一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统

摘要

本发明公开了一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，包括振型稳定单元、驱动控制单元、差分电容检测器和信息检测单元。陀螺在起振电路的驱动下，开始振动，经过振型稳定单元、驱动控制单元使钟形振子振型稳定。差分电容检测器对钟形振子式角速率陀螺振子的检测电极和反馈电极进行充放电，将检测到的差分电容信号转化成相应的误差电压信号输出到高精度放大器，经过解调后，由处理器解算出输入角速率。本发明的电路系统结构简单、性能优良、精度高，特别是引入了振型稳定单元，在提高陀螺仪输出信号的灵敏度的同时，有效地抑制陀螺器件本身的不足。

权利要求

1.一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于：该电路系统包括振型稳定单元、驱动控制单元、电极驱动单元、差分电容检测器和信息检测单元；驱动控制单元连接电极驱动单元；电极驱动单元直接驱动钟形振子的两个驱动电极；振型稳定单元根据钟形振子上的两个振幅检测电极，分析出钟形振子的振型情况，将情况反馈给驱动控制单元，使得钟形振子振型达到稳定；差分电容检测器连接钟形振子的两个切向位移检测电极和两个振幅稳定电极，同时差分电容检测器的输出连接信息检测单元；信息检测单元负责处理相关钟形振子的位移变化信号，并将最终解算出的角速率输出。

2.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于：所述的驱动控制单元采用双驱动双反馈的方式。

3.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于：所述的振型稳定单元包括16位双通道AD转换器(3-19)和振型稳定单元控制器(3-20)；在振型稳定单元控制器(3-20)的控制下，16位双通道AD转换器(3-19)将两路位移变化模拟量，转换成两路数字信号，传输给振型稳定单元控制器(3-20)。

4.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于：所述的信息检测单元包括高精度放大器一(3-4)、高精度放大器二(3-13)，采样保持电路一(3-5)、采样保持电路二(3-32)，除法器一(3-6)、除法器二(3-14)，18位双通道AD转换器(3-7)，主控CPU(3-8)；经过高精度放大器一(3-4)放大后的信号传输至采样保持电路一(3-5)，从采样保持电路一(3-5)出来的信号经过除法器(3-6)得到钟形振子在该轴向上的节点位置变化模拟量；经过高精度放大器二(3-13)放大后的信号传输至采样保持电路二(3-32)，从采样保持电路二(3-32)出来的信号经过除法器二(3-14)得到钟形振子在该轴向上的节点位置变化模拟量，将这两个轴向上的节点位置变化模拟量送至18位双通道AD转换器(3-7)中，在主控CPU(3-8)的控制下将这两个模拟量转换成数字量，由主控CPU(3-8)对这两组数字量进行处理，得到角速率。

说明书

一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种角速率陀螺的电路系统，特别是涉及一种钟形振子角速率陀螺的电路系统。

背景技术

[0002] 陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导与控制系统的核心部件，其中振动陀螺代表一种重要的惯性技术，具有所有的惯性品质。基于哥氏力原理的振动陀螺在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表受到广泛的重视。在科学技术的发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。

[0003] 申请号为：201010215745.1，发明名称为：钟形振子式角速率陀螺的专利申请提供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀螺，其敏感元器件采用熔融石英材料的钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺的电路系统是采用以半球谐振陀螺的电路系统为基础的电路系统，该电路系统存在结构复杂、测量精度较低、不适合大规模生产且价格昂贵等缺点。本发明正是基于该钟形振子式角速率陀螺提供了一种电路系统。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服钟形振子式角速率陀螺电路系统结构复杂、测量精度较低、不适合大规模生产且价格昂贵等缺陷，提出了一种简单易行的钟形振子式角速率陀螺的电路系统。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，该电路系统包括振型稳定单元、驱动控制单元、电极驱动单元、差分电容检测器和信息检测单元；驱动控制单元连接电极驱动单元；电极驱动单元直接驱动钟形振子的两个驱动电极；振型稳定单元根据钟形振子上的两个振幅检测电极，分析出钟形振子的振型情况，将情况反馈给驱动控制单元，使得钟形振子振型达到稳定；差分电容检测器连接钟形振子的两个切向位移检测电极和两个振幅稳定电极，同时差分电容检测器的输出连接信息检测单元；信息检测单元负责处理相关钟形振子的位移变化信号，并将最终解算出的角速率输出。

