TWI482946B - 旋轉速率感測器用的補償電路與其補償方法 - Google Patents

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Description

旋轉速率感測器用的補償電路與其補償方法
本發明關於一種旋轉速率感測器用的補償電路，其中該補償電路包含一第一分析單元，用於在考慮到一差數或一和數的情形下產生一種積分(求積)(Quadratur，英：quadrature)補償信號。該差數或和數由一第一測量值(621)及一第二測量值(622)產生，其中，該補償電路有一第二分析單元，用於在考慮到一和數或差數的情形下產生一振動補償信號，該和數或差數由一第一檢出之測量值及一第二檢出之測量值產生，此外本發明關於一種旋轉速率感測器用的檢出電路，其中該檢出電路有一調變器或一乘法器，用於產生一感測器輸出信號，其為二旋轉速率信號，該旋轉速率信號(80)代表該旋轉速率感測器的一旋轉速率的值，此外本發明關於一種旋轉速率感測器，其中該旋轉速率感測器包含一驅動單元。
此外本發明還包含一和旋轉速率感測器用的補償方法。
在一傳統旋轉速率感測器，如德專利DE 10 2004 061 804 A1所述，產生平方力量(Quadraturkraft)。此力量係抑制感測器的干擾運動所需要者。此積分力量使旋轉速度感測器對振動的敏感性提高，換言之，使所要測量的旋轉速率值被加以一種對所要測量的旋轉速率的促進作用(這種促進作用在實際上並不存在)而造假(Verfälschung)。這種測量 值的造假作用也稱「虛擬旋轉速率」(virtuelle Drehrate，英：virtual rotating rate)。
本發明的目的在提供一種旋轉速率感測器用的補償電路，它產生的旋轉速率測量值之受到振動造成之測量值造假的情事不會存在或至少減少了許多，此外本發明另一目的在提供一種具有此優點的旋轉速率感測器用的檢出電路以及一種具有此優點的旋轉速率感測器，此外本發明一目的在提供一種旋轉速率感測器用的對應補償方法。這些目的係利用各申請專利範圍獨立項的特徵的組合達成。本發明的有利的實施例見於申請專利範圍附屬項。
依本發明的這種補償電路的特點在於：該補償電路有一第二分析單元，用於在考慮到一和數或差數的情形下產生一振動補償信號，該和數或差數由一第一檢出之測量值及一第二檢出之測量值產生。
一較佳實施例中，該第二分析單元有一輸入端，以供從該旋轉速率感測器的一驅動單元的一調節回路輸入一調整值。
該補償電路有一和或差產生器，以便由平方補償信號及振動補償信號產生一第三的和(Summen)或差(Differenz)的值。另一實施例中，該第一分析單元有一第一濾波器，特別是一第一低通或帶通濾波器，且/或該第二分析單元有一第二濾波器，特別是一第二低通濾波器。
依本發明的一種檢出電路特點在：該檢出電路包含一 本發明的補償電路。
依本發明的旋轉速率感測器中，該旋轉速率感測器包含一本發明的補償電路或者一本發明的檢出電路。
此外，依本發明的一種旋轉速率感測器用的補償方法，其中該補償方法包含以下步驟：在一檢出感測器元件上檢出一第一測量值及一第二測量值；由該第一測量值及第二測量值產生一第一差數或和數；在考慮該第一差數或和數的情形下產生一個平方補償信號；由該第一測量值及第二測量值產生一第二和數或差數；且在考慮第二和或差數的情形下產生一振動補償信號。
該產生振動補償信號的步驟包含用一個來自該旋轉速率感測器的一驅動單元的一調節回路的調節值作一道調變或乘法。
如果該補償方法包含另一步驟，在此步驟中從該積分補償信號(73)與該振動補償信號(99)產生一第三和或差數(74)，則甚有利。
如果該積分補償信號的產生作業包含一第一濾波作業，特別是一第一低通或帶通濾波作業，及/或該振動補償信號的產生作業包含一第二濾作業，特別是一第二低通濾波作業，則特別有利。
本發明茲配合附圖利用特佳實施例說明。
