DE69836651T2

DE69836651T2 - Vibrierender Drehsensor mit Wechselstrom-Drehmomenterzeugungs- und geberelektronik

Info

Publication number: DE69836651T2
Application number: DE69836651T
Authority: DE
Inventors: Lalit Santa Barbara Kumar; Michael J. Goleta Foster; Thomas A. Goleta Bittner
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: EP0866310A3; CA2229965A1; EP0866310A2; DE69836651D1; EP0866310B1; JP3002663B2; JPH10274533A; US5850041A

Description

Der Gegenstand dieser Erfindung ist geteilt bzw. gemeinsam genutzt durch die Erfindungen, die offenbart sind in den Patentanmeldungen wie Vibratory Rotation Sensor with Multiplex Electronics von Matthews, Darling und Varty, Vibratiory Rotation Sensor with Whole-Angle Tracking von Matthews, Varty, Li und Lynch, und Vibratory Rotation Sensor with AC-Driving Voltages von Lynch.
Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Vibrations-Rotations-Sensoren bzw. Vibrations-Drehsensoren und spezieller auf die Elektronik, die mit solchen Rotationssensoren assoziiert ist.
Ein Vibrations-Drehsensor (Vibratory rotation sensor, VRS) 10 nach dem Stand der Technik, der ein äußeres Glied 12, einen hemisphärischen Resonator 14 und ein inneres Glied 16 aufweist, die alle aus geschmolzenem Quarz hergestellt sind und miteinander verbunden sind, mit Indium ist in 1 nicht zusammengebaut gezeigt. Das trägheitsempfindliche Element ist der dünnwandige hemisphärische Resonator 14 mit 5,8 cm Durchmesser, der zwischen dem äußeren Glied 12 und dem inneren Glied 16 positioniert und durch den Stab 26 unterstützt ist.
Eine ringförmige Kraftelektrode (forcer electrode) 20 und sechzehn diskrete Kraftelektroden 22 sind an die Innenoberfläche des äußeren Gliedes 12 geklebt bzw. geschweißt (bonded). In dem zusammengebauten VRS 10 sind die ringförmige Kraftelektrode 20 und die sechzehn diskreten Kraftelektroden 22 in enger Nachbarschaft zu der äußeren metallisierten Oberfläche 32 des hemisphärischen Resonators 14. In dem zusammengesetzten VRS sind acht Abgreif- bzw. Aufnahmeelektroden 24 die an dem inneren Glied 16 befestigt sind, in enger Nachbarschaft zu der inneren metallisierten Oberfläche 30 des hemisphärischen Resonators 14.
Kapazitive Kräfte können auf den hemisphärischen Resonator 14 ausgeübt werden mittels geeigneter Kraftspannungen zwischen dem hemisphärischen Resonator 14 und der ringförmigen Kraftelektrode 20 um zu verursachen, dass der hemisphärische Resonator in dem undehnbaren (inextensional) (oder durchbiegenden bzw. flexing) Modus mit niedrigster Ordnung vibriert. Eine stehende Welle wird hergestellt, die vier Schwingungsbäuche bzw. Gegenknoten (antinodes) bei 90 Grad Intervallen um den Umfang herum besitzt, wobei vier Knoten um 45 Grad von den Gegenknoten versetzt sind. Die 0-Grad und 180-Grad Gegenknoten sind 90 Grad Phasen verschoben mit den 90-Grad und den 270-Grad-Gegenknoten. Die stehende Welle verursacht, dass die Form der Kante bzw. des Randes des hemisphärischen Resonators sich von kreisförmig zu elliptisch (mit Hauptachsen durch die 0-Grad-/180-Grad-Gegenknoten) zu kreisförmig zu elliptisch mit Hauptachsen (durch die 90-Grad- bzw. 270-Grad-Gegenknoten) ändert.
Drehung bzw. Rotation des VRS 10 um eine Achse senkrecht zu der Achse des hemisphärischen Resonatorrandes 34 verursacht dass die stehende Welle sich in der entgegengesetzten Richtung dreht und zwar um einen Winkel, der proportional zu dem Winkel der Drehung des VRS 10 ist. Somit kann man durch Messen des Drehwinkels der stehenden Welle mit Bezug auf den VRS 10 den Drehwinkel des VRS 10 bestimmen.
