₁)与第二谐振器(70₂)被致使沿着公共振荡轴线(72)相对地进行振荡。本发明的耦合系统可同时测量转速和加速度，并且不敏感于干扰影响，例如外部或内部产生的振动。

Description

借助转速科式陀螺测量转速/加速度的方法 和实现该方法的科式陀螺

技术领域

本发明涉及使用转速科式陀螺测量加速度的方法，并且涉及一种适用于此目的的科式陀螺。

背景技术

科式陀螺(也被称为振动陀螺)正在越来越多地用于导航的目的。科式陀螺具有可被导致振荡的质量系统。每个质量系统通常具有大量的振荡模式，这些振荡模式初始时是互相独立的。为了操作科氏陀螺，质量系统的特定振荡模式由人工激励进行振荡，下文中称之为“激励振荡”。当振动陀螺被旋转时，出现科式力，所述科式力吸收来自质量系统的激励振荡的能量，并且传送该质量系统的另一振荡模式，下文中称之为“读出振荡”(readoscillation)。为了确定科式陀螺的旋转，读出振荡被分接(tap off)，相应的读出信号经估算以确定是否在读出振荡的振幅中出现任何变化，所述变化即表示对科式陀螺的旋转进行的测量。科式陀螺可采用开环系统和闭环系统的形式。在闭环系统中，读出振荡的振幅经由相应的控制回路被持续重设为固定值-优选为0，并且该重设的力被测量。

科式陀螺的质量系统(在下文中也被称为“谐振器”)在这种情况下可以采用很多不同的方式进行设计。例如，可使用整体质量系统。可替代地，可将质量系统分为两个振荡器，它们经由弹性系统相互耦合并且可实现相互的相对运动。高尺寸精度尤其可由线性双振荡器系统实现，该系统包括由两个线性振荡器组成的耦合系统。在双振荡器系统中，将两个线性振荡器相互耦合的弹性系统通常采用下述方式进行设计，即两个线性振荡器可被致使沿着第一振荡轴线振荡，在这种情况下，第二振荡器可额外地实现沿着第二振荡轴线的振荡，该轴线与第一振荡轴线成直角。第二振荡器沿着第二振荡轴线的运动在这种情况下可被认为是读出振荡，第一和第二振荡器沿着第一振荡轴线的运动可被认为是激励振荡。

线性双振荡器系统的缺点在于，两个线性振荡器沿着第一振荡轴线的振荡可导致陀螺框架的振动或者偏转。在这种情况下，“陀螺框架”应该被理解为机械的、非振荡的并且“嵌入”振荡器的结构，例如硅片的非振荡部分。陀螺框架中的振动或偏转又可导致对振荡器运动的干扰(例如阻尼效应)。例如，第一和第二线性振荡器沿着第一振荡轴线的振荡因此可被沿着第一振荡轴线作用的外部振动和加速所干扰。与此类似，作用在第二振荡轴线方向上的外部振动和加速会干扰第二线性振荡器沿着该振荡轴线的振荡，这-与上述所有其他的干扰影响完全相同-会导致测得的转速变差。

发明内容

本发明的目的是说明一种科式陀螺，借助该陀螺，读出振荡的任何干扰，也就是说，在第二振荡轴线上的第二线性振荡器的振荡的任何干扰，作为上述干扰影响的结果可被很大程度地避免。

为了实现上述目的，本发明提供了一种根据权利要求1所述的科式陀螺。而且，本发明提供了一种使用根据权利要求7所述的转速科式陀螺测量加速度/转速的方法。本发明的思想的有利改善和发展体现在从属权利要求中。

根据本发明的科式陀螺，具有第一和第二谐振器，每个谐振器都采用包括第一和第二线性振荡器的耦合系统的形式，所述第一谐振器机械地/静电地连接/耦合于所述第二谐振器，从而使所述两个谐振器能够沿着公共振荡轴线以相互反相的方式进行振荡。

因此，根据本发明的科式陀螺具有包括两个双振荡器系统(也就是说两个谐振器)或四个线性振荡器的质量系统。在这种情况下，两个谐振器相互的反相振荡会导致质量系统的重心保持固定，如果这两个谐振器设计适当的话。这将使质量系统的振荡不能产生任何外部的振动，该振动又会依次导致衰减/偏转形式的干扰。而且，在公共振荡轴线方向上的外部振动和加速不会影响两个谐振器沿着公共振荡轴线的反相运动。

第一谐振器可耦合于第二谐振器，例如经由将第一谐振器连接于第二谐振器的弹性系统。还有的可行方案是将第一谐振器经由静电场连接于第二谐振器。这两种类型的耦合可单独或结合使用。例如，两个谐振器可足以形成在公共基板上，从而使机械耦合由机械连接所替代，该连接本身由公共基板提供。

