FR2804754A1 - Capteur vibrant avec auto-etalonnage et conversion numerique a faible bruit - Google Patents
Capteur vibrant avec auto-etalonnage et conversion numerique a faible bruit Download PDFInfo
- Publication number
- FR2804754A1 FR2804754A1 FR0014122A FR0014122A FR2804754A1 FR 2804754 A1 FR2804754 A1 FR 2804754A1 FR 0014122 A FR0014122 A FR 0014122A FR 0014122 A FR0014122 A FR 0014122A FR 2804754 A1 FR2804754 A1 FR 2804754A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- signal
- sinusoidal
- signals
- standing wave
- estimated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
- G01C19/5691—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially three-dimensional vibrators, e.g. wine glass-type vibrators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Pour améliorer la précision de mesure, un capteur vibrant, tel qu'un gyroscope à résonateur hémisphérique, comporte deux convertisseurs numérique-analogique à multiplication (22), pour estimer la position de l'onde stationnaire par rapport à une position fixe sur le résonateur. Pendant un premier demi-cycle, les convertisseurs multiplient une position d'onde stationnaire mesurée par une position estimée, de façon que le produit tende vers zéro. La faible tension de sortie peut ensuite être amplifiée par un amplificateur à gain élevé (24), pour minimiser le bruit dans la prédiction d'angle d'onde stationnaire. Le second demi-cycle est utilisé pour l'étalonnage des convertisseurs (22).
Description
La présente invention concerne le domaine des capteurs vibrants, par
exemple des gyroscopes à résonateur hémisphérique (ou HRG pour "hemispherical resonator gyroscopes"), et plus particulièrement un capteur vibrant avec une caractéristique d'auto-étalonnage et une conversion numérique à faible bruit pour améliorer les
performances du capteur.
Des capteurs vibrants pour la mesure sont connus dans la technique pour mesurer une vitesse angulaire d'un corps autour d'un axe prédéterminé. Ces capteurs sont d'une importance primordiale dans des applications spatiales, telles que l'orientation de satellites et de véhicules spatiaux. Des capteurs tels que des gyroscopes à résonateur hémisphérique ("HRG") sont fiables et ont une longue durée de vie active, ce qui fait que les gyroscopes conviennent particulièrement bien pour cette application. Bien que la présente invention convienne particulièrement bien pour des applications de HRG, elle est aisément adaptable à d'autres types de capteurs dans lesquels un organe oscillant transmet un signal devant être interprété avec une très
grande exactitude.
Un HRG est constitué de façon caractéristique par un assemblage d'électrodes de génération de force, une coquille en quartz à paroi mince hémisphérique et un assemblage d'électrodes de détection joints ensemble avec
un métal de la famille des terres rares tel que l'indium.
L'unité est logée dans une chambre à vide avec des passages de conducteurs électriques pour transmettre des signaux de tension du gyroscope à un microprocesseur, pour l'interprétation. Le fonctionnement général du gyroscope est envisagé dans le brevet des Etats-Unis n 4 951 508, délivré à Loper, Jr et al. Le résonateur hémisphérique 101 est une structure à paroi mince en forme de cloche avec un bord qui peut se déformer en passant d'un profil circulaire à un profil elliptique lorsqu'il est soumis à certains champs électriques externes. Le résonateur est supporté par une tige qui lui est intégrée, qui est elle- même supportée par le boîtier pour les électrodes de détection et de génération de force. En appliquant une tension de génération de force cyclique, on peut établir une configuration d'onde stationnaire dans le résonateur. Pour établir l'onde stationnaire, on polarise initialement le résonateur hémisphérique à une tension de niveau connu, et on applique ensuite un champ électrique variable avec les électrodes de génération de force. Si les électrodes de génération de force appliquent le champ électrique variable approprié à des intervalles angulaires de 90 degrés, le résonateur se déformera par flexion en une onde
stationnaire telle que celle représentée sur la figure 1.
L'onde résonnante fondamentale a quatre noeuds a, b, c, d et quatre ventres e, f, g, h autour de la périphérie du résonateur, alternés et uniformément espacés de quarante-cinq degrés. Les noeuds sont des points sur l'onde stationnaire o le déplacement est minimal, et les ventres sont des points sur l'onde stationnaire o le déplacement est maximal. Le fonctionnement du gyroscope à résonateur hémisphérique exige un suivi précis du mouvement de l'onde stationnaire, qui exige à son tour que l'emplacement des noeuds et des ventres soit déterminé avec
exactitude.
Une propriété physique du gyroscope est la suivante: si on fait tourner un résonateur libre autour d'un axe normal à la page (voir la figure 2), l'onde stationnaire accomplira un mouvement de précession dans une direction opposée à la rotation d'origine, à cause de la force de Coriolis. En outre, la valeur de la précession angulaire sera de 0,3 fois le déplacement angulaire du résonateur, la valeur 0,3 étant une propriété géométrique de la forme hémisphérique du résonateur, et restant constante pour tout angle de rotation et toute vitesse de rotation. Par exemple, si on fait tourner le résonateur de la figure 1 de quatre-vingt-dix degrés en sens inverse d'horloge, comme indiqué par le déplacement angulaire de l'encoche 201, l'onde stationnaire accomplira une précession de vingtsept degrés en sens d'horloge, comme représenté sur la figure 2. De cette manière, lorsqu'on fait tourner un gyroscope à résonateur hémisphérique autour de son axe principal, on peut déterminer une information concernant la rotation du gyroscope à résonateur hémisphérique en mesurant le changement dans la position
angulaire de l'onde stationnaire.