Der Vibrationsmodus des hemisphärischen Resonators 14 wird angeregt durch Anlegen einer Gleichstrom-(DC)-Vorspannungsspannung an den hemisphärischen Resonator 14 und einer Wechselstrom-(AC)-Spannung an die ringförmige Kraftelektrode 20 wobei die Frequenz der AC-Spannung bzw. Wechselspannung das zweifache der Resonanzfrequenz des hemisphärischen Resonators 14 beträgt.
Der Stehwellenmusterwinkel mit Bezug auf den VRS 10 wird bestimmt durch Messen der Ausgangsspannungen bei den Abgreifelektroden 24, mit sehr hoher Impedanz (≈ konstante Ladung) wenn der hemisphärische Resonator 14 vibriert und die Kapazitäten der Abgreifelektroden 24 mit Bezug auf den hemisphärischen Resonator variieren. Ein X-Achsen-Signal V_x wird erhalten von der Kombination V₀ – V₉₀ + V₁₈₀ – V₂₇₀ wobei die Indizes die Winkelpositionen relativ zu der X-Achse der Elektroden anzeigen von denen die Spannung ausgeht. In ähnlicher Weise wird ein Y-Achsen-Signal V_y von der Kombination V₄₅ – V₁₃₅ + V₂₂₅ – V₃₁₅ erhalten. Die Tangente bzw. der Tangens von dem doppelten des Stehwellenmusterwinkels mit Bezug auf die 0-Grad (d.h. X-) Achse ist durch das Verhältnis von V_y zu V_x gegeben.
Als ein Ergebnis der Uneinheitlichkeiten der Dicke des hemisphärischen Resonators 14 wird das Herstellen einer ersten stehenden Welle zu der Entwicklung einer zweiten stehenden Welle führen, die In-Phasenquadratur mit Gegenknoten schwingt, die mit den Knoten der ersten stehenden Welle übereinstimmen. Die Entwicklung einer zweiten stehenden Welle kann verhindert werden durch Anlegen geeigneter Spannungen an die sechzehn diskreten Kraftelektroden 22.
Eine Gleichspannungsvorspannung wird typischerweise auf dem hemisphärischen Resonator 14 aufrechterhalten. Die Gegenwart der Gleichspannungsvorspannung führt zu langsamen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des HRG die zurückgeführt worden sind auf Kapazitätsänderungen, die verursacht worden sind durch Ladungsmigrationsphänomene, die stattfinden bei oder innerhalb des äußeren Gliedes 12 und des inneren Gliedes 16. Diese langsamen Änderungen haben zu einer unakzeptabel großen Leistungsfähigkeitsverschlechterung über die Zeit hinweggeführt und spezielle Mittel müssen vorgesehen werden um diese Effekte zu kompensieren.
Weitere Aufmerksamkeit wird gelenkt auf US-A-5 287 033 die ein Gyroscope mit vibrierender Oberfläche beschreibt, das einen piezoelektrischen Resonator umfasst, aus einen Material, das angeordnet ist um eine Vielzahl von Polen mit entgegengesetztem Sinn oder Polarität zu besitzen, die um die Wahrnehmungsachse herum angeordnet sind. Die sich ergebende bidirektionale (Vorwärts- und Rückwärts-)-Polung stellt den Modus her und die Moduspositi on einer Vibration in dem Resonator. Eine Oberfläche der Struktur weist eine Oberflächenelektrode auf, die einen Oberflächenwiderstand besitzt, der vergleichbar ist mit der Reaktanz des piezoelektrischen Materials benachbart zu der Resonanz, so dass eine Brückenschaltung hergestellt werden kann aus der Elektrode und dem piezoelektrischen Material. Ein breitbandiges Regelsystem sieht eine Rückkopplung in die Brücke vor, um diese im Gleichgewicht zu halten und sieht einen Ratenausgang vor. Skalierungsfaktorkompensationstechniken sind offenbart ebenso wie alternative Elektrodenanordnungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der Vibrationsmodi eines schritthaltenden Vibrationssensors nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Steuern der Vibrationsmodi eines Vibrationsrotationssensors nach Anspruch 10 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Die Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Vibrationsmodi eines Vibrationsrotationssensors (VRS) der einen Resonator und