第一和第二谐振器的设置优选地在质量和形状方面是相同的。在这种情况下，两个谐振器可相对于与所述公共振荡轴线成直角的对称轴线布置成相互轴向对称，也就是说，第一谐振器通过对称轴映射至第二谐振器上。不过，本发明并不局限于此，两个谐振器具有相同的质量但是设计成不同的形状就足够了。

如已经描述的，耦合谐振器被设计成谐振器的两个线性振荡器可沿着第一振荡轴线以反相进行振荡(激励振荡)，并且第二线性振荡器可额外地被导致沿着第二振荡轴线振荡(读出振荡)。如果第一和第二振荡轴相互成直角，并且两个谐振器被致使沿着第一振荡轴线(公共振荡轴线)相互反相地进行振荡，那么第二振荡器在科式陀螺旋转期间在相反方向上被偏转(反相偏转)，同时，相反，在科式陀螺的加速期间，第二线性振荡器沿相同的方向被偏转(同相偏转)。因此，可选择性地测量加速度或转速。加速度通过对同相振荡的估算而进行测量，转速通过对反相振荡的估算而进行测量。在下文中，术语“同相”和“反相”具有下述意思：如果在激励方向上的坐标轴被标为x，在读出方向上的坐标轴被标为y，那么对于同相振荡，x₁＝x₂、y₁＝y₂，对于反相振荡，x₁＝-x₂、y₁＝-y₂(在这种情况下，下标“1”表示第一振荡器，下标“2”表示第二振荡器)。

出于该原因，本发明提供了一种选择性地或同时地测量转速和加速度的方法。该方法使用转速科式陀螺，所述陀螺具有第一和第二谐振器，所述谐振器的每个采用包括第一和第二线性振荡器的耦合系统的形式，其中有待确定的转速通过对所述第二振荡器的偏转进行分接和估算而得以确定。该方法具有下述步骤：

-所述两个谐振器被致使沿着公共振荡轴线以相互反相的方式进行振荡，

-所述第二振荡器的偏转被相互比较，从而确定作为对所述有待测量的转速进行的测量的反相偏转分量和/或从而确定作为对所述有待测量的加速度进行的测量的公共同相偏转分量，

-根据所述同相偏转分量/反相偏转分量计算所述有待测量的转速/加速度。

公共同相偏转分量有利地如下确定：确定在所述第一谐振器(70₁)中发生的第一正交偏差(quadrature bias)，和在所述第二谐振器(70₂)中发生的第二正交偏差。所述第一和第二正交偏差随后被加和减从而确定公共正交偏差分量(同相分量)和差值正交偏差分量(反相分量)。该公共正交偏差分量与有待测量的加速度成比例并且对应于所述公共同相偏转分量。该差值正交偏差分量(差值)对应于反相偏转分量。转速因此可经由差值正交偏差分量被同时测量为加速度。

为了帮助理解上述加速度测量原理，将在下文使用线性双振荡系统的实例再次简要说明科式陀螺的物理原理。

通常，科式陀螺具有正交偏差，也就是说，零误差。正交分量在这种情况下包括多个正交偏差分量。这些正交偏差分量之一由第一和第二线性振荡器彼此的对齐误差造成，由于生产公差的原因，这些对齐误差是不可避免的。两个振荡器之间的对齐误差在测得转速信号中产生零误差。

科式力可表示如下：

$\stackrel{\→}{F}=2m{\stackrel{\→}{v}}_{s}x\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}---\left[1\right]$

科式力m振荡器质量

振荡器速度

转速

如果对科式力作出反作用的质量等于振荡质量，如果振荡器在固有频率ω下操作，那么：

$2m{\stackrel{\→}{v}}_{s}x\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}=m{\stackrel{\→}{a}}_c---\left[2\right]$

振荡器速度由下式给出：

${\stackrel{\→}{v}}_s={\stackrel{\→}{v}}_{s0}\sin \mathrm{\ωt}---\left[3\right]$

其中

振荡器幅值

ω振荡器的固有频率

振荡器和科式加速度因此由下式给出：

${\stackrel{\→}{a}}_s={\stackrel{\→}{v}}_{s0}\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ωt}$

${\stackrel{\→}{a}}_c=2{\stackrel{\→}{v}}_{s0}\sin \mathrm{\ωt}\×\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}---\left[4\right]$

因此，两个加速度矢量在空间上相互成直角并且在时间函数中相互偏移90°(空间和时间正交性)。

使用这两种标准从而将振荡器加速度

与科式加速度

分离开。上述加速幅值a_c和a_s的比率为：

$\frac{a_c}{a_s}=\frac{2\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\ω}}---\left[5\right]$