La position de l'onde stationnaire à la fois avant et après la rotation du gyroscope est déterminée par les électrodes de détection positionnées autour du composant annulaire externe du boîtier. En mesurant la capacité à travers l'espace formé entre les électrodes de détection et le résonateur, on peut déterminer de manière exacte la distance à travers cet espace. Cette information est traitée par un microprocesseur de manière à déterminer la position exacte de l'onde stationnaire. En mesurant le changement de position de l'onde stationnaire, on peut
aisément déterminer la rotation du gyroscope.
Les gyroscopes à résonateur hémisphérique fonctionnent dans l'un de deux modes: un mode d'angle entier et un mode de rééquilibrage de force. Dans le mode d'angle entier, on laisse l'onde stationnaire accomplir librement son mouvement de précession sous l'influence de la force de Coriolis occasionnée par la rotation du gyroscope, comme on vient de le décrire. On évalue la position instantanée de l'onde stationnaire en calculant l'arc tangente du rapport de l'amplitude des deux signaux de détection. Dans le mode d'angle entier, la dynamique du gyroscope est limitée exclusivement par la résolution et le
traitement de l'estimation des signaux de détection.
Dans le mode de rééquilibrage de force, l'onde stationnaire est retenue de façon à ne pas accomplir de mouvement de précession sous l'influence de la force de Coriolis, et on utilise la valeur de la force de retenue pour calculer la vitesse de rotation du gyroscope. Dans ce mode, il existe un signal de génération de force supplémentaire qui maintient l'onde stationnaire dans une position azimutale fixe. L'intensité de force nécessaire pour maintenir l'onde stationnaire fixe est proportionnelle à la vitesse de rotation d'entrée. Pour des gyroscopes à rééquilibrage de force, le traitement de commande et de lecture orienté vers le boîtier est éliminé, et les performances de bruit de sortie peuvent être optimisées du fait que les exigences de dynamique de l'estimation de
signaux de détection sont fortement réduites.
Lors du fonctionnement dans un mode d'angle entier, le gyroscope à résonateur hémisphérique de l'art antérieur fonctionne de façon caractéristique de la manière décrite ci-après en se référant à la figure 3. Des tensions provenant de quatre paires d'électrodes de détection 100, fournissent chacun un signal de sortie correspondant à une fonction sinusoïdale. Les signaux sont multipliés par une tension d'excitation fixe, ce qui fait que les signaux prennent la forme: V1 = Acos(t)cos(9) V2 = -Acos(ot)cos(O) V3 = Acos(cot)sin(O) V4 = -Acos(cot)sin(0) dans laquelle A est le produit de la tension d'excitation aux bornes de l'espace de détection et du rapport entre le déplacement radial du résonateur au ventre et l'espace de détection, O est la fréquence naturelle du résonateur pour les conditions données, et 0 est l'angle de précession de l'onde stationnaire. On fait la différence entre les signaux V1 et V2 pour former un signal de "cosinus" résultant S1, et on fait la différence des signaux V3 et V4 pour former un signal de "sinus" résultant S2. Ces deux signaux de sortie différentiels du gyroscope sont dirigés vers un multiplexeur à deux canaux 100, de façon qu'un seul processus de conversion numérique soit exigé. Le signal de sortie du multiplexeur est sommé avec le signal de sortie d'un convertisseur numérique-analogique (CNA) à 18 bits , de type classique, qui a reçu pour ordre d'entrée l'estimation de l'opposé de la valeur de crête positive du signal sélectionné par le multiplexeur. Le signal 110 est ensuite amplifié (Gain) en 130 et il est ensuite échantillonné par un convertisseur analogique-numérique (CAN) à seize bits 140. Le CAN 140 échantillonne le signal combiné une fois au moment de la crête du signal. De la même manière, la crête négative du même signal de gyroscope
est traitée conformément à la description ci-dessus. Les
ordres du CNA 120 et les valeurs du CAN sont combinés pour calculer l'estimation de la configuration d'onde stationnaire du gyroscope en utilisant une formule telle que: oestimé = ARC TANGENTE((Sinordre_CNA * Gain + Sin sortieCAN) / (CosordreCNA * Gain + CossortieCAN)) Le circuit décrit ci-dessus a des limitations inhérentes qui sont indésirables. Par exemple, les performances du gyroscope à résonateur hémisphérique décrit ci-dessus sont limitées par le bruit du CNA 120 qui, de façon caractéristique, a seulement une précision effective de 16 bits. En outre, la linéarité du CNA est également seulement de 16 bits, et la faible cadence d'échantillonnage effective qui génère du bruit indésirable (à cause du repliement des signaux de bruit de fréquence supérieure) ne peut pas être éliminée par filtrage du signal avant l'échantillonnage, ce qui contribue encore davantage à la dégradation des performances du gyroscope à résonateur hémisphérique. Compte tenu des limitations de l'art antérieur, ce dont on a besoin est un convertisseur de résolveur en numérique à faible bruit et largeur de bande modérée, avec une précision, en nombre de bits, plus
élevée que dans l'art antérieur.