[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0008] 1)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，借鉴半球谐振陀螺的电路系统设计思想，简化了电路的结构，设计出的钟形振子式角速率陀螺电路系统性能优良，精度高，可以抑制陀螺敏感元件本身的不足。

[0009] 2)在钟形振子式角速率陀螺的电路系统中，驱动电路不断地对振子补充能量，使钟形振子做稳定的简谐振动；当振子振动幅度增加时，陀螺的灵敏度也会增大，同时陀螺输出标度因子的稳定性也要求振子驱动振幅保持稳定，因此引入振型稳定单元电路。

[0010] 3)振型稳定单元电路能够实时追踪钟形振子式角速率陀螺驱动模态谐振频率的变化，及时调整驱动电压的频率，从而提高钟形振子式角速率陀螺输出信号的灵敏度。

[0011] 4)采用高精度检测电容差动式读取振子质点切向位移，将检测信号送到信号处理电路解算出输入角速率。

[0012] 5)采用高速DSP处理器作为该电路的主处理器，在保证计算精度的同时可以满足输出速度的要求。

附图说明

[0013] 图1为本发明钟形振子式角速率陀螺电路系统框图；

[0014] 图2为本发明钟形振子式角速率陀螺电极分布图；

[0015] 图3为本发明的钟形振子式角速率陀螺电路系统组成图；

[0016] 图4为本发明的钟形振子幅度控制原理图；

[0017] 图5为本发明钟形振子式角速率陀螺的信号流图；

[0018] 图6为本发明的振幅控制单元的流程图；

[0019] 图7为本发明的振型调整电极配置原理图。

具体实施方式

[0020] 一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，工作过程中将采用静电激励和电容检测的方式。激励和检测电极对都是由钟形振子上贴的电极与基座电极构成，电极材料是带绝缘衬底的金电极。该电路系统包括振型稳定单元、驱动控制单元、电极驱动单元、差分电容检测器和信息检测单元，如图1所示。陀螺振子在驱动控制单元的作用下，开始振动，经过振型稳定单元使钟形振子振型稳定。差分电容检测器对钟形振子式角速率陀螺振子的电极进行充放电，将检测到的差分电容信号转化成相应的误差电压信号输出到信息检测单元，解算出角速率。

[0021] 本发明的钟形振子式角速率陀螺的电路系统中，驱动控制单元连接电极驱动单元；电极驱动单元直接驱动钟形振子的两个驱动电极；振型稳定单元根据钟形振子上的这两个振幅检测电极，分析出钟形振子的振型情况，将情况反馈给驱动控制单元，使得钟形振子振型达到稳定；差分电容检测器连接钟形振子的两个切向位移检测电极和两个振幅稳定电极，同时差分电容检测器的输出连接至信息检测单元；信息检测单元负责处理相关钟形振子的位移变化信号，并将最终解算出的角速率输出。

[0022] 驱动控制单元的作用是保持钟形振子工作在稳定的四波腹振动状态，钟形振子式角速率陀螺采用双驱动双反馈的驱动控制单元。如图4所示，根据电容的静电力原理，检测P3、P7位置的振动幅度Z反馈到驱动控制单元，在P1、P5位置施加静电力来完成钟形振子振幅控制。

[0023] 当驱动方向位移x(t)保持幅值和频率恒定时，检测方向位移y(t)的幅值将与角速率Ω成正比。但是，驱动振动和检测振动之间存在耦合，这必然导致驱动位移x(t)随着角速率Ω而改变，从而影响陀螺的测量线性度和精度，所以本发明加入了振型稳定单元。