如果转速为Ω＝5°/h并且振荡器的固有频率为f_s＝10KHz，那么：

$\frac{a_c}{a_s}=7.7\·{10}^{-10}---\left[6\right]$

对于5°/h，第一振荡器与第二振荡器的不理想的耦合不能超过7.7·10^-10，或者必须保持恒定为该值。如果使用包括两个线性振荡器的质量系统，所述振荡器经由弹性件相互耦合，那么空间正交性的精度将被限制，因为在振荡模式与测量模式之间的弹性元件存在对齐误差。可获得的精度(受制造公差限制)为10^-3至10^-4。时间正交性的精度由电子元件的相位精度限制为例如10KHz，其精度同样地仅按照至多10^-3至10^-4。这意味着上述加速度比值无法被满足。

实际上，测得加速度比值 为：

空间误差导致所谓的正交偏差B_Q，该偏置又与时间相位误差Δ_共同导致偏差B：

B_Q＝6.5·10⁶°/h至6.5·10⁵°/h

Δ_＝10^-3至10^-4

B＝B_Q·Δ_＝6,500°/h至65°/h        [8]

因此，正交偏差造成对测量精度的主要限制。在这种情况下，应该注意，上述误差分析仅考虑振荡模式对读出模式的直接耦合。其他正交偏差分量也例如由于与其他振荡模式的耦合而存在和发生。

如果科式陀螺设计成使得第一振荡器通过第一弹性元件连接于科式陀螺的陀螺框架，并且第二振荡器在每种情况下通过第二弹性元件连接于第一振荡器之一，那么有待测量的加速度将导致第一振荡器相对于第二振荡器的相互对齐的变化，并且这尤其在第二弹性元件的对齐的变化中表现出来。在这种情况下，第二弹性元件的对齐变化产生“人工”正交偏差分量，也就是说，正交偏差信号中的“误差”。因此，可不直接使用正交偏差的确定值推断有待测量的加速度，这会产生对应的“人工”正交偏差分量。

第一和第二弹性元件的对齐优选地相互成直角。弹性元件可以具有任何理想的形状。

术语“第一正交偏差”和“第二正交偏差”在每种情况下优选地表示谐振器的总正交偏差。不过，也可在根据本发明的加速度测量方法中确定在每个谐振器中的仅一个正交偏差分量，在这种情况下，所确定的正交偏差分量必须包括至少由有待测量的加速度或有待测量的转速产生的分量。

科式陀螺优选地具有用于确定第一转速和在第一谐振器中发生的正交偏差信号以及第二转速和在第二谐振器中发生的正交偏差信号的装置。而且，科式陀螺可具有一种产生静电场的装置，借助该装置，能够改变所述第一弹性元件相对于所述陀螺框架的对齐角(alignment angle)，和/或能够改变所述第二弹性元件相对于所述第一振荡器的对齐角。静电场的对齐/强度可随后通过设置适当的控制回路而进行调节，从而使得第一和第二正交偏差在每种情况下尽可能地小。计算单元可使用第一和第二转速/正交偏差信号确定所述转速，并且使用补偿第一和第二正交偏差的静电场的同相分量，从而推断有待测量的加速度。

正交偏差因此优选地在其本身起始点处被消除，也就是说，两个振荡器相互之间的机械对齐误差以及由有待测量的加速度/转速造成的两个振荡器的相互对齐的变化借助作用在一个或两个振荡器上并且由静电场产生的静电力进行补偿。这种类型的正交偏差补偿具有下述优点，即，转速和加速度能够以增加的测量精度进行确定。

在一项特定优选实施例中，电场改变第一和第二弹性元件的对齐角，从而使第一和第二弹性元件以相互正交的方式对齐。诸如此类的正交化导致对由这种方式产生的正交偏差(分量)进行补偿。对于正交偏差的其他作用被用来设定相对于正交性的误差角，从而使整个正交偏差消失。第二弹性元件相对于第一振荡器的对齐角优选地借助静电场进行改变，第一弹性元件相对于科式陀螺的陀螺框架的对齐角没有发生变化。不过，也可使用静电场从而只改变第一弹性元件的对齐角，或改变第一和第二弹性元件二者的对齐角。

根据本发明的科式陀螺的一项特定优选实施例具有：

-(“整体”)谐振器，其采用包括两个被耦合的第一(线性)振荡器(“子振荡器”)的系统的形式，所述振荡器被反相激励并且每个都包含第二线性读出振荡器，

-一种产生至少一个静电场的装置，借助该装置，能够改变两个耦合的第一振荡器相对于第二(读出)振荡器对齐。

-一种确定读出振荡器的正交偏差的装置，所述偏差由两个振荡器相对于激励振荡器和其他耦合机构的对齐误差所导致，

-控制回路，该回路在每种情况下借助至少一个对应控制信号调节至少一个静电场的强度，从而使所确定的正交偏差尽可能小，以及

-计算单元，该单元在每种情况下形成至少一个控制信号的差值和总和，并且使用它们确定转速和加速度。

在原理上，可仅根据所确定的正交偏差计算加速度和转速，也就是说，并不绝对必须补偿第一和第二正交偏差从而确定正交偏差。不过，对于测量精度的问题来说这是有益的，因为相位公差会导致转速和正交偏差相互混合。本发明覆盖了上述两种备选方案。