La présente invention porte sur un gyroscope à résonateur hémisphérique perfectionné fonctionnant en mode d'angle entier, ce gyroscope fonctionnant avec un bruit inférieur, une résolution supérieure, une largeur de bande supérieure et une précision supérieure, en comparaison avec des gyroscopes à résonateur hémisphérique de l'art antérieur. La présente invention obtient ces avantages en incorporant dans le circuit du gyroscope à résonateur
hémisphérique une paire de multiplieurs numérique-
analogique à quatre quadrants à faible bruit, et un modulateur d'impulsions en largeur de type numérique. Les multiplieurs sont utilisés pour faire converger l'estimation de l'angle de précession de l'onde stationnaire en minimisant la différence entre l'angle de précession réel et un angle estimé, et en amplifiant ensuite la différence pour maximiser la précision. Dans une fonction parallèle, les multiplieurs sont étalonnés dans un mode de cycle inactif en utilisant le modulateur d'impulsions en largeur (MIL). La structure de l'invention permet l'étalonnage du biais et du facteur d'échelle du
convertisseur numérique-analogique MIL.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la
description détaillée qui va suivre d'un mode de
réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La
suite de la description se réfère aux dessins annexés dans
lesquels des références numériques semblables désignent des éléments semblables dans toutes les figures, et dans lesquels: La figure 1 est une illustration d'une configuration d'onde stationnaire caractéristique d'un gyroscope à résonateur hémisphérique; La figure 2 est une illustration d'une configuration d'onde stationnaire de la figure 1 après une
rotation du gyroscope à résonateur hémisphérique de quatre-
vingt-dix degrés en sens inverse d'horloge; La figure 3 est un schéma d'un gyroscope à résonateur hémisphérique de l'art antérieur; La figure 4 est un schéma de la présente invention; et La figure 5 est un schéma d'un exemple d'un multiplieur à quatorze bits tel que ceux de la présente
invention.
La description qui suit est présentée pour
permettre à l'homme de l'art de mettre en oeuvre et d'utiliser l'invention et elle présente les meilleurs modes envisagés par l'inventeur pour mettre en oeuvre son invention. Diverses modifications apparaîtront cependant aisément à l'homme de l'art, du fait que les principes généraux de la présente invention ont été définis ici de façon spécifique pour procurer un capteur vibrant à faible
bruit et de haute précision, avec auto-étalonnage.
La figure 4 montre un schéma d'un mode de réalisation préféré de la présente invention, dans lequel l'élément 10 représente le résonateur hémisphérique et les éléments de condensateur 12 correspondent aux électrodes de détection. Lorsque l'espace entre le résonateur hémisphérique et les électrodes de détection change sous l'effet du mouvement de l'onde stationnaire et du mouvement du résonateur 2N, la tension aux bornes des éléments capacitifs varie de façon linéaire avec le déplacement de l'espace. La linéarité est due au potentiel continu fixe qui maintient une charge fixe sur les condensateurs, et à l'impédance très élevée des amplificateurs de détection 14 (approximativement 1 TQ à la fréquence de résonance du gyroscope). Les deux ondes en sinus sont soumises à un calcul de différence, comme dans l'art antérieur, pour donner un signal d'onde en sinus résultant 16a. De façon similaire, les deux ondes en cosinus font l'objet d'un calcul de différence pour donner un signal d'onde en cosinus résultant 16b. Les deux nouveaux signaux correspondent à la forme: Acos (réel)COS(Ot) (I) Asin(Oréel)Cos (t) (II) dans laquelle Oréel représente la position de l'onde stationnaire par rapport à une position fixe sur le gyroscope. L'amplitude des signaux résultants achemine ainsi une information sur la position de l'onde stationnaire par rapport à une position fixe sur le gyroscope. Le but est de déterminer 0 aussi exactement que
possible à partir des deux signaux.
Comme on peut le discerner aisément, si 0 est très faible, l'amplitude du signal de tension correspondant au signal (I) sera alors très supérieure à l'amplitude du signal de tension du signal (II). Inversement, lorsque 0 s'approche de 90 degrés, l'amplitude du signal (II) sera très supérieure à l'amplitude du signal (I). L'approche est de réduire le plus possible le bruit présent dans un signal composite avant de tenter d'effectuer une résolution pour
trouver l'angle de l'onde stationnaire.
Les signaux résultants 16a, 16b sont filtrés initialement en mode passebas dans un filtre à 35 kHz, 18,
et les signaux filtrés sont appliqués à un multiplexeur 20.