[0024] 该振型稳定单元采用数字控制方法实现，对振幅的结构进行建模，钟形振子式角速率陀螺的信号流图如图5所示。

[0025] 从图5可以得出驱动位移x与驱动力Fx之间的传递函数为：

[0026]

[0027] 式中，cx为x轴向电极的电容值，cy为y轴向电极的电容值，kx为x轴向的比例系数，ky为y轴向的比例系数，mx为x轴向电极的质量，my为y轴向电极的质量。传递函数Hd(s)是关于角速率Ω的时变函数，这将导致陀螺测量的非线性，所以要加入控制环节保证驱动振幅的稳定，加入振型控制环节的流程图如图6所示。其中，K是控制率，E0是期望驱动振幅。本发明提出的钟形振子的振幅稳定程度预计达到10-6。

[0028] 钟形振子式角速率陀螺的信息检测单元在振型节点位置采用4电极差动检测位移的方式，检测对象是钟形振子边缘在哥氏力作用下的位移，这是本发明提出的钟形振子式角速率陀螺电路系统的检测方式与半球振动陀螺等在检测方式上的不同。这种检测方式降低了钟形振子式角速率陀螺的复杂程度。经过初步测算，钟形振子在哥氏力的作用下位移幅度y≈0.5μm，单电容检测最小位移yj≤0.02μm，采用多电极差动测量方法还能提高位移y的测量精度。

[0029] 在钟形振子四波腹振动的节点位置检测位移时，节点的零位稳定性至关重要，它直接关系到角速率测量的精度，因此寻找解决节点零位漂移的方法是非常重要的。探索通过研究振型稳定单元来实现振型节点的零位稳定。下面将对振型稳定单元电极的位置进行配置并给出电极上的电压与驱动电极电压的参考关系。

[0030] 设钟形振子在环向A，B两点同时有激励力FA(t)和FB(t)，如图7所示。其中，O点为原点，A点位零度线，B点位置角度为θB，C点位置角度为θC。假设FA(t)和FB(t)的频率相同，且等于壳体环向波数为2的振型所对应的谐振频率ω。

[0031] 在A点：

[0032] A点激励的脉冲力函数可表示为：

[0033] FA(t)＝F0(t)δ(θ) (3)

[0034] 其中F0(t)是初始激励力幅值，将式(3)进行傅立叶展开：

[0035]

[0036] 驱动力在闭环控制下，仅出现环向波数为2的振型，那么振子振型表示为：

[0037]

[0038] 在脉冲力表达式中：

[0039]

[0040] 当振子上只施加FA(t)时，振子振型可以表示为：

[0041]

[0042] 在B点：

[0043] 当FB(t)单独作用于壳体B点时，壳体振型可以表示为：

[0044]

[0045] 式中，B是驱动力FB(t)幅值。

[0046] 当A点与B点同时作用：

[0047] 当FA(t)和FB(t)同时作用于壳体上A、B两点时，壳体振型表示为：

[0048]

[0049] 由于驱动过程中FA(t)和FB(t)同时作用，即tA＝tB＝t0，则：

[0050]

[0051] 上式可以写成：

[0052]

[0053] 其中，

[0054]

[0055]

[0056] 在本发明的振型稳定单元电极设计中取θB＝45°，式(12)、(13)可以进一步简化：

[0057]

[0058]

[0059] 当作用于A，B两点的FA(t)和FB(t)的幅值改变时，就可以使壳体的环向振型发生移动。连续不断地改变A、B的比值，就可以使壳体的环向振型发生进动，利用这种原理可以使振型相对壳体保持静止。当壳体旋转角度为Ω时，振型产生的进动角K·Ω与壳体转动方向相反，K为进动因子，振型表示为：

[0060]