也已经发现，每个第二振荡器“在一端处”连接于或者夹至谐振器中的第一振荡器是有利的。“夹至一端处”在这种情况下不仅可以理解为字面的意思也可理解为普通的含义。通常，连接或者夹至“一端处”表示力从第一振荡器基本上从第一振荡器的一“侧”导入第二振荡器。如果，例如，振荡器系统将设计成使得第二振荡器与第一振荡器邻接并且借助第二弹性元件与第一振荡器连接，那么术语“夹至或者连接于一端处”将表示下述含义，第二振荡器通过第一振荡器被重新调整以进行运动，通过第一振荡器借助第二弹性元件可选择地“推”或“拉”第二振荡器。

在一端处将第二振荡器夹于第一振荡器具有下述优势，当静电力由于由此导致的第二振荡器的对齐/位置变化而施加于第二振荡器，第二弹性元件可被轻微地弯曲，因此可毫无问题地改变第二弹性元件的对应对齐角。如果在该实例中的第二振荡器以下述方式连接于其他第二弹性元件，即在第一振荡器的运动期间第二振荡器同时被第二弹性元件“拉”或“推”，那么这将相当于第二振荡器“在两端处”夹至或连接于第一振荡器(在力从第一振荡器的两个相对端导入第二振荡器的情况下)。在这种情况下，当施加静电场时，其他第二弹性元件将产生对应的相对力，从而只能困难地获得第二弹性元件的对齐角度的改变。不过，夹在两端处在下述情况下是可接受的，即当其他的第二弹性元件设计成使得这些弹性元件的影响较小，以使得所有的弹性元件也可在这种情况下毫无问题地弯曲，也就是说，夹在一端处是有效的。根据振荡器结构的设计，夹在一端处可优选地仅通过额外第二弹性元件的40％或更少的“作用”(力的导入)而提供。不过，该值并不表示任何对本发明的限制，第二弹性元件超过40％的影响也是可行的。例如，夹在一端处可通过将第二振荡器连接于平行布置的并且相互在相同平面上的第一振荡器的所有第二弹性元件而实现。第二弹性元件的所有开始和结束点在每种情况下都连接于第一和第二振荡器的相同端部。第二弹性元件的开始和结束点在这种情况下可有利地在同一轴线上，所述轴线与第二弹性元件成直角相交。

如果第二振荡器在一端处连接于或夹在第一振荡器上，那么第一弹性元件优选地设计成使得它们将第一振荡器在两端处夹在陀螺框架上(术语“在一端处”和“在两端处”可类似地使用于此)。不过，作为备选方案，弹性元件也可设计成使得它们在一端处夹至第一振荡器。例如，所有的将第一振荡器连接于科式陀螺的陀螺框架的第一弹性元件可相互平行布置并且处于同一平面上，在每种情况下，第一弹性元件的开始和结束点优选地位于同一轴上。弹性元件同样可以设计成使得第一振荡器在一端处夹在陀螺框架上，第二振荡器在两端处被第一振荡器夹上。两个振荡器也可夹在两端处上。对于正交偏差补偿来说，有利的是，两个振荡器的至少一个夹在一端处。

附图说明

本发明将在下文参照附图中的示例性实施例进行详细的说明，其中：

图1示出了质量系统的一项可能的实施例，其包括两个线性振荡器，并带有用于激励第一振荡器的对应控制回路；

图2示出了质量系统的一项可能的实施例，其包括两个线性振荡器，并带有对于转速Ω和正交偏差B_Q的对应测量和控制回路，以及对于正交偏差B_Q进行补偿的辅助控制回路；

图3示出了根据本发明的质量系统的概要示意图，其包括四个线性振荡器，并带有对于转速Ω和正交偏差B_Q的对应测量和控制回路，以及对于正交偏差B_Q进行补偿的辅助控制回路；

图4示出了图3所示的控制系统的一项优选实施例。

具体实施方式

图1示出了具有对应电极的线性双振荡器1的概要设计，以及相关估算/激励电极2的方框图。线性双振荡器1优选地由硅片借助蚀刻过程制成，并且具有第一线性振荡器3、第二线性振荡器4、第一弹性元件5₁至5₄，第二弹性元件6₁和6₂以及中间框架7₁和7₂和陀螺框架7₃和7₄部件。第二振荡器4安装在第一振荡器3中，从而使其能够振荡，并且经由第二弹性元件6₁和6₂与其进行连接。第一振荡器3借助第一弹性元件5₁至5₄和中间框架7₁、7₂连接于陀螺框架7₃、7₄。