Le multiplexeur dirige les signaux filtrés vers une première voie pour une moitié d'un cycle, et il commute ensuite vers un circuit ouvert pendant la seconde moitié du cycle. Le premier demi-cycle est utilisé pour affiner l'estimation de la position de l'onde stationnaire, et le second demi-cycle est utilisé pour étalonner les composants
utilisés dans l'estimation du premier demi-cycle.
Le premier demi-cycle Les deux signaux filtrés 16a', 16b' sont caractérisés par les expressions Acos(O)cos(ot) et Asin(0)cos( t), dans lesquelles A est proportionnel à l'énergie totale dans la résonance fondamentale du gyroscope à résonateur hémisphérique, de fréquence O (environ 4000 Hz). Pendant le premier demi-cycle, chacun des deux signaux filtrés 16a', 16b' est appliqué à un multiplieur numérique-analogique à quatre quadrants 22 séparé, avec une spécification de faible bruit, telle que 8- nV/Hzl/2. La figure 5 illustre un multiplieur numérique-analogique 22 qui répondrait aux exigences de la présente invention, mais il faut noter qu'il y a de nombreuses variantes qui fonctionneraient tout aussi bien et que l'invention ne réside pas dans le type de multiplieur illustré ici. La figure 5 montre un réseau de résistances en échelle avec treize résistances Rl-13 en parallèle, chaque résistance successive ayant une valeur égale au double de celle de la résistance précédente. La valeur maximale de la moyenne quadratique de la puissance du multiplieur représenté sur la figure 5 est donnée par 1,41*102/(r/4). On pourrait utiliser dans la présente invention un CNA à multiplication de type caractéristique, s'il possédait une spécification de bruit et de distorsion harmonique totale suffisamment faible (rapport signal/bruit de 154 dB). Pour atteindre ce niveau de performance, le CNA à multiplication pourrait être fabriqué avec des éléments de commutation discrets disponibles, des amplificateurs opérationnels à faible bruit s'ils sont exigés pour des considérations d'impédance d'éléments de commutation, et des résistances à faible
bruit, stables à court terme.
Un multiplieur 22 reçoit le signal 16b' et multiplie le signal par un facteur de cos (0estimé), tandis que le second multiplieur 22 reçoit le signal 16a' et multiplie le signal par un facteur de -sin(0estimé). Les deux signaux sont sommés, et le signal résultant est donné par l'équation: V = Acos( t)sin(Oréel - 0estimé) dans laquelle toutes les variables sont connues à l'exception de 0réel. Le facteur "sin(Oréel - estimé) s'approche de zéro lorsque l'estimation de l'angle d'onde stationnaire s'approche de l'angle réel. En minimisant le signal, on peut amplifier le résidu en utilisant un
amplificateur à gain élevé 24 avant le CAN.
L'amplification du signal avant le CAN est rendue possible par le fait que les multiplieurs permettent d'évaluer le signal à de très faibles tensions, sans perte de précision. Le signal est amplifié et échantillonné par
salve de façon numérique dans un convertisseur analogique-
numérique 30 ayant une cadence de conversion nette de 80 kHz. Un microprocesseur (non représenté) calcule Oréel et substitue cette valeur à Oestimé pour le cycle suivant. De plus, le microprocesseur estime également la vitesse de variation de 0réel pour éliminer des erreurs d'écart en
présence d'une vitesse constante.
Comme mentionné ci-dessus, le facteur "sin(Oréel -
0estimé)" devient très rapidement faible, ce qui réduit le signal à une faible puissance. Cette minimisation du signal avant l'amplification et la conversion est importante du fait qu'elle élimine une grande partie des limitations du convertisseur A/N classique. L'algorithme de traitement dans le microprocesseur sélectionne un Oestimé qui minimise le signal détecté par le convertisseur A/N. Un processus itératif convergera rapidement vers la précision désirée de Oréel' Dans cet exemple, on obtient une résolution de 23 bits par le gain équivalent de 11 bits avant le convertisseur A/N et la résolution de 12 bits dans le
convertisseur A/N.
Le second demi-cycle La précision et le bruit de l'invention sont dominés par la précision et le bruit des multiplieurs numérique-analogique 22. Pour éviter des erreurs dues à la dérive des multiplieurs, la précision des multiplieurs est étalonnée avec le convertisseur CAN à modulateur d'impulsions en largeur, 32, pendant la seconde moitié du cycle. Ainsi, un signal de tension de référence 26 est appliqué aux multiplieurs 22 dans la seconde moitié du cycle pour évaluer la présence d'une dérive ou d'une dégradation du multiplieur 22. Le signal de référence sous forme de salve numérique a un produit résultant théorique qui est comparé avec le signal de sortie réel des multiplieurs. Si un écart quelconque du signal par rapport au signal théorique est détecté, le microprocesseur ajuste l'estimation de estimé sur la base du plus récent étalonnage des multiplieurs. En actualisant continuellement l'angle d'onde stationnaire estimé et en contrôlant continuellement les multiplieurs, le système de lecture
peut atteindre une précision s'élevant jusqu'à 99,9999%.