ein Gehäuse aufweist, die zusammen als die Grund- bzw. Erdpotentialreferenz dienen. Der Resonator besitzt eine Oberfläche mit einer leitenden Region bzw. einem leitenden Bereich und das Gehäuse besitzt eine Vielzahl von daran befestigten Elektroden, die gegenüberliegend zu dem leitenden Bereich auf dem Resonator positioniert sind. Die Parameter des Stehwellenvibrationsmusters des Resonators werden bestimmt durch Einspeisen bzw. Zuführen eines Wechselstromabfühlsignals zu dem leitenden Bereich auf dem Resonator und durch Erlangen eines oder mehrerer Vibrationssignale während das elektrische Potential des leitenden Bereichs auf dem Resonator innerhalb von 100 Millivolt der Masse bzw. Erde gehalten wird. Jedes Vibrationssignal ist eine Replik des Wechselstromabfühlsignals mit einer Amplitudenmodulation, die einer periodischen Funktion der Distanz von einem Punkt in dem leitenden Bereich der Oberfläche des Resonators zu einer gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Gehäuseelektrode ist. Die Frequenz der Amplitu denmodulation ist die Vibrationsfrequenz des Resonators. Die Parameter der Stehwelle bzw. stehenden Welle werden aus den Vibrationssignalen bestimmt und diese Parameter werden genutzt beim Steuern der Stehwellenparameter durch Erzeugen geeigneter Wechselstromkraftspannungen die an die Gehäuseelektroden angelegt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt die Komponententeile eines Vibrationsrotationssensors nach dem Stand der Technik.
2 ist eine symbolische Darstellung des leitenden Bereichs des Resonators und der gegenüberliegenden bzw. entgegengesetzten Elektroden, die an dem Gehäuse des Vibrationsrotationssensors befestigt sind.
3 zeigt ein schematisches Diagramm der Kraft- und Abfühlelektronik für einen Vibrationsrotationssensor.
4 zeigt ein Blockdiagramm des Vibrationssignaldemodulators.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Ein Ausführungsbeispiel eines Vibrationsratensensors bzw. Vibrationsgeschwindigkeitssensors der 32 diskrete Kraftelektroden verwendet (anstelle der ringförmigen Kraftelektrode 20 und der 16 diskreten Kraftelektroden 22, die in 1 gezeigt sind) ist in symbolischer Form in 2 zusammen mit X- und Y-Referenzachsen gezeigt. Der Resonator wird mit dem Kreis 40 bezeichnet. Die 32 diskreten Kraftelektroden 42 sind auf dem äußeren Glied des VRS angeordnet und die acht Abnehmelektroden 44 sind auf dem inneren Glied angeordnet. Der VRS kann eingerichtet bzw. mechanisiert werden um entweder als ein Geschwindigkeits- bzw. Raten-Gyro (Kraft-zu-Wiederausgleich bzw. Force-to-Rebalance, FTR) oder als ein Geschwindigkeits- bzw. Raten-Integrations-Gyro (Gesamtwinkel bzw. Whole-Angle, WA) betrieben werden. In dem FTR-Betriebsmodus wird die Biege- bzw. Beugeamplitude des Resonators entlang der X-Achse auf einem festen von Null verschiedenen Wert gehalten und die Biegeamplitude entlang der Y-Achse wird bei Null gehalten durch Anlegen von Spannungen, die proportional zu dem Trägheitsrateneingang-Ω sind an die Elektroden 42, die durch die Symbole „r" identifiziert sind.
In dem WA Modus sind Nulling bzw. Null-Stell-Kräfte entlang der Y-Achse nicht vorgesehen und dem Biegemuster mit konstanter Amplitude ist es erlaubt sich zu drehen bzw. zu rotieren. Der Winkel der Musterrotation ist proportional zu dem Trägheitsrotationseingang ∫Ωdt.
Das Beibehalten der X-Achsen-Amplitude kann erreicht werden entweder durch Anlegen einer Spannung an die X-Achsen-Vibrations-Frequenz ω_x an die Kraftelektroden 42 direkt oberhalb der Gegenknoten die bei 0 und 180 Grad mit Bezug auf die X-Achse angeordnet sind oder durch Anlegen einer parametrischen Spannung bei 2ω_x an die Elektroden 42, die durch das Symbol „p" angezeigt sind.