而且，设置有第一激励电极8₁至8₄、第一读出电极9₁至9₄、第二激励电极10₁至10₄以及第二读出电极11₁和11₂。所有的电极机械连接于陀螺框架并且被电气隔离。术语“陀螺框架”表示“嵌入”有振荡器的机械、非振荡的结构，例如硅片的非振荡部分。

如果第一振荡器3借助第一激励电极8₁至8₄激励以在X1方向上振荡，那么该运动将通过第二弹性元件6₁和6₂传送至第二振荡器4(交替“拉”和“推”)。第一弹性元件5₁至5₄的垂直对齐可阻止第一振荡器3在X2方向上运动。不过，垂直振荡可作为第二弹性元件6₁和6₂的水平对齐的结果通过第二振荡器4实现。当对应的科式力由此产生时，那么第二振荡器4被激励以在X2方向上振荡。

从第一读出电极9₁至9₄读出并且与第一振荡器3的X1运动的振幅/频率成比例的读出信号经由适当的放大器元件21、22和23输送至模拟/数字转换器24。来自模拟/数字转换器24的适当数字化的输出信号不仅由第一解调器25而且由第二解调器26进行解调，从而形成对应的输出信号，这两个解调器相互以90°的偏移量进行操作。第一解调器25的输出信号被输入第一调节器27，从而调节激励振荡的频率(质量系统1在X1方向上的振荡)，其输出信号控制频率发生器30，从而使从解调器25下游出现的信号被调节为零。与此类似，第二解调器26的输出信号被调节为恒定值，该值是由电子元件29预定的。第二调节器31确保激励振荡的幅值被调节。频率发生器30和幅值调节器31的各输出信号借助乘法器32彼此相乘。乘法器32的输出信号不仅作用在第一力/电压转换器33上而且作用在第二力/电压转换器34上，该输出信号与施加于第一激励电极8₁至8₄的力成比例，所述转换器使用数字力信号产生数字电压信号。力/电压转换器33、34的数字输出信号经由第一和第二数字/模拟转换器35、36被转换至对应的模拟电压信号，所述信号随后被传送至第一激励电极8₁至8₄。第一调节器27和第二调节器31重新调整第一振荡器3的固有频率，并且将激励振荡的幅值设定为特定的、可预定的值。

当产生科式力时，由该力产生的第二振荡器4在X2方向上的运动(读出振荡)由第二读出电极11₁和11₂检测到，并且与读出振荡的运动成比例的读出信号经由适当的放大器元件40、41和42供给至模拟/数字转换器43(见图2)。模拟/数字转换器43的数字输出信号由第三解调器44与直流偏置信号同相地进行解调，并且由第四解调器45解调，偏移量为90°。第一解调器44的对应输出信号被应用于第三调节器46，其输出信号是补偿信号并且对应于有待测量的转速Ω。第四调制器45的输出信号被应用于第四调节器47，其输出信号是补偿信号并且与有待补偿的正交偏差成正比。第三调节器的输出信号借助第一调制器48进行调制，并且第四调节器47的输出信号以与此类似的方式借助第二调制器49进行调制，从而产生幅值调节信号，其频率对应于X1方向上的振荡的固有频率

调制器48、49的对应输出信号被加入加法阶段50，其输出信号被供给至第三力/电压转换器51和第四力/电压转换器52。对于力/电压转换器51、52的对应输出信号被供给至数字/模拟转换器53、54，其模拟输出信号被输出至第二激励电极10₂至10₃，并且重新设定第二振荡器4的振荡幅值。

由第二激励电极10₁至10₄产生的静电场(或由电极对10₁、10₃和10₂、10₄产生的两个静电场)会导致第二振荡器4在X2方向上的对齐/位置变化，因此会导致第二弹性元件6₁和6₂的对齐发生变化。第四调节器47调节输入于第二激励电极10₁至10₄的信号，以使得包含在第四调节器47的补偿信号中的正交偏差尽可能小，或者消失。第五调节器55、第五和第六力/电压转换器56、57以及两个模拟/数字转换器58、59被用于此目的。

第四调节器47的输出信号作为正交偏差的测量值，该信号被供给至第五调节器55，该调节器调节由两个激励电极10₁和10₄产生的静电场，从而使正交偏差B_Q消失。为此目的，第五调节器55的输出信号在每种情况下都被供给至第五和第六力/电压转换器56、57，所述转换器使用第五调节器的数字力/输出信号产生数字电压信号。这些信号随后被转换为模拟/数字转换器58、59中的模拟电压信号。模拟/数字转换器58的模拟输出信号被供给至第二激励电极10₁或者可替代地供给至11₁。模拟/数字转换器59的模拟输出信号被供给至第二激励电极10₄或者可替代地供给至11₂。