Les multiplieurs 22 ne sont pas linéaires de façon inhérente à cause de leur topologie à résistances et éléments de commutation discrets, mais les multiplieurs ont effectivement une grande largeur de bande. Inversement, le CNA à modulateur d'impulsions en largeur 32 est linéaire de façon inhérente à cause de son fonctionnement basé sur le temps, mais il a une largeur de bande limitée. La structure de l'invention permet l'étalonnage du biais et du facteur
d'échelle du CNA à modulateur d'impulsions en largeur.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits
et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (7)
1. Gyroscope à résonateur hémisphérique à auto-
étalonnage comprenant une pluralité d'électrodes de génération de force, une pluralité d'électrodes de détection (12) et un résonateur à paroi mince (10) adapté pour établir une onde stationnaire sous l'influence d'une tension d'excitation, et dans lequel une position de l'onde stationnaire est définie par deux signaux de tension sinusoïdaux, ce gyroscope à résonateur hémisphérique étant caractérisé en ce qu'il comprend: un premier multiplieur (22) pour recevoir un premier signal sinusoïdal et un second multiplieur (22) pour recevoir un second signal sinusoïdal, les premier et second multiplieurs (22) combinant les signaux sinusoïdaux respectifs avec une fonction sinusoïdale estimée de la position de l'onde stationnaire, ces fonctions sinusoïdales estimées étant sélectionnées de façon à minimiser le signal résultant lorsque les signaux de sortie des premier et second multiplieurs (22) sont sommés; un moyen de sommation pour faire la somme des signaux de sortie des premier et second multiplieurs (22); un amplificateur à gain élevé (24) pour recevoir le signal de sortie sommé des premier et second multiplieurs (22) et pour amplifier le signal de sortie sommé; un convertisseur analogiquenumérique (30) pour recevoir le signal de sortie sommé et amplifié provenant de l'amplificateur à gain élevé (24); un microprocesseur pour recevoir le signal de sortie du convertisseur analogique-numérique (30), et pour évaluer l'angle de l'onde stationnaire mesuré, sur la base du signal de sortie, ce microprocesseur étant en outre destiné à calculer une nouvelle estimation de la position de l'onde stationnaire, pour l'utilisation dans un cycle suivant, et pour communiquer aux premier et second multiplieurs (22) de nouvelles fonctions sinusoïdales estimées; un générateur de signal de référence connu (26) connecté aux premier et second multiplieurs (22) pour générer des signaux d'étalonnage de multiplieurs, ce générateur de signal de référence connu (26) appliquant un signal de référence connu aux premier et second multiplieurs (22) pendant un cycle inactif, lorsque les multiplieurs (22) ne reçoivent pas les premier et second signaux sinusoïdaux, de façon qu'une sortie des multiplieurs (22) génère le signal d'étalonnage en réponse au signal de référence connu; et en ce que le microprocesseur reçoit en outre les signaux d'étalonnage et règle l'angle estimé de l'onde stationnaire sur la base d'une comparaison entre les signaux d'étalonnage provenant des premier et second
multiplieurs (22) et un signal d'étalonnage prédit.
2. Capteur vibrant caractérisé en ce qu'il comprend: un résonateur à paroi mince (10); une multiplicité d'électrodes de génération de force; une multiplicité d'électrodes de détection (12) espacées autour d'une périphérie du résonateur à paroi mince; un moyen (14) pour convertir en premier et second signaux sinusoïdaux (16a, 16b) une pluralité de signaux de tension représentatifs d'une distance entre les électrodes de détection (12) et le résonateur; un premier multiplieur (22) pour multiplier le premier signal sinusoïdal par une fonction d'un angle de précession estimé d'une onde stationnaire du résonateur, et un second multiplieur (22) pour multiplier le second signal sinusoïdal par une fonction de l'angle de précession estimé de l'onde stationnaire du résonateur; un multiplexeur (20) pour combiner les signaux de sortie des premier et second multiplieurs (22), pour générer une seule fonction sinusoïdale multipliée par une fonction d'erreur entre l'angle de précession estimé et un angle de précession réel; et un moyen à microprocesseur pour minimiser la fonction d'erreur de façon à faire converger l'angle de précession estimé vers l'angle de précession réel.
3. Capteur vibrant selon la revendication 2, comprenant en outre un modulateur d'impulsions en largeur (32) et une source (26) d'un signal de tension de référence, caractérisé en ce que le signal de tension de référence est appliqué aux premier et second multiplieurs (22) pendant un cycle inactif et les signaux de sortie des premier et second multiplieurs (22) sont combinés avec le signal de modulateur d'impulsions en largeur (32), et le signal de produit est comparé à un signal prédit basé sur le signal de tension de référence, pour étalonner les
premier et second multiplieurs (22).