[0061] 当θc＝KΩ时，就可以使振型保持稳定。再根据公式(15)可以得到A、B两点力的比值，从而确定振型稳定单元电极上应该施加的电压值。

[0062] 根据上述工作原理，本发明给出了相关的电路系统实现方法。首先，钟形振子式角速率陀螺的电极分布，如图2中所示，为使钟形振子2-1有效振动和检测振子形变方便，采用8电极安装方式，包括第一驱动电极2-5、第二驱动电极2-9；负责检测振幅、频率是否稳定的第一振幅检测电极2-3、第二振幅检测电极2-7；用于检测形变信号的第一切向位移检测电极2-2、第二切向位移检测电极2-6、第一振型稳定电极2-4、第二振型稳定电极2-8。

[0063] 本发明的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，同样采用8电极安装方式，但是8个电极的作用有所改变，第一驱动电极2-5、第二驱动电极2-9做驱动电极使用；第一振幅检测电极2-3、第二振幅检测电极2-7用做振型检测；第一切向位移检测电极2-2、第二切向位移检测电极2-6、第一振型稳定电极2-4和第二振型稳定电极2-8用做位移检测。

[0064] 图3中给出了本发明提供的电路系统组成图，包括信号的提取部分3-2，钟形振子式角速率陀螺的检测电极信号输入端一3-1、检测电极信号输入端二3-11、检测电极信号输入端三3-29、检测电极的信号输入端四3-15，用于检测振型是否稳定的反馈提取部分3-25，检测钟形振子振幅、频率的反馈电极信号输入端一3-16、反馈电极信号输入端二3-23，信息检测单元3-9，振型稳定单元3-27，电极驱动单元3-28，用户数据输出总线3-10，驱动电极信号输出端一3-22，驱动电极信号输出端二3-30。

[0065] 在电路系统中，信号提取部分3-2中的差分电容检测器一3-3和差分电容检测器二3-12采用AD8222为主要检测芯片，再配以相关的外围电路；信息检测单元3-9中的高精度放大器一3-4、高精度放大器二3-13、检测振型是否稳定的反馈提取部分3-25中的高精度放大器三3-17和高精度放大器四3-24采用的芯片为OPA2365；信息检测单元3-9中的采样保持电路一3-5、采样保持电路二3-32、检测振型是否稳定的反馈提取部分3-25中采样保持电路三3-18和采样保持电路四3-26采用的芯片为AD781；信息检测单元3-9中的除法器一3-6和除法器二3-14采用CD4046；信息检测单元3-9中的18位双通道AD转换器3-7采用两块AD7982并联的方式构成；振型稳定单元3-27中的16位双通道AD转换器3-19采用ADS1209；信息检测单元3-9中的主控CPU3-8使用高速DSP芯片TMS320C6727；
振型稳定单元3-27中的振型稳定单元控制器3-20使用LM3S1635；电极驱动单元3-28中的电极驱动器一3-21和电极驱动器二3-31采用DAC8831-EP。

[0066] 陀螺开始工作时，CPU给振型稳定单元控制器3-20一个初始振幅值，该控制器传输两路信号到电极驱动器一3-21和电极驱动器二3-31，电极驱动器一3-21和电极驱动器二3-31分别传输信号波形给驱动电极信号输出端一3-22和驱动电极信号输出端二3-30，驱动电极信号输出端一3-22将信号传输至第一驱动电极2-5，驱动电极信号输出端二3-30将信号传输至第二驱动电极2-9，用于钟形振子2-1的起振。在振子振动的同时，反馈电极有变化量输出，反馈电极的输入信号一3-16和反馈电极的输入信号二3-23分别经过高精度放大器三3-17和高精度放大器四3-24，再分别送入采样保持器三3-18和采样保持器四3-26，从采样保持器三和采样保持器四输出的信号输入到振型稳定单元3-27的双通道16位AD转换器3-19中，再将振子的振动信息送入振型稳定控制单元控制器3-20，振型稳定单元控制器3-20可以自主调节振型，使振型达到稳定，并将振型的信息传送给CPU3-8。