由于第二振荡器4仅由第二弹性元件6₁至6₂夹住(在一端处夹住)，所以这些弹性元件的对齐与否可由静电场毫无问题地进行变化。也可提供额外的第二弹性元件，以使第二振荡器4夹在两端处，假设这些额外的弹性元件被设计成适当地确保一端的夹紧是有效获得的。为了允许弹性元件5₁、5₂以及弹性元件5₃、5₄的相同效果，第三和第四弹性元件5₃、5₄以及第一和第二弹性元件5₃、5₄可被忽略，因此导致第一振荡器3被夹在一端处(与未在这里示出的适当改进电极结构一起)。在诸如此类的情况下，第二振荡器4也可借助其他弹性元件连接于第一振荡器，从而实现在两端处的夹住。

根据本发明的科式陀螺的一项优选实施例和其操作方法将在下文参照图3进行更详细地说明。

图3示出了耦合系统1’的示意性布局，包括第一谐振器70₁和第二谐振器70₂。第一谐振器70₁借助机械连接元件71即弹簧耦合于第二谐振器70₂。第一和第二谐振器70₁、70₂形成在共同的基板上并且可被导致沿着公共振荡轴线72以相对相位的方式振荡。第一和第二谐振器70₁、70₂是相同的，并且经由对称轴73相互映射。第一和第二谐振器70₁、70₂的设计已经结合图1和2进行了说明，因此在此将不再解释；相同或相互对应的元件或元件组由相同的附图标记进行标示，与不同谐振器相关联的相同元件由不同的标记进行标示。

图3所示的双振荡器与图1和2所示的双振荡器之间的一个主要差别为一些单独电极被物理结合以形成整体电极。例如，图3中由附图标记8₁、8₂、9₁和9₂标示的各个电极因此形成共同电极。而且，由附图标记8₃、8₄、9₃和9₄标示的各个电极形成共同电极，并且那些由附图标记10₄、10₂、11₂标示的以及由附图标记11₁、10₃、10₁标示的电极每个都形成整体电极。相同的设置以类似的方式应用于其他双振荡器系统。

在根据本发明的耦合系统1’的操作期间，两个谐振器70₁、70₂沿着公共振荡轴线72反向地进行振荡。因此，耦合系统1’对外部干扰或者由耦合系统1’本身向安装有谐振器70₁、70₂的基板发射的干扰是不敏感的。

当耦合系统1’被旋转时，随后第二振荡器4₁和4₂以相互相对的方向偏转(在X2方向上以及与X2方向相反的方向上)。当耦合系统1’产生加速时，然后第二振荡器4₁和4₂相互以相同的方向偏转，具体地说，在与加速的相同方向上，假设该加速在X2方向上，或者在与其相反的方向上。加速和旋转因此可被同时或选择性地测量。正交偏差补偿可在测量过程期间在谐振器70₁、70₂中同时进行。不过，这不是绝对重要的。

在原理上，也根据图1和2所述的估算/激励电极2操作耦合系统1’。不过，可使用备选方法(载波方法)代替图3所示的实施例中的该方法。该操作方法将在下文中进行说明。

由附图标记2’标示的估算/激励电极2具有三个控制回路：用于沿公共振荡轴线72激励和/或控制第一振荡器3₁和3₂的反相振荡的第一控制回路，用于重设和补偿第二振荡器4₁沿X2方向的振荡的第二控制回路，以及用于重设和补偿第二振荡器4₂沿X2方向的振荡的控制回路。上述三个控制回路具有放大器60、模拟/数字转换器61、信号分离模块62、第一至第三解调模块63₁至63₃、控制模块64、电极电压计算模块65、载波频率加入模块67和第一至第六数字/模拟转换器66₁至66₆。