Zusätzlich zu der gewünschten in-phasigen Biegebewegung des Resonators gibt es im Allgemeinen eine unerwünschte Quadratur-Biege-Bewegung, die herrührt von Unsymmetrien der Frequenzachsen und Fehlausrichtung zwischen der Aufnahme bzw. dem Abgriff und Hauptfrequenz und Dämpfungsachsen. Dieser unerwünschte Quadratur-Vibrationsmodus wird unterdrückt durch Anlegen von Spannungen an Quadratur-Steuerungs-(Open-Loop Quadrature, OLQ)-Elektroden 42 und an Plus-/Minus-Quadratur-Regel-(plus/minus closed loop quadrature, ±CLQ)-Elektroden 42.
Die radialen Verschiebungen x und y des Resonators werden durch die Aufnahmeblöcke 44 abgefühlt, die durch die Symbole „ANP" (antinodal pickoff pad bzw. Gegenknotenaufnahmeblock) und „NP" (nodal pickoff pad bzw. Knotenaufnahmeblock) entlang der X- bzw. Y-Achsen identifiziert sind. Die durch das Symbol „UN" identifizierten Blöcke bzw. Kissen werden nicht verwendet. Die radialen Verschiebungen werden durch die folgenden gekoppelten Differentialgleichungen bestimmt:
Wobei T_x und T_y Dämpfungskonstanten sind, ω_x und ω_y die Winkelvibrationsfrequenzen entlang der X- und Y-Achsen sind, f_x und f_y, die Kräfte sind, die auf den Resonator entlang der X- und Y-Achsen ausgeübt werden, k eine Konstante ist, und Ω die Winkelrate bzw. Winkelgeschwindigkeit der Rotation des Resonators ist. Das Anlegen einer parametrischen Ansteuerung an die in der 2 angezeigten Elektroden führt zu Kräften f_parax und f_paray die entlang der X- und Y-Achsen angelegt werden. Das Anlegen einer Geschwindigkeits- bzw. Ratenansteuerung an die in 2 angezeigten Elektroden führt zu einer Kraft f_rate die entlang der Achse, die quer zu der Y-Achse ist, angelegt wird.
Die obigen Gleichungen werden zu:
In dem Force-to-Rebalance-Modus sind die d²y/dt², dy/dt und y alle gleich Null und
Eine Elimination der DC-Vorspannungsspannung bei dem Resonator wird betrachtet als (1) ein Mittel zum Reduzieren oder Eliminieren der Effekte der Ladungs-Migrations-Phänomene von denen angenommen wird, dass sie die Ursache der VRS-Skalen-Faktor-Variationen über die Zeit sind und (2) ein Mittel zum Eliminieren der Nutzung von Aufnehmern mit hoher Impedanz, die ge genüber Streustörsignalen sehr empfindlich sind. Ein Ausführungsbeispiel der Kraft- und Abfühlelektronik 50 des VRS das die konventionelle DC-Vorspannungsspannung eliminiert, ist in 3 gezeigt.
Die AC-Quelle 52 ist über den Mikroschalter 54 und den Kondensator 56 mit dem Resonator 40 und mit dem Eingangsanschluss 58 des Operationsverstärkers 60 verbunden. Der Ausgang 62 des Operationsverstärkers 60 ist über den Mikroschalter 64 mit den Aufnahmeelektroden ANP und NP verbunden. Der Mikroschalter 64 schaltet den Ausgang 62 des Operationsverstärkers 60 periodisch zwischen den ANP und den NP Aufnahmeelektroden um, um die Amplituden der In-Phase und Quadratur-Phase-Vibrations-Modi abzufühlen. Der Mikroschalter 54 erdet den Eingangsanschluss des Kondensators 56 während der Mikroschalter 64 zwischen den ANP und den NP Elektroden umschaltet.
Die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 60 ist ausreichend groß, so dass angenommen werden kann, dass der Eingangsstrom Null ist. Die Verstärkung des Operationsverstärkers 60 ist ausreichend groß, so dass falls die Ausgangsspannung nicht gesättigt ist, von der Eingangsspannung angenommen werden kann, dass sie im Vergleich zu anderen Spannungen vernachlässigbar ist. Zum Beispiel falls der Ausgangsbereich ±10 V ist und der Verstärkergewinn 1 gV/V ist, ist die maximale Eingangsspannung nur 10 nV. Eine Begrenzung des elektrischen Potentials des Resonators 40 auf 10 nV ist nicht erforderlich um kleine Änderungen der elektrischen Eigenschaften des HRG zu vermeiden, die von Kapazitätsänderungen herrühren, die durch Ladungsmigrationsphänomene verursacht worden sind. Eine wünschenswerte obere Grenze des elektrischen Potentials des Resonators scheint etwas ähnlich wie 0,1 V zu sein.
