专利名称：速率闭环振梁式角速率传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种振梁式角速率传感器，特别是指一种测量载体在惯性空间运动角速率的力学传感器，功能类似于惯性仪表中的角速率陀螺。该传感器采用电容测量振梁运动引起的静电电荷变化并辅以闭环反馈，形成一种速率闭环静电振梁式角速率传感器。
根据上述目的设计了一种速率闭环振梁式角速率传感器，在金属外壳内设置有敏感器件支架，敏感器件为安装在基座中的振梁及其控制电路，其振梁为矩形截面立方柱振梁，基座为与振梁相匹配的立方箱体，振梁安装在基座内；在所述振梁的表面上制作有熔石英电极片，在基座的内壁对应处也制作有熔石英电极片；振梁借助支撑钢丝悬吊在基座内，支撑丝安装在振梁的基波波节点处。制作在振梁表面上的熔石英电极片位于立方柱型振梁的四个侧面上，大小及尺寸相互一致；基座内壁上的熔石英电极片与振梁上的电极片相互对应，相对应的熔石英电极片构成一个电容，包括用于读出沿基座轴向转动时振梁运动信号的电容C2、用于驱动的电容C3、用于增大阻尼的电容C4、用于测量驱动运动反馈信号电容的C1，各电容与控制电路连接，是控制电路的组成元件。在立方柱振梁两端的侧面还分别各设置有一端两片共四片熔石英电极片，在基座的内壁对应处也制作有熔石英电极片，该电极片分别构成用于速率闭环伺服的输出电容C5、C6、C7、C8。所述的电容C1、C2、C3、C4的熔石英电极片设置在基波节点之间，C5、C6、C7、C8的熔石英电极片位于在基波节点的外侧位于振梁的两端头。
装配时，围绕振梁的熔石英电极片可制作在基座内壁上，还可在基座内围绕振梁上基波节点之间的熔石英电极片设置一隧道型支架，熔石英电极片中的三个制作在隧道隧道型支架的内壁上、一个制作在基座的内壁上；绕振梁上基波节点外侧的熔石英电极片设置有一峡型支架，熔石英电极片位于峡型支架的内壁上，峡型支架壁与隧道型支架侧壁位于同一条直线上。
在控制电路中，构成驱动电容C3的电极片与电源及电压扩张电路连接，加电时C3产生使振梁抖动的静电力，振梁的抖动使电容C1产生一反馈信号，该反馈信号进入测量电路得到VF信号；一路VF信号经整流电路，再经误差放大电路到增益放大电路，另一路VF信号经变频电路及移相电路后也进入增益放大电路，两路VF信号叠加后进入电压扩张电路再到C3，第三路VF信号经移相限幅放大器后向相敏调解电路输出解调信号。振梁的抖动导致电极片构成的读出电容C2的电容量值变化，该变化量的信号经读出电路后至比例放大器再进入相敏调解电路，经相敏调解电路解调后送到低通放大电路，得到传感器运动状态的输出信号Vout1。另外，由变频电路输出的信号还有一路进入移相电路，并与比例放大电路的输出一起进入阻力调制电路，产生调制后的信号Vr再输送到阻尼电容C4；由该变频电路输出的信号还有一路进入移相限幅放大器，移相限幅放大器将该信号处理成开关调制信号后送到开关调制电路，同时采集的输出信号则经校正放大电路后进入开关调制电路调制并向放大电路输出，该放大器与两个电压扩张电路连接，该两电压扩张电路分别将电压信号施加在电容C5、C7和C6、C8上，由此构成了速率闭环。
本实用新型的关键是振梁的尺寸比单纯的静电振梁式角速率传感器振梁大，因而使设置实现速率闭环产生静电力的电容电极成为可能，再配之实现速率闭环的电路，使振梁在某一轴向的运动始终处在一个小尺寸范围内，从而进一步提高并保证了整机线性度、稳定性及分辨率。由于各单元电路均采用传统成熟电路，还大幅度降低了成本。附表给出了本实用新型的测试数据。
从附图
2的电路框图可知本实用新型的工作过程。
首先，C3、C1构成的振梁驱动与反馈电路是一个闭环稳定抖动回路，并为其它电路提供了信号源。其中电压扩张驱动电路30在加电时会产生一电压突变VD并施加到电容C3的两极片5、9上，由此产生一个静电力使振梁开始抖动。振梁的抖动立即使电容C1产生一个反馈信号，经电容测量电路28得到VF信号。一路VF信号经整流电路32输出并与参考信号VR相比较得到一个差值电压ΔVF，再经误差放大电路33送到增益放大电路29；另一路VF信号经变频电路31后进入移相电路27处理后也被送到增益放大电路29，两路信号叠加后进入电压扩张电路并再被送到电容C3的两电极片，以维持振梁的稳定抖动。另外还有第三路VF信号经移相限幅放大器34后输出解调信号到低通放大电路40。同时，为了维持振梁稳定的抖动，还需要有一定的阻尼参数及辅助驱动，这些由阻尼电容C4提供，其工作过程为，由变频电路31输出的信号还进入了移相电路36，然后与比例放大电路38的输出一起送到阻力调制电路35，然后调解电路将调制后的信号Vr送到电容C4的电极上。
