专利名称：用于振荡旋转传感器的低量化级方法和设备的制作方法
本申请是1997年7月31日提出的题为“用于振荡旋转传感器的低量化方法和设备”。临时申请号为60/054,361的申请的继续申请。
本发明涉及一种振荡旋转传感器，其中振荡部件是薄壁的轴对称半球形壳，尤其涉及用于这种传感器的控制电子设备。
附
图1描绘了一种现有技术的振荡旋转传感器10，带有一个外部部件12，一个半球形共振腔14，和一个内部部件16，所有这些部件均以熔凝石英制成，并通过铟结合在一起。这种类型的振荡旋转传感器通常被称为半球形共振陀螺仪(HRG)，其振荡部件14是一个薄壁的轴对称半球性壳。
该半球形共振陀螺仪(HRG)中的惯性敏感部件是该半球形共振腔14，通常为一个薄壁的5.8CM直径的钟形物体，放置于外部部件12和内部部件16之间，并在该内外件之间由杆26支撑。
该薄壁轴对称半球形壳14以一种呈驻波形的较低挠曲方式振荡。附图2和附图3在其振荡形变的两个末端26和28中显示了存在于该壳式共振腔14的边缘周围的驻波。
该椭圆形驻波包含4个波腹和4个波节。波腹和波节彼此间隔45度，该驻波的旋转敏感性产生于这样的事实即经受振荡振荡的该壳的每一质量成份都好比一个傅科摆。当壳绕轴旋转时，极力保持固定在惯性空间中的、其线动量的方向。所产生的科里奥利力，壳的振荡运动的产物和该惯性输入率使得该驻波向该壳旋进。驻波旋进角与该惯性输入旋转角的比率被称为陀螺仪的角增益。
在运行中，需要力来控制该壳式共振腔14上的驻波，这些力实际上就是准静电。在附图1所示的半球形共振陀螺仪(HRG)的情况下，有一批电极22镀在该外壳12的内表面20上，该外壳与该半球形壳式共振腔14同心。将壳式共振腔14的外表面金属化，使得当装配该装置时，在外壳12中的电极连同其面对的共振腔的表面构成一组强迫性静电电容。对这些电极的适当结合部施加电压，以控制该静电波的波幅，并抑制不需要的正交效应。
HRG10绕正交于该壳式共振腔14的边缘34的平面的轴旋转，使得该驻波以与该HRG10的旋转角度成比例的一个角度，朝与该HRG相反的方向旋转。因此，通过测量该驻波与该HRG10的旋转角，即可确定该HRG10的旋转角。
该壳式共振腔14的振荡模式可通过对该共振腔施加直流偏压以及对该强制电极20施加交流电压来激励。该交流电压的频率通常两倍于该半球形壳式共振腔14的共振频率。
从该HRG读出的、含有有关该壳式共振腔14上的驻波的波幅和位置的信息的信号也可以电容方式获得。通过将该壳式共振腔14的内表面30金属化，可构成电容可读电极24，位于一个内部同心壳上的一组电极24将保持在与该内部金属化的壳式共振腔14极为接近的地方。由于壳的振荡形变，每一电极24的电容都被调整为该共振腔挠曲频率。由读取电路测量这些电容值变化，并由此确定该驻波的位置和波幅。
有关振荡旋转传感器的更多细节可以在1990年8月28日授予LOPER.JR的4951508号美国专利中查到，其整个公开内容皆包含在此。
8个电极24(附图2)通常被镀在该传感器组件的表面，这8个电极在附图2和附图3中简略地描绘成30和32，它们以4个一组成二组连接在一起。每4个一组电极30和32测量驻波模在该电极上的波幅。从第1组电极30输出，1号传感轴为PO1(1号传感轴)=Acos(2PA)从2组电极32输出，2号传感轴为PO2(2号传感轴)=Asin(2PA)模角(PA)由公式PO2/PO1=Tan(2PA)计算。
有两种操作HRG的方法。重平衡力方法(FTR)和全角方法(WA)。在重平衡力方法中，一个静电力施加到共振腔以锁定模角为0度上下。当模角接近0时，传感轴的输出PO1=Acos(2PA)=A并且PO2=Asin(2PA)=A(2PA)由于PO2是小信号，可以对该信号施加较大增益，以提高HRG的分辨率和敏感性。
在全角操作方法中，所施加的惯性率使得模26相对于传感轴34运动，到达一个新的位置36(附图2)。这个差38就是模角PA。从两组电极输出的信号PO1和PO2必须调节到处理较大的信号。根据传感值测量驻波成分，然后取它的波幅比的反正切，则给出模角PA38的一个测量值。
在附图4所示的全角操作轨迹模式中，数字信号处理控制器52控制该交流激励电压50，从而使从共振腔41读出的信号与在驻波波节和波腹处的运动成比例。
有关全角操作轨迹模式的更进一步的细节可参考由Matthews,Vanty,Li和Lynch共同提出的、题为振荡旋转传感器，带全角跟随的待决专利申请。