Die Streukapazität existiert zwischen den Aufnahmekondensatoren ANP und NP. Die Leitung 62 besitzt typischerweise einen Widerstand von 10 Ohm. Um die Koppelung zwischen den Aufnahmekondensatoren ANP und NP auf ein vernachlässigbares Niveau zu reduzieren, sollte die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers 60 weniger als 100 Ohm sein.
Es folgt aus dem obigen, dass
wobei die Indizes die Einrichtungen oder Leitungen in 3 bezeichnen und der obere Index die Aufnahmeelektrode bezeichnet mit der der Ausgang 62 des Operationsverstärkers 60 über den Mikroschalter 64 verbunden ist.
Es folgt aus den obigen Gleichungen dass
Die Kapazität der Aufnahmeelektrode ist wie folgt gegeben
wobei x durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann x = do + xosinωt (7)und ∊ die Elektrizitätskonstante bzw. Permittivität ist, A die Fläche eines Paares von Aufnahmeelektroden 44 ist, x₀ die Biegeamplitude des Resonators 40 ist und ω die Winkelfrequenz der Oszillation bzw. Schwingung des Resonators 40 ist.
Werden die Gleichungen (5) und (6) kombiniert erhält man eANP62 = K(do + xosinωt)e52 (8)wobei
Genauso erhält man eNP62 = K(do + yosinωt)e52 (10)
Wird e₅₂ als eine Sinusschwingung mit Amplitude V₅₂ und der Winkelfrequenz ω₅₂ ausgedrückt, erhält man eANP62 = KV52(do + xosinωt)sinω52t eNP62 = KV52(do + yosinωt)sinω52t (11)
Weitere Verarbeitung der e₆₂ wird in dem Prozessor 72 durch die in 4 gezeigt Demodulationsschaltung durchgeführt. Die Ergebnisse der Mischung der e₆₂ und sinω₅₂t im Mischer 76 und das Herausfiltern von Harmonischen bzw. Oberwellen von ω₅₂ mittels eines Tiefpassfilters 78 sind S^ANP und S^NP in zeitlicher Sequenz, wobei SANP ∝ KV52(do + xosinωt) SNP ∝ KV52(do + yosinωt) (12)
Die Durchschnittswerte S₁ ^ANP bzw. S₁ ^NP von S^ANP bzw. S^NP werden erhalten durch Leiten der S durch ein Tiefpassfilter 80 mit einer Winkeleckfrequenz von weniger als ω SANP1 = SNP1 ∝ KV52do (13)
Die Größen S₂ ^ANP bzw. S₂ ^NP von S^ANP bzw. S^NP werden erhalten durch mischen der S mit sinωt im Mischer 82 und Herausfiltern von ω und Oberwellen von ω mittels eines Tiefpassfilters 84. SANP2 ∝ KV52xo SNP2 ∝ KV52yo (14)
Die Stabilität der Signale S₁ und S₂ hängt von der Stabilität der AC-Spannungquelle 52 und dem Kondensator C₅₆ ab. Falls diese beide stabil sind, kann die nominale Lücke d₀ und die Biegeamplitude x₀ mit Präzision bestimmt werden. Ein hochwertiger temperaturstabilisierter Kondensator wie zum Beispiel ATC-700, der einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der sehr nahe zu Null ist, könnte verwendet werden.
Die Schaltung der 3 sieht vor, die Verwendung der zwei miteinander verbundenen ANP Elektroden und der zwei miteinander verbundenen NP Elektroden mit dem Mikroschalter 64, der alternierend den Ausgang 62 des Operationsverstärkers 60 mit den ANP und den NP Elektroden verbindet. Eine effizientere Schaltung würde alle acht paarweise verbundenen Aufnahmeelektroden beim Charakterisieren der Vibrationsmodi des VRS verwenden. Das ANP Elektrodenpaar und das NP Elektrodenpaar würde die ANP(+) bzw. die NP(+) Paare bilden. Die UN Paare auf Leitungen quer zu den X- und Y-Achsen bilden die ANP(–) bzw. NP(–) Paare, da die Signale bei diesen Elektrodenpaaren invertierte Versionen der Signale bei den Elektrodenpaaren sind, die mit den Pluszeichen identifiziert werden. Um diese vier Elektrodenpaare aufzunehmen, wäre der Mikroschalter 64 ein einpoliger Vierfach-Schalter, der sukzessiv zu jedem der vier Elektrodenpaare schalten würde. Die ANP(+) und ANP(–) Signale würden kombiniert werden und die NP(+) und die NP(–) Signale würden kombiniert werden, und zwar während nachfolgender Verarbeitung der Signale.