以下配合圖1及圖2說明本發明的實施例，在振動陀螺儀(Vibrationsgyrometer)的場合，利用克氏力效應 (Corioliseffeke)以測定往旋轉速率Ω。為此將一微機械感測器部分(克氏力元件)(12)一測震質量塊(seismische Masse，英：seismic mass)(10)(一可動之質量塊構造)沿第一方向x加速到一速度v。這點係利用一種驅動振動作用(14)，這種振動作用頻率ω。此測震質量塊(10)利用彈簧元件(16)懸架在一基材(18)上，其中該測震質量塊(10)可沿一第一方向x作驅動振動(14)(偏移)，其可沿一第二方向y(它垂直於第一方向x)偏移。克氏力Fc=2mv×Ω和速度成正比則沿第二方向y作用，其中所檢出的旋轉速率Ω(移動速度)的向量朝向一方向z，此方向垂直於平面xy朝向。
旋轉速率感測器(38)包含一振盪器/驅動單元(40)及一分析/檢出單元(42)。後者可為一種補償電路或一種檢出電路，為了形成該振盪器/驅動單元(40)以供一個用有限振幅驅動的測震質量塊(10)，故使用一調節回路(44)以確保振動條件，並使用一AGC(自動增益控制)調節回路(46)以調節恆定的驅動信號(24)。在該振盪器/驅動器單元(40)中，該機械式振動器[由測震質量塊(10)和彈簧元件(16)構成]受到一股機械驅動力量FA 。為了將測震質量塊(10)沿第一方向x驅動。故設有驅動手段(22)，它們呈電容器形式，因為它們可設計成電容方式。有一驅動信號(24)可送到驅動手段(22)，該信號在驅動手段(22)中轉換成一機械式驅動力量FA 。此外，在測震質量塊(10)之上設有驅動測量手段(26)，它們利用測震質量塊(10)的驅動振動沿第一方向x產生一對回耦信號(281)(282)，該信號利用一對電容-電壓轉換器(30)及一 第一差動類比-數位轉換器(48)處理。在圖示之實施例中，驅動測量手段(26)同樣設計成電容方式且顯示成電容器形式。處理過的回耦信號(50)送到一PLL[相位鎖定回路(Phase-locked-loop)]電路(52)，它由此產生一調整值(54)，此調整值(54)送到一第一數位-類比轉換器(56)，該數位-類比轉換器產生該驅動信號(24)。此外，該處理過的回耦信號(50)送到一AGC調節器(58)以作自動放大調節，該AGC調節器產生一AGC信號(60)，以影響該送到驅動手段(22)的驅動信號(24)的強度。
由於感測器部分(10)中的缺陷(Imperfektion)，故在驅動振動(14)的頻率ω的範圍內也產生一種和路徑成比例的干擾偏轉xQ ，它稱為“平方干擾”(Quadraturstörung)，或簡稱「平方」(Quadratur)。這種測震質量塊(10)的干擾偏轉xQ 係由一力量FQ 產生，且相對於測量偏轉xc 的相位有90°的相位移動，這種測量偏轉xc 係由該與力量成正比的克氏力FC 產生。沿第二方向y的偏轉xM =xC +xQ 係為測量偏轉xC 與干擾偏轉xQ 重疊。它係在測量手段(34)上測量且轉換成一偏轉信號(621)(622)。此處測量手段(34)同樣設計成電容方式且顯示成電容器形式。這些干擾偏轉xQ 可有不同方向。但重要的是沿第二方向y的干擾偏轉xQ 的向量的分量。因為測量手段(34)分析此方向y的偏轉xM 。為了壓制干擾偏轉xQ ，設有補償手段(64)，這些補償手段嵌到該測震質量塊(10)上。此處，補償手段(64)同樣設計成電容方式且呈電容器形式顯示。有一補償驅動信號(66)可送到該補償手段 (64)，該補償驅動信號(66)用於利用電手段壓制干擾信號xQ ，因此在感測器輸出端(68)看不到干擾信號。