[0067] 检测振型是否稳定的反馈提取部分3-25中，反馈电极的输入信号一3-16连接第一振幅检测电极2-3，反馈电极的输入信号二3-23连接连接第二振幅检测电极2-7。主控CPU3-8将初始振幅值以及振幅控制需要的信息传输给振型稳定单元控制器3-20，将两路驱动信号传输至电极驱动器一3-21和电极驱动器二3-31，电极驱动器一3-21通过驱动电极输出端一3-22驱动第一驱动电极2-5，电极驱动器二3-31通过驱动电极输出端二3-30驱动第二驱动电极2-9。待钟形振子2-1起振后，第一振幅检测电极2-3连接反馈电极输入信号一3-16，第二振幅检测电极和检测电极2-3与反馈电极的输入信号二3-23连接，将钟形振子2-1振动轴向上发生的位移变化产生的模拟量，分别传送至运算放大器三3-17和运算放大器四3-24，信号经过运算放大器三3-17和运算放大器四3-24后，再分别经过采样保持器三3-18和采样保持器四3-26输送进16位AD转换器3-19，在振型稳定单元控制器3-20的控制下，将两路位移变化模拟量，转换成两路数字信号，传输给振型稳定单元控制器
3-20，振型稳定单元控制器3-20控制振型保持稳定。

[0068] 检测电极信号输入端一3-1连接第一切向位移检测电极2-2，检测电极信号输入端二3-11连接第二切向位移检测电极2-6，采集这两个检测电极的信号，通过差分电容检测器一3-3，计算钟形振子节点位置的变化量；同理，检测电极信号输入端三3-29连接第一振型稳定电极2-4，检测电极信号输入端四3-15连接第二振型稳定电极2-8，采集这两个电极的信号通过差分电容检测器二3-12，计算另外两个钟形振子节点位置的变化量。信号提取部分3-2计算出来的位置变化量，是第一切向位移检测电极2-2和第二切向位移检测电极2-6的差分信号和第一振型稳定电极2-4和第二振型稳定电极2-8的差分信号，这两组差分信号，分别经过高精度放大器一3-4和高精度放大器二3-13，将差分信号放大，以保证信号处理时的精度在期望的范围内。经过运算放大器一3-4放大后的信号传输至采样保持器一3-5，从采样保持器一3-5出来的信号还需要经过除法器一3-6得到钟形振子在这个轴向上的节点位置变化模拟量；同理，经过运算放大器二3-13放大后的信号传输至采样保持器二3-32，从采样保持器二3-32出来的信号经过除法器二3-14得到钟形振子在此轴向上的节点位置变化模拟量。将这两个轴向上的节点位置变化模拟量送至双通道18位AD转换器3-7中，将这两个模拟量在CPU3-8的控制下转换成数字量，由CPU3-8对这两组数字量进行处理，得到角速率。另外，CPU3-8根据运行情况调整高精度放大器一3-4和高精度放大器二3-13的比例系数，使得测量的角速率不会发生太大的漂移。

[0069] 有角速率输入时，检测电极输出的信号连接检测电极信号输入端一3-1、检测电极信号输入端二3-11，传至差分电容检测器一3-3中，再经过高精度放大器一3-4、采样保持器一3-5、除法器一3-6，将除法器一3-6输出的振子的形变信息传至双通道18位AD转换器3-7中。同理，检测电极输出的信号连接检测电极信号输入端三3-29、检测电极信号输入端四3-15，传至差分电容检测器二3-12中，再经过高精度放大器二3-13、采样保持器二3-32、除法器二3-14，将除法器二3-14输出的振子的形变信息传至双通道18位AD转换器
3-7中，由转换器3-7将信息传输进CPU3-8用于解算当前角速率，最后通过数字接口3-10将角速率值和陀螺的相关信息输出给用户。

[0070] 本发明提供的电路系统可以简化陀螺结构，也为批量生产提供了便利条件。