Der Prozessor 72 wird betrieben auf dem e₆₂ auf eine herkömmliche Art und Weise, um Kraftspannungen zum Anlegen an die Elektroden 42 zu erzeugen.
Bei der Force-to-Rebalance-Mechanisierung des HRG ist die Kraft F_rate, die notwendig ist, um den Knotenausgang auf Null zu legen, wie folgt gegeben (siehe Gleichungen (3) und (7))
Diese Kraft wird in der vorliegenden Erfindung erzeugt durch Herstellen einer Spannung V_rate(+) oder V_rate(–) zwischen der Resonatorelektrode und den „r" Elektroden der 2: Vrate(+) = Vω/2cos[½(ωt)] Vrate(–) = Vω/2sin[½(ωt)] (16)
Die sich ergebenden Kräfte V_rate(+) und V_rate(–) sind proportional zu dem Quadrat der Spannungen zwischen den Elektroden: Vrate(+) ∝ V2ω/2 cos2[½(ωt)] = ½V2ω/2 (1 + cosωt) Vrate(–) ∝ V2ω/2 sin2[½(ωt)] = ½V2ω/2 (1 – cosωt) (17)
Der Kosinus-Ausdruck ist die erforderliche Kraftfunktion. Der DC-Ausdruck hat einen vernachlässigbaren Effekt auf die Dynamiken des Resonators. Das Vorzeichen der Kraftfunktion wird ausgewählt durch Wählen entweder V_rate(+) oder V_rate(–).
Wie vorher in Verbindung mit 1 erwähnt, können kapazitive Kräfte auf den hemisphärischen Resonator 14 ausgeübt werden mittels geeigneter Kraftspannungen zwischen dem hemisphärischen Resonator 14 und der Ringkraftelektrode 20, um zu veranlassen, dass der hemisphärische Resonator in dem dehnungslosen (oder Biegungsmodus) mit niedrigster Ordnung vibriert. Die Ringkraftelektrode entwickelt sich anschließend in diskrete Elektroden die symmetrisch um den Umfang des Resonators verteilt sind, wie in 2 gezeigt sind. Um die Vibration beizubehalten müssen Kräfte an den Resonator angelegt werden um die Dämpfungskräfte auszulöschen, die proportional zu dx/dt in der Gleichung (1) sind. Falls x gemäß sinωt variiert, müssen dann die Kräfte gemäß cosωt variieren. Derartige Kräfte können durch Anlegen von Spannungen erhalten werden, die gemäß cosωt auf den „p" Elektroden der 2 variieren.
Die Nettokraft, die von Spannungen V_p herrührt, die an die zwei „p" Elektroden angelegt werden, die voneinander von 90 Grad versetzt sind, ist
wobei d₀ – x(θ_i) die Distanz zwischen dem Resonator 40 und der „p" Elektrode ist, die um θ_i von der X-Achse in 2 versetzt ist. Da x(θ_i) = –x(θ_i + π/2), folgt
und angenommen, dass x(θ_i) << d₀, folgt: f(t, θi) ∝ V2p x(θi) (20)
Vorausgesetzt, dass x(θi) = xocos2θisinωt (21)dann folgt f(t, θi) ∝ V2p xocos2θisinωt (22)
Die Summation über alle θ_i in den Winkelsegmenten von –π/4 bis +π/4 und 3 π/4 bis 5π/4 (was alle „p" Elektrodenpaare umfasst) erhält man f(t): f(t) ∝ V2p xosinωt (23)
Wir setzen jetzt die folgende Kraftspannung voraus: Vp = Yposin(ωt + ϕ) (24)
Setzt man das in Gleichung 23 ein, erhält man f(t) ∝ V2po xosin2(ωt + ϕ)sinωt (25)was wie folgt umgeschrieben werden kann f(t) ∝ V2po xo[sinωt + ½sin(ωt + 2ϕ) – ½sin(3ωt + 2ϕ) (26)
Die ersten und dritten Ausdrücke haben einen vernachlässigbaren Effekt auf die Dynamiken des Resonators und können ignoriert werden. Der zweite Ausdruck besitzt einen maximalen Effekt, falls Φ = π/4, wobei in dem Fall Folgendes folgt: f(t) ∝ V2po xocosωt (27)
Quadratursteuerung wird ausgeführt durch Anlegen von Spannungen an Elektroden, die um 90 Grad beabstandet sind (siehe 2). Somit ist Gleichung (22) anwendbar: fQ(t) ∝ V2po xosinωt (28)wobei wir θ_i gleich zu Null und die Indizes auf Q gesetzt haben. Falls:
dann gilt
Dieser Ausdruck kann wie folgt umgeschrieben werden
Falls ω_Q gleich ω ist, besitzt der zweite Ausdruck keinen zwingenden bzw. kraftmäßigen Effekt und die ersten und dritten Ausdrücke lassen sich kombinieren, um die richtige Quadraturkraftfunktion zu bilden. Andere Werte für ω_Q können genutzt werden, wobei in dem Fall weder die zweiten noch die dritten Ausdrücke irgendeinen kraftmäßigen Effekt besitzen und der erste Ausdruck die Quadraturkraft selbst vorsieht.