由于振梁的抖动带动电极片运动，使电极片组成的电容的容值随抖动轨迹、抖动频率而发生变化。当本实用新型处于静止状态时，其信号输出是稳定值；当本实用新型随被测体运动时，电容容值的变化反应了被测体运动的状态。电容C2容值的变化经读出电路37、比例放大器38后送到相敏解调电路39，再经低通放大电路40解调后就得到了被测体运动状态的角速率输出信号Vout1。同时，经变频电路31输出的信号还有一路送到了移相限幅放大器41，移相限幅放大器将该信号处理成开关调制信号后输入到开关调制电路42；也有一路被测体运动状态的输出信号Vout1被送到校正放大电路46后进入开关调制电路，两路信号经叠加调制后进入放大电路43，并经两路电压扩张电路44、45分别送到C5、C7和C6、C8上，实现了速率闭环，提高了振梁在小幅抖动情况下的稳定工作能力。
而专用电源26的作用是向电压扩张驱动电路和阻力调解电路提供参考电源，并向振梁上的电极片提供基准电源。
附表本实用新型的测试数据
权利要求1.一种速率闭环振梁式角速率传感器，在金属外壳内设置有敏感器件支架，敏感器件为安装在基座(4)中的振梁(1)及其控制电路，其特征是振梁为矩形截面立方柱振梁，基座为与振梁相匹配的立方箱体，振梁安装在基座内；在所述振梁的表面上制作有熔石英电极片(5、6、7、8)，在基座的内壁对应处也制作有熔石英电极片(9、10、11、12)；振梁借助支撑钢丝(2、3)悬吊在基座内，支撑丝安装在振梁的基波波节点(23、24)处。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是制作在振梁表面上的熔石英电极片位于立方柱型振梁的四个侧面上，大小及尺寸相互一致；基座内壁上的熔石英电极片与振梁上的电极片相互对应，熔石英电极片(6、10)构成用于读出沿基座轴向转动时振梁运动信号的电容C2、电极片(5、9)构成用于驱动的电容C3、电极片(8、12)构成用于增大阻尼的电容C4、电极片(7、11)构成用于测量驱动运动反馈信号电容的C1，各电容与控制电路连接。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征是立方柱振梁两端的侧面还分别各设置有一端两片共四片熔石英电极片(14、15和18、19)，在基座的内壁对应处也制作有熔石英电极片(13、16和17、20)，电极片(13和14、15和16、17和18、19和20)分别构成用于速率闭环伺服的输出电容C5、C6、C7、C8。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征是所述的电容C1、C2、C3、C4的熔石英电极片设置在基波节点之间，C5、C6、C7、C8的熔石英电极片位于在基波节点的外侧。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征是基座内围绕振梁上基波节点之间的熔石英电极片设置有一隧道型支架，熔石英电极片(9、10、11、12)位于隧道型支架及基座的内壁上；绕振梁上基波节点外侧的熔石英电极片设置有一峡型支架，熔石英电极片(13、16和17、20)位于峡型支架的内壁上，峡型支架壁与隧道型支架侧壁位于同一条直线上。
6.根据权利要求2或3所述的传感器，其特征是电极片(5、9)构成的驱动电容C3与电源(26)及电压扩张电路(30)连接，加电时C3产生使振梁抖动的静电力，振梁的抖动使电容C1产生一反馈信号，该反馈信号进入测量电路(28)得到VF信号；一路VF信号经整流电路(32)，再经误差放大电路(33)到增益放大电路(29)，另一路VF信号经变频电路(31)及移相电路(27)后也进入增益放大电路，两路VF信号叠加后进入电压扩张电路再到C3，第三路VF信号经移相限幅放大器(34)后向相敏调解电路(39)输出解调信号。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征是振梁的抖动导致电极片(6、10)构成的读出电容C2的电容量值变化，该变化量的信号经读出电路(37)后至比例放大器(38)再进入相敏调解电路，经相敏调解电路解调后送到低通放大电路(40)，得到传感器运动状态的输出信号Vout1。
8.根据权利要求6所述的传感器，其特征是由变频电路(31)输出的信号还有一路进入移相电路(36)，并与比例放大电路(38)的输出一起进入阻力调制电路(35)产生调制后的信号Vr输送到阻尼电容C4。
9.根据权利要求6所述的传感器，其特征是由变频电路(31)输出的信号还有一路进入移相限幅放大器(41)，移相限幅放大器将该信号处理成开关调制信号后送到开关调制电路(42)；同时采集的输出信号经校正放大电路(46)后进入开关调制电路调制并向放大电路(43)输出，该放大器与电压扩张电路(44、45)连接，两电压扩张电路分别将电压信号施加在电容C5、C7和C6、C8上。
专利摘要一种通过振梁运动引起电容内静电电荷变化计算出运动角速率的速率闭环振梁式角速率传感器，其敏感器件为用钢丝悬吊在基座中的振梁及其控制电路，在振梁及基座的内壁有一一对应的电极片，构成了驱动电容C
文档编号G01P3/44GK2543069SQ02270980
公开日2003年4月2日 申请日期2002年6月6日 优先权日2002年6月6日
发明者王福殿, 吕良, 杨冠 申请人:惠州惠台仙通智能仪表有限公司