附图4给出了实现这一操作的电路，包括带共振腔41、1组和2组电极43的HRG40。本例中的驻波成分，通过一个交流缓冲器42，从共振腔41测量。该驻波成分由轴1处理器44和轴2处理器46进行处理。将所得信号提供给一个模/数转换器(ADC)48。转换成的数字形式信号被提供给数字信号处理控制器52，由其提供模角输出到线路54，以及一个反馈激励信号50到激励电极43。一个计算机生成激励角被补偿到该模角。结果，该信号可由非常高的增益进行放大，以获得低噪音的、高准确率的读出信号，而且在很宽的动态范围内不损失卓越的比例系数性能。
当以全角模式操作时，HRG拥有高动态率能力。然而，许多精确标定和轨迹控制应用都要求低噪音。全角模式读出信号的数字化导入了非常明显的角量化噪音；例如，对于一个16位的ADC来说，约为4弧秒。在精确标应用中，现有的量化噪音必须以大于1000以上的系数降低。这就要求大于26位的模/数转换器。这样的模/数转换器目前还不现实。
上述全角操作轨迹模式，通过产生一个可由12至16位模/数转换器量化的、小误差信号，减小该模/数转换器的位数要求。在全角跟随模式中，高动态率，低噪音角读出，可通过回转一组电子计算的读出激励信号来达到。然而，这些信号所要求的数/模转换器(DAC)又会产生必须受校正的、大角量化噪音。
本发明的目标和总的目的可通过一种对产生该HRG激励信号的、该数/模转换器输出的量化与向数字信号处理器输出模角(PA)的模/数转换器的量化同步的设备和方法而实现。该模/数转换器窗口，确定为以m系数大于该数/模转换器离散电平。一个数字反馈回路传感较大的模/数转换器输出，并校正该HRG轨迹信号，从而使模角和轨迹角信号之间的差异总是保持很小，并处于该模/数转换器窗口内。
本发明的准确特性以及其目标和优点，参考以下结合附图的详细描述将会变的更加明显，更易理解，其中所有图中相同的部件以相同的标号表示。附图中附图1是现有技术的HRG的基本成份的放大示意图；附图2是该HRG共振腔上的驻波的图示；附图3是该HRG共振腔上的驻波的图示；附图4是用于HRG的控制电路的方块图；附图5是本发明的控制电路的方块图。
本发明通过对数/模转换器82的量化操作以及模/数转换器72的量化操作进行同步而达到降低量化噪音电平的目的。
该HRG40可看成是这样的一个装置，它接收两个基本输入，一个被该陀螺仪58整合为模角(PA)60的惯性率56。第2个输入是代表激励角61的激励信号。
全角跟随机制的作用就是改变激励角θe61，以跟随模角θp60。如果能使模角θp和激励角θe之间的差值很小，由差分比较器62所确定，则将在输出64产生一个小差值信号，该信号输往缓存器66和解调器68，由解调器去除射频载波后提供给一个前置放大器70的输入。由于该信号很小，可在前置放大器70中采用高增益放大后再输入到模/数转换器(ADC)72将该信号进行量化。
假设该全角跟随模式运转正确，模角θp和激励角θe之间的差很小，由于模角是以线性方式连续变化，而激励角将随模角的更新而连续更新。但是，经线路61提供给比较器62的模角θp是由数/模转换器(DAC)82产生，并由之量化。DAC82的量化限制了反馈环保持前置放大器70的输入为小信号的能力。正常情况下，数/模转换器量化等于每位80弧秒。因此，如果在前置放大器70中使用过高增益，提供给该模/数转换器72的放大信号将超出其窗口，使得该数字信号处理器74将要处理大噪音脉冲。
输入到模/数转换器72的放大信号必须保持在模/数转换器72的窗口内，以避免上述大噪音脉冲。为了确保由前置放大器70提供给模/数转换器72的放大信号是在该ADC的窗口内，最好将该ADC窗口设定为该数/模转换器离散电平的Nw倍，Nw可是1或2之类的整数。一个优选实施例的ADC窗口设定为该DAC82的离散电平的2倍。
经线64输入到前置放大器70的读出信号(θp-θe)的总量化可由以下公式计算θT=θADC+θDAC=N1+(N2-Nw)其中θT是读出信号的总量化，θADC是模/数转换器的量化，N1是模/数转换器的位数，N2是数/模转换器的位数。
对于一个12位的数/模转换器和一个12位的模/数转换器而言，θT=12+(12-2)=22位。对于一个16位的数/模转换器和一个16位的模/数转换器而言，θT=16+(16-2)=30位。
如哈铂空间望远镜这样的高精度标定应用中采取的30位量化，本系统将提供的2-30弧/秒的量化级，相当于0.00019弧秒。