Zusätzliche Details bezüglich Vibrations-Rotations-Sensoren sind enthalten in dem U.S. Patent 4,951,508 von Loper, Jr. et. al. mit Datum vom 28. August 1990 das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Gemäß ihrem breitesten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern der Vibrationsmodi eines Vibrations-Rotations-Sensors (VRS) wobei der VRS einen Resonator und ein Gehäuse aufweist, wobei der Resonator einen leitenden Bereich besitzt und das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen eines Abfühlsignals; Speisen des Abfühlsignals an einen leitenden Bereich auf dem Resonator; und Erlangen von einem oder mehreren Vibrationssignalen.
Es sollte bemerkt werden, dass die Ziele und Vorteile der Erfindung mittels irgendeiner kompatiblen Kombination oder irgendwelcher kompatiblen Kombinationen erreicht werden können, die im speziellen bezüglich der Gegenstände der folgenden Zusammenfassung der Erfindung und der angehängten Ansprüche herausgestellt sind.

Claims

Verfahren zum Steuern der Vibrationsmodi eines Vibrations-Rotationssensors (VRS), wobei der VRS einen Resonator und ein Gehäuse aufweist, wobei das elektrische Potential des Resonators und des Gehäuses als Erde bzw. Bezugspotential bezeichnet warden, wobei der Resonator eine Oberfläche mit einem leitenden Bereich besitzt, wobei eine Vielzahl von Elektroden an dem Gehäuse befestigt ist und gegenüberliegend zu dem leitenden Bereich an dem Resonator positioniert ist, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Erzeugen eines AC- bzw. Wechselstromabfühlsignals; Zuführen des AC-Abfühlsignals an den leitenden Bereich an dem Resonator; Erhalten von einem oder mehreren Vibrationssignalen, wobei jedes Vibrationssignal eine Replikation des AC-Abfühlsignals mit Amplitudenmodulation ist, wobei die Amplitudenmodulation eine periodische Funktion des Abstandes von einem Punkt in dem leitenden Bereich der Oberfläche des Resonators zu einer gegenüberliegenden Gehäuseelektrode ist, wobei die Frequenz der Amplitudenmodulation die Vibrationsfrequenz des Resonators ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Beibehalten des elektrischen Potentials des leitenden Bereichs an dem Resonator innerhalb von 100 Millivolt bezüglich des Bezugspotentials.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte aufweist: Erzeugen von einer oder mehreren AC-Zwangs- bzw. Prägespannungen; Zuführen jeder AC-Zwangsspannung an eine oder mehrere der Gehäuseelektroden, wobei jede AC-Zwangsspannung die Ausübung von einer oder mehreren Kräften auf den Resonator bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei alle der Zwangsspannungen, die zum Betrieb des VRS erforderlich sind, AC-Spannungen bzw. Wechselspannungen sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators der Frequenz jeder AC-Zwangsspannung gleich einem Verhältnis von ganzen Zahlen ist, wobei der Erzeugungsschritt den folgenden Schritt umfasst: Beibehalten jeder AC-Zwangsspannung in Synchronisation mit der Vibration des Resonators, wenn der Resonator vibriert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators zu der Frequenz einer AC-Zwangsspannung gleich eins ist, wobei die AC-Zwangsspannung an eine ringförmige Elektrode angelegt wird, die den Resonator umgibt, um die Vibration des Resonators beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators zu der Frequenz einer AC-Zwangsspannung gleich eins ist, wobei die AC-Zwangsspannung an eine Vielzahl von Elektroden angelegt wird, die den Resonator umgibt, um die Vibration des Resonators beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators zu der Frequenz einer AC-Zwangsspannung gleich zwei ist, wobei die AC-Zwangsspannung an eine oder mehrere Elektroden angelegt wird, die an den Knoten des Vibrationsmusters positioniert sind, um das Vibrationsmuster in feststehender Position relativ zu dem VRS beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die AC-Zwangsspannung an ein oder zwei Elektrodenpaare angelegt wird zum Zweck des Unterdrückens von Quadraturvibrationen, wobei die die Elektrodenpaare bildenden Elektroden um 90 Grad versetzt bzw. beabstandet sind und wobei die ein Paar bildenden Elektroden, um 90 Grad beabstandet sind.