茲說明該分析/檢出單元(42)，該與速度成比例的克氏力FC=2mv×Ω造成該測震質量塊(10)沿y方向[亦即在測量手段(34)上]一種「測量偏轉」(20)，則因此用驅動振動作用(14)的頻率ω造成一對波幅調變的偏差信號(621)(622)。這對信號(621)(622)利用一對第二電容電壓轉換器(70)及一第二差動類比數位轉換器(72)處理。分析作用係利用力量補償原理達成，亦即一種所謂的“閉路”原理。在此由於受克氏力與積分干擾xQ 的力量作用FC +FQ 造成之測震質量塊(19)的偏轉利用一股作用到感測器部分(10)上的補償力量FK 回歸到零。此力量與F△ 與F△ 連同補償力量FK [它由回耦信號(Rückkupplungssignal，英：back-coupling signal)造成]形成一合力，該合力作用到機械式振動器(10)。由於這種合力，造成感測器部分(10)的機械式偏轉，此偏轉y利用第二電容-電壓轉換器(70)轉換成一電偏差信號(621)(622)，並送到第二差動數位-類比轉換器(72)及一數位濾波器(76)，因此產生一種反耦信號(Gogenkupplungssignal，英：counter-coupling signal)(74)作為調節信號。此反耦信號(74)送到一第二數位-類比轉換器(78)，並轉換成一補償力量FK以使感測器部分(10)的偏轉值y回復(rückfuhren，英：restore)。此反耦信號(74)也形成感測器輸出信號(80)的基礎。此反耦信號(74)利用電驅動信號(24)的調整值(54)作同步解調變(82)，該成反比的干擾信號(積分)xQ [它們間接地由驅動力量FA 造成]利 用該同步解調變(82)的作用壓制。然後在一「輸出濾波器」(84)中作輸出濾波並因此在輸出端(68)產生感測器輸出信號(80)。
在傳統構造方式的閉路旋轉速率感測器，特別是在平面外(out-of-plane)旋轉速度感測器[其中在感測器部分(10)中藉著調變的力FQ 的回復作用作主動性的積分補償]可觀察到一種振動敏感性，它會使測量結果造假。利用分析計算可證明：在低頻範圍中，該干擾性振動敏感性係該振動運動用力量FQK 作調變的結果，該力量係將該積分運動xQ 作補償[以將感測器部分(10)的干擾運動xQ 壓制]所必需者，此力量FQK =(1/2ε(A/d)U2(式1)。對於積分補償力量FQK 而言，適用以下式子：A=by sin(ωt)(式2)。當沿z軸有干擾運動時，距離改變：d-do +z sin(ω干擾t)(式3)。因此造成一種力量FQK ，它與以下因素有關：FQK =sin(ωt)/[1+(z/do )sin(ω干擾 t)](式4)將第二項展開成一次方數列造成以下結果：FQK =sin(ωt)/[1-2(z+do )sin(ω干擾 t)+...](式5)這點對應於二種運動形式的調變且在側角度帶(ω-ω干擾 )與(ω+ω干擾 )中產生力量FQK ：[sin(ωt)[sin(ω干擾 t)]=(1/2){[cos(ω-ω干擾 )t]-[cos(ω+ω干擾 )t]}(式7)此力量FQK 利用該(板狀)電容器的非線性靜電作用(Elektrostatik)回復到ω，且因此產生一信號，該信號相當於一虛擬的旋轉速率。
依本發明，在該「振盪模擬電路」(86)[第二分析單元(86)] 將一種描述這種力量成份FQ干擾 的振動補償信號(99)儘可能準確地模擬。並經由一累數(和數)差數產生器(100)以及既有的補償手段(電極)(64)回送到感測器部分(10)，因此靜電的非線性作用的影響可完全或大大地除去至少大大地減少。為了將由振動引起的干擾XQ干擾 作這種方式的補償，故該由此振動造成的(干擾性)運動XQ干擾 利用一第二類比-數位轉換器(86)檢出。如此所檢出的信號(90)可利用一濾波器(92)將頻帶寬度限制，以避免振動補償的干擾性副作用。如此所求出的振盪模擬電路(86)的輸出信號(94)[它含有一虛擬的旋轉速率資訊]利用驅動單元(40)的調整值(54)在一同步調變器(96)中調變，並利用一累數(和數)(Summen)或差數(Differenz)產生器(100)以加成(additiv)的方式供到該閉路之「檢出調節回路」(102)的反耦信號(74)中。如果不採此方式，也可將該由振動元件造成及檢出衍生的信號(94)用於將該求出之旋轉速率(80)或計算之偏差誤差作數位式補償。