4. Gyroscope à résonateur hémisphérique à angle entier perfectionné, du genre comprenant un résonateur à paroi mince (10), une pluralité d'électrodes de génération de force, et une pluralité d'électrodes de détection (12) pour détecter la position d'une onde stationnaire de résonateur, dans lequel la position de l'onde stationnaire est caractérisée par un signal comprenant une fonction sinus de la position d'onde stationnaire mesurée multipliée par une fonction sinusoïdale définie par un signal d'excitation, et par une fonction cosinus de la position d'onde stationnaire mesurée multipliée par la fonction sinusoïdale définie par le signal d'excitation, ce gyroscope à résonateur hémisphérique perfectionné étant caractérisé en ce qu'il comprend:
des premier et second convertisseurs numérique-
analogique (CNA) à multiplication (22), chacun d'eux étant positionné pour recevoir l'un des signaux caractérisants, les CNA à multiplication connectés à un microprocesseur fournissant une fonction sinusoïdale estimée de la position d'onde stationnaire, la fonction sinusoïdale estimée étant choisie de façon que, lorsque les signaux caractérisants sont multipliés par les fonctions sinusoïdales estimées et ensuite sommés, le signal résultant s'approche d'un minimum lorsque la position d'onde stationnaire estimée s'approche de la position d'onde stationnaire mesurée; et un convertisseur analogique-numérique (30) pour convertir le signal résultant après amplification du signal
avec un amplificateur à gain élevé (24).
5. Gyroscope à résonateur hémisphérique à angle entier perfectionné selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: une source (26) pour un signal de tension de référence d'étalonnage, connectée aux premier et second CNA à multiplication (22), le signal de tension de référence étant appliqué de façon cyclique aux premier et second CNA, lorsque les premier et second CNA ne sont pas en train de recevoir les signaux caractérisants, pour générer des premier et second signaux d'étalonnage de multiplieur; et un modulateur d'impulsions en largeur (32) communiquant avec les CNA à multiplication (22), ce modulateur d'impulsions en largeur (32) émettant un signal périodique qui est combiné avec les signaux de référence de multiplieur; ce gyroscope hémisphérique à angle entier perfectionné évaluant les signaux de référence de multiplieur et réglant l'estimation de la position d'onde
stationnaire sur la base de cette évaluation.
6. Procédé pour réduire le bruit tout en améliorant la précision dans un capteur vibrant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on convertit des signaux de tension déterminés par une position d'une onde stationnaire accomplissant un mouvement de précession à l'intérieur du capteur, en premier et second signaux caractérisants (16a, 16b) comprenant une fonction sinus d'un angle de précession multipliée par une fonction d'excitation, et une fonction cosinus de l'angle de précession multipliée par la fonction d'excitation; on filtre les signaux caractérisants (16a, 16) dans un filtre passe-bas (18); et pendant une première moitié d'un cycle de fonctionnement: on multiplie les signaux caractérisants (16a, 16b) par une fonction sinusoïdale d'un angle de précession estimé, la fonction sinusoïdale de l'angle de précession estimé étant sélectionnée de façon à minimiser la somme des signaux caractérisants (16a, 16b) après la sommation; on somme les signaux caractérisants pour donner un seul signal d'estimation d'angle de précession; on amplifie le signal d'estimation d'angle de précession; on convertit le signal d'estimation d'angle de précession en un signal analogique en utilisant un convertisseur analogique-numérique; on estime l'angle de précession à partir du signal d'estimation d'angle de précession converti; et pendant une seconde moitié du cycle de fonctionnement: on étalonne l'étape de multiplication dans le premier demi-cycle avec un signal de tension connu; on convertit le signal d'étalonnage en utilisant un convertisseur numérique-analogique à douze bits; on amplifie le signal d'étalonnage converti; on reconvertit en analogique le signal d'étalonnage amplifié, en utilisant le convertisseur analogique-numérique du premier demi-cycle; on évalue la différence entre un signal d'étalonnage prévu et un signal d'étalonnage réel; et on révise l'estimation de l'angle de précession en utilisant l'évaluation du signal d'étalonnage à l'étape précédente.