为了确保模/数转换器72的输出不使大脉冲信号进入数字处理器74，在比较器76中，将模/数转换器72的输出信号与由数字控制器80计算后存储在量化器78中的激励角值进行比较，数字控制器80在线路83上产生一个信号，表示该模角(PA)斜率或称变化率，并在线路81上产生一个信号，表示该激励角或跟随角。激励角信号也作为一个输出提供给DAC82，并经驱动器83输往HRG40。如果比较器76接受到高脉冲信号，则由控制器80输出的激励角信号将保持在以前的电平。
权利要求
1．在一个带有能够至少以一组驻波模式之一振荡的、旋转式对称薄壁共振腔的振荡旋转传感器中，关于该共振腔上一个顺序点的驻波的定向，由一个模角确定，该传感器带有一个数字信号处理器，可产生与关于共振腔上的参考点的一个激励角，用以减少在该传感器电子电路中的量化噪音的控制设备包括一个向该传感器输出激励角信号的数/模转换器；一个模/数转换器，其窗口为输入信号设定为该数/模转换器的离散量化级的N倍，并接收来自传感器的模角信号和该激励角信号之间的差值；和反馈装置，用于校正该模/数转换器的量化输出，以保持输入到该模/数转换器的差信号在其窗口内。
2．根据权利要求1的控制设备，其特征在于该模/数转换器窗口被设定为4倍于该数/模转换器的离散电平。
3．根据权利要求1的控制设备，其特征在于该模/数转换器是一个12位的转换器，该数/模转换器是一个12位的转换器。
4．根据权利要求1的控制设备，其特征在于该模/数转换器是一个16位的转换器，该数/模转换器是一个16位的转换器。
5．根据权利要求1的控制设备，其特征在于该模/数转换器是一个12位到16位范围内的转换器，该数/模转换器具有与模/数转换器相同的位数。
6．根据权利要求1的控制设备，其特征在于该反馈装置包括一个比较装置，用于把该模/数转换器的输出与一个预先产生的激励角信号进行比较，并提供一个差值校正信号；和一个控制装置，接收来自该比较装置的信号，并产生一个激励角信号，作为到该数/模转换器的输入。
7．根据权利要求6的控制设备，其特征在于该反馈装置还包括一个量化装置，用于从该控制设备接收该激励角信号，并将预先产生的激励角信号提供给该比较装置。
8．根据权利要求7的控制设备，其特征在于该模/数转换器的窗口设定为4倍于该数/模转换器的离散电平。
9．根据权利要求7的控制设备，其特征在于该模/数转换器是一个12位的转换器，该数/模转换器是一个12位的转换器。
10．根据权利要求7的控制设备，其特征在于该模/数转换器是一个16位的转换器，该数/模转换器是一个16位的转换器。
11．在一个带有能够至少以一组驻波模式之一振荡的、旋转式对称薄壁共振腔的振荡旋转传感器中，关于该共振腔上一个顺序点的驻波的定向，由一个模角确定，该传感器带有一个数字信号处理器，可产生与该共振腔的参考点有关的一个激励角，一种用以减少在该传感器电子电路中的量化噪音的方法，其步骤包括将来自该数字信号处理器的激励角信号转换为模拟信号对该模拟激励角信号与来自该传感器的模拟角信号进行比较，并产生模拟差值信号；将该模拟差值信号转换为数字信号；和校正该数字差值信号，使该模拟差值信号保持在特定范围以内。
12．根据权利要求11的方法，其特征在于数/模转换步骤和模/数转换步骤都使用相同的量化级数。
13．根据权利要求12的方法，其特征在于该两种转换步骤的量化级都是12。
14．根据权利要求12的方法，其特征在于该两种转换步骤的量化级都是16。
15．根据权利要求12的方法，其特征在于该两种转换步骤的量化级在12到16的范围内。
16．根据权利要求12的方法，其特征在于该校正步骤包括将该数字差值信号与一个预先产生的激励角信号进行比较，并提供一个差值校正信号；和一旦接收该差值校正信号，产生一个激励角信号。
17．根据权利要求16的方法，其特征在于该校正步骤还包括按其产生时的状态存储接收到的激励角信号，并提供所存储的激励角信号以便与该数字差值信号进行比较。
全文摘要
在一个半球形共振腔陀螺仪(HRG)式的振荡旋转传感器中,以全角模式运行,其中该驻波成分被测量,以提供该模角的一个测量值,该数字信号处理器用以控制该数/模转换器输出信号,以保持高倍放大的模/数输入信号,模角和激励角之间的差,落在该模/数转换器窗口内。模/数转换器窗口设定为n倍于该数/模转换器的离散电平。在该数字信号处理器中的一个数字反馈环继续校正该轨迹角,以控制该激励电压。
文档编号G01P9/04GK1207496SQ9811711
公开日1999年2月10日 申请日期1998年7月31日 优先权日1997年7月31日
发明者安东尼·马修斯, 彼得·K·陈, 居伊·T·瓦尔蒂 申请人:利顿系统公司