Vorrichtung zum Steuern der Vibrationsmodi eines Vibrations-Rotations-Sensors (VRS) wobei der VRS einen Resonator und ein Gehäuse aufweist, wobei das elektrische Potential des Resonators und des Gehäuses als Erde bzw. Bezugspotential bezeichnet wird, wobei der Resonator eine Oberfläche mit einem leitenden Bereich aufweist, wobei eine Vielzahl von Elektroden an dem Gehäuse befestigt ist und in gegenüberliegender Beziehung zu dem leitenden Bereich eines Resonators positioniert ist, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: einen Abfühlsignalgenerator mit einem Ausgangsanschluss, wobei der Abfühlsignalgenerator ein AC- bzw. Wechselstromabfühlsignal an seinem Ausgangsanschluss vorsieht; eine oder mehrere Abfühlschaltungen, wobei jede Abfühlschaltung einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist, wobei der Eingangsanschluss jeder Abfühlschaltung mit dem Ausgangsanschluss des Abfühlsignalgenerators und dem leitenden Bereich des Resonators verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluss jeder Abfühlschaltung mit einer Gehäuseelektrode oder in einer Zeitsequenz mit einer Vielzahl von Gehäuseelektroden verbunden ist, wobei jede Abfühlschaltung an ihrem Ausgangsanschluss ein Vibrationssignal vorsieht, wobei jedes Vibrationssignal eine Replikation des AC-Abfühlsignals mit Amplitudenmodulation ist, wobei die Amplitudenmodulation eine periodische Funktion des Abstandes von einem Punkt in dem leitenden Bereich der Oberfläche des Resonators zu der gegenüberliegenden Gehäuseelektrode ist, mit der die Abfühlschaltung an einem bestimmten Zeitpunkt verbunden ist, wobei die Frequenz der Amplitudenmodulation die Frequenz des Resonators ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner Folgendes aufweist: einen oder mehrere Präge- bzw. Zwangsfunktionsgeneratoren, wobei jeder Zwangsfunktionsgenerator einen Eingangs- und Ausgangsan schluss aufweist, wobei der Eingangsanschluss jedes Zwangsfunktionsgenerators mit dem Ausgangsanschluss der einen oder der mehreren Abfühlschaltungen verbunden ist, wobei der Ausgangsanschluss von jedem Zwangsfunktionsgenerator mit der einen oder den mehreren Gehäuseelektroden verbunden ist, wobei jeder Zwangsfunktionsgenerator eine AC-Zwangsspannung bzw. eine Präge-Wechselspannung an seinem Ausgang vorsieht, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators zu der Frequenz jeder AC-Zwangsspannung gleich einem Verhältnis ganzer Zahlen ist, wobei jede AC-Zwangsspannung mit dem Vibrationssignal synchronisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zwangsspannungen, die erforderlich sind, um den VRS zu betreiben alle AC-Spannungen bzw. Wechselspannungen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators zu der Frequenz einer AC-Zwangsspannung gleich eins ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis der Vibrationsfrequenz des Resonators zu der Frequenz einer AC-Spannung gleich zwei ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Impedanz zum Bezugspotential an dem Ausgangsanschluss jeder Abfühlschaltung kleiner als 100 Ohm ist.