7. Convertisseur résolveur numérique à faible bruit, caractérisé en ce qu'il comprend: une paire d'amplificateurs sinusoidaux (14) pour générer un signal sinusoïdal correspondant à un signal d'entrée de tension; un multiplieur (22) pour multiplier le signal sinusoïdal par une valeur correspondant à un second signal sinusoïdal évalué à une variable cible estimée pendant une première partie d'un cycle, le produit du signal sinusoïdal et du second signal sinusoïdal évalué à une variable cible estimée étant évalué par rapport à une valeur mesurée; un moyen pour actualiser la valeur cible estimée sur la base d'une comparaison de la valeur mesurée avec le produit; et un modulateur d'impulsions en largeur d'étalonnage (32) pour étalonner le multiplieur (22) pendant une seconde
partie du cycle.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/434,566 US6189382B1 (en) | 1999-11-05 | 1999-11-05 | Vibratory sensor with self-calibration and low noise digital conversion |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2804754A1 true FR2804754A1 (fr) | 2001-08-10 |
| FR2804754B1 FR2804754B1 (fr) | 2008-07-25 |
Family
ID=23724751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0014122A Expired - Lifetime FR2804754B1 (fr) | 1999-11-05 | 2000-11-03 | Capteur vibrant avec auto-etalonnage et conversion numerique a faible bruit |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6189382B1 (fr) |
| FR (1) | FR2804754B1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2925669A1 (fr) * | 2007-12-21 | 2009-06-26 | Sagem Defense Securite | Mesure par systeme gyroscopique |
Families Citing this family (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6688119B2 (en) * | 2000-12-22 | 2004-02-10 | General Electric Company | Methods and apparatus for increasing appliance measuring system accuracy |
| FR2863709B1 (fr) * | 2003-12-11 | 2006-02-17 | Sagem | Capteur de rotation inertiel a traitement isotrope |
| US7239971B2 (en) * | 2004-04-16 | 2007-07-03 | Formfactor, Inc. | Method and apparatus for calibrating communications channels |
| US7595629B2 (en) * | 2004-07-09 | 2009-09-29 | Formfactor, Inc. | Method and apparatus for calibrating and/or deskewing communications channels |
| US7739896B2 (en) * | 2007-03-15 | 2010-06-22 | Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. | Self-calibration of scale factor for dual resonator class II coriolis vibratory gyros |
| FR2932563B1 (fr) * | 2008-06-13 | 2010-06-18 | Sagem Defense Securite | Capteur de rotation inertiel a derive compensee. |
| FR2953589B1 (fr) * | 2009-12-07 | 2011-12-23 | Sagem Defense Securite | Procede de determination d'un cap par rotation d'un dispositif inertiel |
| FR2958030B1 (fr) * | 2010-03-23 | 2012-04-20 | Sagem Defense Securite | Procede et dispositif de mesure angulaire avec compensation de non linearites |
| US9742373B2 (en) | 2011-10-31 | 2017-08-22 | The Regents Of The University Of Michigan | Method of manufacturing a temperature-compensated micromechanical resonator |
| WO2013134067A1 (fr) * | 2012-03-06 | 2013-09-12 | Trw Automotive U.S. Llc | Procédé et appareil de diagnostic de capteur d'inertie |
| CN103033198B (zh) * | 2012-12-19 | 2015-08-12 | 南京航空航天大学 | 一种设置光纤陀螺仿真信号中随机误差参数的方法 |
| CN105716597B (zh) * | 2016-01-26 | 2018-12-18 | 上海交通大学 | 采用dsp与fpga的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法 |
| CN105547272B (zh) * | 2016-01-26 | 2019-01-25 | 上海交通大学 | 压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统 |
| CN105716596B (zh) * | 2016-01-26 | 2018-10-23 | 上海交通大学 | 压电半球谐振微陀螺仪的数字控制检测系统 |
| GB2547415A (en) * | 2016-02-09 | 2017-08-23 | Atlantic Inertial Systems Ltd | Inertial sensors |
| US10228264B2 (en) * | 2016-09-02 | 2019-03-12 | Northrop Grumman Systems Corporation | Self-calibration of an inertial system |
| CN106249260A (zh) * | 2016-09-28 | 2016-12-21 | 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 | 一种卫星光纤罗经系统及其组合导航方法 |
| CN106500833A (zh) * | 2016-10-21 | 2017-03-15 | 上海卫星工程研究所 | 基于振动传感器的星载振动监测装置 |
| CN107084745A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-08-22 | 中国科学院微电子研究所 | 陀螺仪自校准和陀螺仪质量块摆幅测量装置、方法 |
| CN113252019B (zh) * | 2021-05-13 | 2022-05-24 | 哈尔滨工业大学 | 一种前向放大系数不一致时的半球谐振陀螺振型角获取方法 |
| CN114166242B (zh) * | 2021-10-29 | 2023-08-08 | 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） | 一种半球谐振陀螺检测信号不均匀性的校准方法及系统 |
| CN114370886B (zh) * | 2021-11-23 | 2024-01-02 | 上海航天控制技术研究所 | 基于虚拟转动的全角模式振动陀螺测量误差自标定方法 |
| CN114858153B (zh) * | 2022-04-08 | 2023-05-30 | 哈尔滨工业大学 | 一种半球谐振陀螺振动状态监测系统及监测方法 |
| CN115574798B (zh) * | 2022-09-30 | 2024-06-18 | 中国人民解放军火箭军工程大学 | 一种提高半球谐振陀螺综合性能的方法 |
| CN116338242B (zh) * | 2023-05-26 | 2023-08-04 | 有数(深圳)智能科技有限公司 | 一种振弦数据采集仪及其控制方法 |
| CN116878477B (zh) * | 2023-09-06 | 2023-11-10 | 湖南二零八先进科技有限公司 | 半球谐振陀螺阻尼不均匀参数辨识方法、设备及存储介质 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5540094A (en) * | 1990-12-22 | 1996-07-30 | British Aerospace Public Limited Company | Scale factor compensation for piezo-electric rate sensors |