载波频率可应用于电极8₁至8₈、9₁至9₈、10₁至10₈和11₁至11₄，以采用多种方式分接第二振荡器4₁、4₂的反相振荡或振荡的激励：a)使用三种不同的频率，一个频率与每个控制回路相关联，b)由时分多工传输方法采用方波信号，或者c)使用随机相位扰频(随机调制方法)。载波频率经由相关信号UyAo、UyAu(对于第二振荡器4₁)和Uxl、Uxr(对于第一振荡器3₁至3₂的反向谐振)以及UyBu和UyBo(对于第二振荡器4₂)应用于电极8₁至8₈、9₁至9₈、10₁至10₈和11₁至11₄，其产生于载波频率加入模块67并且以与上述频率信号相反的相位进行激励。第一和第二振荡器3₁、3₂、4₁和4₂的振荡经由陀螺框架由附图标记7₇、7₉、7₁₁和7₁₃标示的那些部分被分接，在这种情况下，除了作为质量系统的悬挂点之外，还额外地用作分接电极。为此目的，两个谐振器70₁、70₂优选地且有利地设计为可导电的，具有所有的框架、弹簧和连接。借助陀螺框架7₇、7₉、7₁₁和7₁₃分接并且供给至放大器60的信号包含所有三种振荡模式的信息，并且由模拟/数字转换器61转换为供给至信号分离模块62的数字信号。被组合的信号在信号分离模块62种被分离为三种不同的信号：X(包含关于反相振荡的信息)、yA(包含关于第二振荡器4₁的偏转的信息)，以及yB(包含关于第二振荡器4₂的偏转的信息)。这些信号根据所使用的载波频率方法的类型(见上述a)至c))进行不同的分离，并且该分离通过与所使用的载波频率方法的对应信号进行的调制。信号x、yA和yB被供给至解调模块63₁至63₃，所述模块使用对应于0°和90°的反相振荡的操作频率对信号进行调制。用于对信号Fxl/r或Uxl/r进行调节/计算的控制模块64以及电极电压计算模块65分别优选地设置成类似图1所示的电子模块2。用于对信号FyAo/u或UyAo/u和FyBo/u或UyBo/u进行调节/计算的控制模块64以及电极电压计算模块65优选地设计成类似图2所示的电子模块2。

图4示出由图3种的附图标记64标示的控制系统的一项优选实施例。控制系统64具有第一至第三部分64₁至64₃。第一部分64₁具有第一调节器80、频率发生器81、第二调节器82、电子元件83、加法阶段84和乘法器85。第一部分的操作方法基本上对应于图1所示的电子模块2的操作方法，因此将不在此进行说明。第二部分64₂具有第一调节器90、第一调制器91、第二调节器92、第二调制器93和第三调节器94。也设置有第一和第二加法阶段95、96。转速信号Ω可在第一调节器90的输出处确定，并且包括正交偏差B_Q和加速度A的组合信号可在第三调节器94的输出处确定。控制系统64的第三部分64₃具有第一调节器100、第一调制器101、第二调节器102、第二调制器103和第三调节器104。也设置有第一和第二加法阶段105、106。具有负数学符号的转速信号Ω可在第一调节器100的输出处被分接，包括具有负数学符号的正交偏差B_Q和加速度信号A的组合信号可在第三调节器104的输出处被分接。第二和第三部件64₂和64₃的操作方法对应于图2所示的电子模块2的操作方法，在这里不再骜述。

只有在与操作频率乘积之后的用于重设转速和正交偏差的信号与用于正交辅助调节器的DC电压共同传递至组合电极对。因此，两个信号被叠加，从而使电极电压的计算包括用于振荡频率的重设信号和用于正交调节的DC信号。采用这种方式计算的电极电压Uxl/r、UyAo/u和UyBo/u然后被加入至载波频率信号，并且将由模拟/数字转换器66₁至66₆联合地传输至电极。

上述具有反相激励的载波频率方法的优势在于，只在线性振荡器3₁、3₂以及4₁和4₂被偏转时，信号被应用于放大器60。用于激励的频率信号可以是离散频率或者方波信号。方波激励是优选的，因为其更易于产生和处理。

下面将说明多个与根据本发明的加速测量方法的测量精度有关的分析。

转速导致科式陀螺的操作频率下的振荡器4₁和4₂的反相偏转；相反，加速度会导致振荡器4₁和4₂的同相偏转，在这种情况下，加速度可在0Hz至大约500Hz的频率范围内、以50mg至50μg的测量精度进行测量。

有待测量的同相偏转如下给出：

$\mathrm{\α}=\frac{a}{l{\·\mathrm{\ω}}^2}$

α偏转角

a加速度

l弹簧长度

ω振荡器4₁至4₂的固有频率

对于典型的固有频率ω＝2*nf＝6000rad/s至60000rad/s以及弹簧长度为l＝1mm的科式陀螺，测量的精度例如5mg为：

α＝1.4*10^-6至1.4*10^-8rad或者x₂＝x₁＝1.4nm至14pm。

诸如这些值的小偏转难于在0至500Hz的频率范围内测量。至少，这需要对根据本发明的多重传感器添加额外的电子复杂度，因为电子元件必需在从1至10kHz的陀螺功能的操作范围(转速测量)和从0至500Hz的加速度测量的操作范围内进行非常精确地测量。

这一缺点可根据本发明采用上述正交调节而得以克服，对于包括两个线性振荡器的质量系统(图1和2)和包括四个线性振荡器的质量系统(图3)来说：加速度解调正交性误差，因此导致在振荡器4₁和4₂中操作频率下的同相正交信号，该信号清楚可见：

${\mathrm{\Ω}}_Q=\frac{a_Q}{a_S}\·\frac{\mathrm{\ω}}{2}=\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\ω}}{2}$