(10)‧‧‧測震質量塊(感測器部分)
(12)‧‧‧微機械感測器部分(克氏力元件)
(14)‧‧‧驅動振動作用
(16)‧‧‧彈簧元件
(18)‧‧‧基材
(22)‧‧‧驅動手段
(24)‧‧‧驅動信號
(26)‧‧‧驅動測量手段
(30)‧‧‧電容-電壓轉換器
(34)‧‧‧測量手段
(38)‧‧‧旋轉速率感測器
(40)‧‧‧振盪器/驅動單元
(42)‧‧‧分析/檢出單元
(44)‧‧‧調節回路
(46)‧‧‧AGC調節回路
(48)‧‧‧差動類比數位轉換器
(50)‧‧‧回耦信號
(52)‧‧‧相位鎖定回路
(54)‧‧‧調整值
(56)‧‧‧第一數位-類比轉換器
(58)‧‧‧AGC調節器
(60)‧‧‧AGC信號
(64)‧‧‧補償手段(電極)
(66)‧‧‧補償驅動信號
(68)‧‧‧感測器輸出端
(70)‧‧‧第二電容-電壓轉換器
(72)‧‧‧第二差動類比-數位轉換器
(73)‧‧‧平方補償信號
(74)‧‧‧反耦信號
(76)‧‧‧數位濾波器
(78)‧‧‧第二數位-類比轉換器
(80)‧‧‧感測器輸出信號(旋轉速率)
(82)‧‧‧同步解調
(84)‧‧‧輸出濾波器
(86)‧‧‧振盪模擬電路(第二分析單元)
(90)‧‧‧信號
(92)‧‧‧濾波器
(94)‧‧‧信號
(96)‧‧‧調變或乘法作用
(98)‧‧‧輸入端
(99)‧‧‧振動補償信號
(100)‧‧‧累數(和數)或差數產生器
(102)‧‧‧檢出調節回路
(281)‧‧‧回耦信號
(282)‧‧‧回耦信號
(621)‧‧‧(波幅調變的)第一偏差信號(第一測量值)
(622)‧‧‧(波幅調變的)第二偏差信號(第二測量值)
FA ‧‧‧(機械性)驅動力量
FC ‧‧‧克氏力
FQ ‧‧‧力量
Ω‧‧‧旋轉速度
x‧‧‧第一方向
v‧‧‧速度
ω‧‧‧頻率
xQ ‧‧‧干擾偏差
y‧‧‧第二方向
z‧‧‧第三方向
圖1係一旋轉速率感測器的微機械感測部分的示意圖；圖2係本發明的旋轉速率感測器的第一實施例的示意方塊圖。
(12)‧‧‧微機械感測器部分(克氏力元件)
(24)‧‧‧驅動信號
(30)‧‧‧電容-電壓轉換器
(42)‧‧‧分析/檢出單元
(52)‧‧‧相位鎖定回路
(54)‧‧‧調整值
(56)‧‧‧第一數位-類比轉換器
(58)‧‧‧AGC調節器
(60)‧‧‧AGC信號
(66)‧‧‧補償驅動信號
(68)‧‧‧感測器輸出端
(70)‧‧‧第二電容-電壓轉換器
(72)‧‧‧第二差動類比-數位轉換器
(73)‧‧‧積分補償信號
(74)‧‧‧反耦信號
(76)‧‧‧數位濾波器
(78)‧‧‧第二數位-類比轉換器
(82)‧‧‧同步解調
(84)‧‧‧輸出濾波器
(86)‧‧‧振盪模擬電路(第二分析單元)
(90)‧‧‧信號
(92)‧‧‧濾波器
(94)‧‧‧信號
(96)‧‧‧調變或乘法作用
(98)‧‧‧輸入端
(99)‧‧‧振動補償信號
(100)‧‧‧累數(和數)或差數產生器
(102)‧‧‧檢出調節回路
(281)‧‧‧回耦信號
(282)‧‧‧回耦信號
(621)‧‧‧(波幅調變的)第一偏差信號(第一測量值)
(622)‧‧‧(波幅調變的)第二偏差信號(第二測量值)

Claims (9)

  1. 一種旋轉速率感測器(38)用的補償電路，其中該補償電路包含一第一分析單元，用於在考慮到一差數或一和數的情形下產生一種平方補償信號(73)。該差數或和數由一第一測量值及一第二測量值形成，該補償電路有一第二分析單元(86)，用於在考慮到一和數或差數(90)的情形下產生一振動補償信號(99)，該和數或差數(90)由一第一檢出之測量值及一第二檢出之測量值形成，該第二分析單元(86)有一輸入端(98)，以供從該旋轉速率感測器(38)的一驅動單元(40)的一調節回路(44)輸入一調整值。