| US5902930A (en) * | 1997-07-08 | 1999-05-11 | Litton Systems, Inc. | Method for reading out a vibratory rotation sensor |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5817940A (en) * | 1996-03-14 | 1998-10-06 | Aisin Seiki Kabishiki Kaisha | Angular rate detector |
| GB2318184B (en) * | 1996-10-08 | 2000-07-05 | British Aerospace | A rate sensor |
| US5763780A (en) * | 1997-02-18 | 1998-06-09 | Litton Systems, Inc. | Vibratory rotation sensor with multiplex electronics |
| US5801310A (en) * | 1997-02-18 | 1998-09-01 | Litton Systems, Inc. | Vibratory rotation sensor with whole-angle tracking |
| US5760304A (en) * | 1997-02-18 | 1998-06-02 | Litton Systems, Inc. | Vibratory rotation sensor with AC forcing voltages |
| US5827966A (en) * | 1997-05-29 | 1998-10-27 | Litton Systems, Inc. | Vibratory rotation sensor utilizing linearized flexure measures |
| US6079270A (en) * | 1997-07-08 | 2000-06-27 | Litton Systems Inc. | Method and apparatus for generating driving signals for a vibratory rotation sensor |
| US6065340A (en) * | 1998-07-29 | 2000-05-23 | Litton Systems Inc. | Vibratory rotation sensor with novel electrode placements |
-
1999
- 1999-11-05 US US09/434,566 patent/US6189382B1/en not_active Expired - Lifetime
-
2000
- 2000-11-03 FR FR0014122A patent/FR2804754B1/fr not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5540094A (en) * | 1990-12-22 | 1996-07-30 | British Aerospace Public Limited Company | Scale factor compensation for piezo-electric rate sensors |
| US5902930A (en) * | 1997-07-08 | 1999-05-11 | Litton Systems, Inc. | Method for reading out a vibratory rotation sensor |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2925669A1 (fr) * | 2007-12-21 | 2009-06-26 | Sagem Defense Securite | Mesure par systeme gyroscopique |
| WO2009083519A1 (fr) * | 2007-12-21 | 2009-07-09 | Sagem Defense Securite | Procede de mesure par systeme gyroscopique |
| US7997134B2 (en) | 2007-12-21 | 2011-08-16 | Sagem Defense Securite | Measurement by gyroscopic system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2804754B1 (fr) | 2008-07-25 |
| US6189382B1 (en) | 2001-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FR2804754A1 (fr) | Capteur vibrant avec auto-etalonnage et conversion numerique a faible bruit | |
| US9435684B2 (en) | Integrated vibration measurement and analysis system | |
| FR2473702A1 (fr) | Appareil de mesure electro-optique | |
| FR2889586B1 (fr) | Gyroscope a masse vibratoire et procede pour minimiser les erreurs systematiques d'un tel gyroscope | |
| FR2563917A1 (fr) | Dispositif accelerometrique a un seul axe et configuration de plate-forme inertielle le comprenant | |
| FR2923007A1 (fr) | Gyroscope a resonance magnetique nucleaire a auto-etalonnage | |
| CN106134453B (zh) | 一种石英谐振器阻抗特性参数的测量系统 | |
| WO2014102246A1 (fr) | Gyroscope a calibration simplifiée et procédé de calibration simplifié d'un gyroscope | |
| EP3436779A1 (fr) | Dispositif de mesure de rotation, procede et centrale de navigation inertielle associes | |
| FR2937414A1 (fr) | Mesure gyroscopique par un gyroscope vibrant | |
| FR2800869A1 (fr) | Gyroscope a resonateur hemispherique et procede correspondant | |
| FR2672986A1 (fr) | Systeme de reglage de la longueur de la cavite d'un gyroscope a laser en anneau. | |
| EP1671140B1 (fr) | Dispositif de mesure d'un champ magnetique | |
| JP2004515772A (ja) | 位相発生キャリアの復調と象限エラーの修正付多重チャンネル干渉計 | |
| FR2723635A1 (fr) | Dispositif gyrometrique vibrant a effet piezo-electrique | |
| FR2735869A1 (fr) | Dispositif et procede de mesure de vitesse angulaire | |
| EP4168731B1 (fr) | Systeme de capteur de deplacement capacitif a peignes imbriques | |
| EP2978127A1 (fr) | Procédé de compensation numérique des variations, en fonction de la température, d'une grandeur électrique d'un équipement de télécommunications radiofréquence spatial embarqué | |
| EP0810418B1 (fr) | Appareil de mesure de rotation | |
| EP2368088B1 (fr) | Procede de determination d'une vitesse de rotation d'un capteur vibrant axisymetrique, et dispositif inertiel mettant en oeuvre le procede | |
| FR2565695A1 (fr) | Procede et dispositif de mesure de la composante reactive d'une impedance complexe | |
| FR2508647A1 (fr) | Procede pour detecter des accelerations et des vitesses angulaires et dispositif pour la mise en oeuvre du procede | |
| EP4343281B1 (fr) | Procede de mesure d'une vitesse angulaire de rotation et/ou d'une position angulaire | |
| EP0541455B1 (fr) | Méthode de conversion de rapports d'impédances applicables notamment aux transmetteurs de pression industriels | |
| JP2005189184A (ja) | インピーダンス測定用自動平衡回路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 16 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 17 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 18 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 20 |