在这种情况下，Ω_Q是正交转速，α_Q是正交加速度，α_S是振荡加速度。

对于例如5mg的测量精度(α＝1.4.10^-6rad)，这会导致：

在1kHz的固有频率下

在10kHz的固有频率下

对于5°/h的转速传感器，866°/h的正交转速可使用相同的电子元件而被确定地验证，相反，在10kHz的固有频率下以及8.7°/h的正交转速下，5°/h的转速传感器的验证极限基本上被用尽。虽然该测量在长期中也是稳定的，但是其取决于正交转速的长期稳定性。实际正交转速是反相信号。因此，加速度测量的稳定性取决于从振荡器4₁至振荡器4₂的正交转速的差异，和它们的稳定性。

由于两个振荡器相互靠近并且在一个生产步骤中制造，所以可预期其可覆盖从5mg至50μg的低精度的范围。

Claims (9)

1、一种科式陀螺(1’)，具有第一和第二谐振器(70₁，70₂)，每个谐振器都采用包括第一和第二线性振荡器(3₁，3₂，4₁，4₂)的耦合系统的形式，所述第一谐振器(70₁)机械地/静电地连接/耦合于所述第二谐振器(70₂)，使得所述两个谐振器可被导致沿着公共振荡轴线(72)以相互反相的方式进行振荡。

2、根据权利要求1所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述第一和第二谐振器(70₁、70₂)的构型是相同的，所述谐振器(70₁、70₂)相对于与所述公共振荡轴线(72)成直角的对称轴线(73)布置成相互轴向对称。

3、根据权利要求1或2所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述第一振荡器(3₁，3₂)借助第一弹性元件(5₁-5₈)连接至所述科式陀螺的陀螺框架(7₁-7₁₄)，所述第二振荡器(4₁，4₂)的每个通过第二弹性元件(6₁-6₄)连接至所述第一振荡器(3₁，3₂)中的一个。

4、根据权利要求3所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述第二振荡器(4₁，4₂)借助所述第二弹性元件(6₁-6₄)在一端处连接至/夹至所述第一振荡器(3₁，3₂)和/或所述第一振荡器(3₁，3₂)借助所述第一弹性元件(5₁-5₈)在一端处连接至/夹至所述科式陀螺的陀螺框架。

5、根据权利要求3或4所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，具有一种用于产生静电场的装置，借助该装置，能够改变所述第一弹性元件(5₁-5₈)相对于所述陀螺框架的对齐角，和/或能够改变所述第二弹性元件(6₁-6₄)相对于所述第一振荡器(3₁，3₂)的对齐角。

6、根据权利要求5所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，

-装置(10₁-10₈，11₁-11₄)，借助该装置，能够确定关于转速和正交偏差的第一信号，所述信号在所述第一谐振器(70₁)中发生，以及关于转速和正交偏差的第二信号，所述信号在所述第二谐振器(70₂)中发生，

-控制回路(60-67)，借助该回路，所述静电场的对齐/强度被调节从而使所述第一和第二正交偏差的每个尽可能小，以及

-计算单元，该单元使用所述第一和第二信号确定所述转速，并且使用补偿所述第一和第二正交偏差的所述静电场的同相分量以确定有待测量的加速度。

7、一种使用转速科式陀螺(1’)选择性地或同时地测量转速和加速度的方法，所述陀螺具有第一和第二谐振器(70₁、70₂)，所述谐振器的每个采用包括第一和第二线性振荡器(3₁，3₂，4₁，4₂)的耦合系统的形式，所述转速通过对所述第二振荡器(4₁，4₂)的偏转进行分接和估算而得以确定，该方法具有下述步骤：

-所述两个谐振器(70₁、70₂)被致使沿着公共振荡轴线(72)以相互反相的方式进行振荡，

-所述第二振荡器(4₁，4₂)的偏转被相互比较，从而确定作为所述有待测量的转速的测量值的反相偏转分量和/或从而确定作为所述有待测量的加速度的测量值的公共同相偏转分量，

-根据所述同相偏转分量/反相偏转分量计算所述有待测量的转速/加速度。

8、根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，所述公共同相偏转分量如下确定：

-确定在所述第一谐振器(70₁)中发生的第一正交偏差，

-确定在所述第二谐振器(70₂)中发生的第二正交偏差，

-所述第一正交偏差使用所述第二正交偏差进行计算，从而确定与有待测量的加速度成比例并且表示所述公共同相偏转分量的公共正交偏差分量。

9、根据权利要求8所述的方法，

其特征在于，产生所述静电场从而改变所述第一和第二振荡器(3₁，3₂，4₁，4₂)的相互对齐，并且所述静电场的对齐/强度被调节从而使所述第一和第二正交偏差的每个尽可能地小。

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