  2. 如申請專利範圍第1或第2項之補償電路，其中：該補償電路有一和數或差數產生器(100)，以由平方補償信號(73)及振動補償信號(99)產生一第三和數或差數(74)。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之補償電路，其中：該第一分析單元有一第一濾波器(76)，其為一低通或帶通濾波器，且/或該第二分析單元有一第二濾波器(92)，其為一個低通濾波器。
  4. 一種旋轉速率感測器(38)用的檢出電路，其中該檢出電路有一調變器或一乘法器，用於產生一旋轉速率信號(80)，該旋轉速率信號(80)代表該旋轉速率感測器(38)的一旋轉速率的值，其特徵在：該檢出電路包含一個申請專利範圍第1至第4項的補償電路，其中該第二分析單元(86)有一輸入端(98)以供從該 旋轉速率感測器(38)的驅動單元(40)的一調節回路(44)輸一調整值。
  5. 一種旋轉速率感測器(38)，其中該旋轉速率感測器(38)包含一驅動單元(40)，以及一補償電路，其中該補償電路包含一第一分析單元，用於在考慮到一差數或一和數的情形下產生一種積分補償信號。該差數或和數由一第一測量值及一第二測量值形成，且該補償電路有一第二分析單元(86)，用於在考慮到一和數或差數(90)的情形下產生一振動補償信號(99)，該和數或差數(90)由一第一檢出之測量值(621)及一第二檢出之測量值形成，且該第二分析單元(86)有一輸入端(98)，以供從該旋轉速率感測器(38)的一驅動單元(40)的一調節回路(44)輸入一調整值。
  6. 一種旋轉速率感測器(38)用的補償方法，其中該補償方法包含以下步驟：-在一檢出感測器元件(12)上檢出一第一測量值(621)及一第二測量值(622)；-由該第一測量值(621)及第二測量值(622)產生一第一差數或和數；-在考慮該第一差數或和數的情形下產生一個積分補償信號(73)；-由該第一測量值(621)及第二測量值(622)產生一第二和數或差數(90)；且-在考慮第二和數或差數(90)的情形下產生一振動補償信號(99)，其中該產生振動補償信號(99)的步驟包含用一 個來自該旋轉速率感測器(38)的一驅動單元(40)的一調節回路(44)的調節值(54)作一道調變(96)或乘法(96)的作用。
  7. 如申請專利範圍第6項之補償方法，其中：該補償方法包含另一步驟，在此步驟中從該平方補償信號(73)與該振動補償信號(99)產生一第三和數或差數(74)。
  8. 如申請專利範圍第7項之補償方法，其中：該平方補償信號(73)的產生作業包含一第一濾波作業(76)，特別是一第一低通或帶通濾波作業，及/或該振動補償信號(99)的產生作業包含一第二濾作業，特別是一第二低通濾波作業。
  9. 一種轉速感測器，包含：一驅動電路及，一用於該轉速感測器的檢出電路，一調變器或一乘法器，用於產生一旋轉速率信號，其指示該旋轉速率感測器的旋轉速率的程度，及一補償電路，其中該補償電路包含一第一分析單元，用於在考慮到一差數或一和數的情形下產生一種積分補償信號。該差數或和數由一第一測量值及一第二測量值形成，且該補償電路有一第二分析單元(86)，用於在考慮到一和數或差數(90)的情形下產生一振動補償信號(99)，該和數或差數(90)由一第一檢出之測量值(621)及一第二檢出之測量值形成，且該第二分析單元(86)有一輸入端(98)，以供從該旋轉速率感測器(38)的一驅動單元(40)的一調節回路(44) 輸入一調整值。
TW098145427A 2009-02-10 2009-12-29 旋轉速率感測器用的補償電路與其補償方法 TWI482946B (zh)

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