施加交流作用力電壓的振動旋轉傳感器的製作方法

2023-05-28 15:30:36

專利名稱：施加交流作用力電壓的振動旋轉傳感器的製作方法
技術領域：
本發明的主題與專利申請「具有多路復用電子線路的振動旋轉傳感器」(Matthews，Darling和Varty)、「全形跟蹤振動旋轉傳感器」(Mattthews、Varty、Li和Lynch)和「帶交流作用和檢測電子線路的振動旋轉傳感器」(Kumar和Foster)中揭示的發明主題相同。
本發明通常涉及振動旋轉傳感器，特別是涉及與這類旋轉傳感器相連的電子線路。


圖1示出了組裝前的現有技術振動旋轉傳感器(VRS)10，它由外層部件12、半球形共振器14和內層部件16組成，所有這些部分由熔凝石英構成並通過銦結合在一起。惰性敏感元件為薄壁狀直徑為5.8cm的半球形共振器14，它位於外層部件12與內層部件16之間並且由杆26支承。
一個環狀衝頭電極20和16個分立的衝頭電極22與外層部件12的內部表面粘合在一起。在組裝好的VRS10中，環狀衝頭電極20和16個分立的衝頭電極22緊靠在半球形共振器14的外部金屬化表面32附近。在組裝好的VRS中，附著在內層部件16的8個敏感元件電極24緊靠在半球形共振器14的內部金屬化表面30附近。
電容力藉助金屬化表面32與環狀衝頭電極20之間適當的作用力電壓施加在半球形共振器14上從而使其以最低階非伸縮(或柔性)模式振動。建立起了具有沿四周以90度相隔的四個反節點的駐波，四個節點與反節點偏離45度。0度和180度反節點與90度和270度反節點相差為90度。駐波使半球形共振器的邊緣形狀從圓形變化為橢圓狀(主軸通過0度/180度的反節點和90度/270度的反節點)。
VRS10圍繞垂直於半球形共振器邊緣34平面的軸轉動，使得駐波沿反方向轉動，其轉動角度正比於VRS10的轉動角。這樣，通過測量駐波相對VRS10的轉動角度，可以確定VRS10的轉動角度。
通過在半球形共振器14上施加直流偏壓並在環狀衝頭電極20上施加交流電壓激發了半球形共振器14的振動模式，其中交流電壓的頻率是半球形共振器14共振頻率的兩倍。
當半球形共振器14振動並且敏感元件電極24相對半球形共振器14金屬化內表面30的電容發生變化時，通過測量流入流出敏感元件電極24的電流確定了駐波相對VRS10的模式角。x軸信號Ix由I0-I90+I180-I270組合得出，這裡的下標表示相對電流源電極x軸的角度位置。同樣，y軸信號Iy由I45-I135+I225-I315組合得出。兩倍駐波模式角相對0度(即x)軸的正切值等於Iy/Ix。
由於半球形共振器14厚度的不均勻，第一駐波的建立將會導致第二駐波的生成，該駐波以正交相位振蕩，其反節點與第一駐波的節點重合。通過在16個分立衝頭電極22上施加合適的電壓可以阻止第二駐波的形成。
為了降低施加在環狀衝頭電極20和分立衝頭電極22上的交流作用力電壓並且使施加在共振器上的力相對交流驅動電壓呈線性變化，直流偏壓通常維持在半球形共振器14的外部金屬化表面32上。直流偏壓的存在導致VRS電學特性變化緩慢，這歸因於外層部件12和內層部件16上或內部發生的電荷遷移現象所引起的電容變化。這些緩慢變化導致令人無法接收的性能隨時間的大幅度下降，因此需要提供特殊的裝置來補償這些效應。
本發明提供一種方法，它通過在共振器表面導電區域與相對該導電區域的一個或多個衝頭電極之間建立直流電壓，將作用力施加在振動旋轉傳感器(VRS)的共振器上。該方法包括以下步驟產生具有第一頻率和第一相位的第一交流電壓；產生具有第二頻率的第二交流電壓並使第一和第二交流電壓在共振器表面導電區域與一個或多個衝頭電極之間形成差異。當共振器振動時，第一和第二交流電壓與共振器上某一點的位移同步。
VRS振動頻率與第一和第二頻率之差或之和的比率為整數之比。
圖1為已有技術振動旋轉傳感器的元件部分。
在現有技術中，為了降低所需的交流作用力電壓並且使施加在共振器上的力相對交流驅動電壓呈線性變化，直流偏壓一直維持在共振器上。本發明通過簡單地利用共振器上(或者由於電極與共振器之間存在與作用在共振器上的力有關的電勢差，所以同樣作用在衝頭電極上)相位適當的交流偏壓實現了上述兩個目標。
在現有技術的VRS裝置中，由於直流偏壓的存在導致VRS電學特性變化緩慢。這些變化被解釋成由於熔凝矽電介質(包括電極殼罩)上或內部發生的電荷遷移現象所引起的電容變化。這些緩慢變化導致VRS性能令人無法接收地大幅度下降。因此必須提供特殊的裝置來補償這些效應。自從電荷遷移現象被首次觀察到以來，消除共振器上直流偏壓一直被視為抑制或消除這種效應的一種手段。
VRS的環狀衝頭電極20或者其中一個分立衝頭電極22構成了球形電容器的一部分，其中共振器14的外部金屬化表面32部分面向較小的真空間隔。如果在電極與共振器之間存在電勢差V，則在共振器上施加有正比於V2的作用力F。例如，在現有技術的VRS裝置中，直流偏壓VBo施加在共振器上而驅動電壓Vωsinωt施加在衝頭電極上。同樣地，電壓VωsinωtVBo可以施加在衝頭電極上而共振器可以接地。在任一情況下，共振器上正比於衝頭電極與共振器之間電壓差的最終作用力由下式給出F∝(Vωsinωt-VBo)2＝Vω2(1-cos2ωt)-2VωVBosinωt+VBo2(1)實踐中常數項對共振器動力學的影響可以忽略不計，正比於cos2ωt的項影響非常小。因此共振器上的作用力基本上正比於上述表達式中的第二項。
F∝VωVBosinωt(2)由於對於給定的作用力，如果偏壓相應增加，則Vω可能減少，所以利用直流偏壓VBo實現了作用力隨驅動電壓Vω幅度呈線性變化並降低了對Vω幅度的要求大小。
施加在共振器上的作用力被用來維持所需的振蕩模式以抑制正交振蕩，並且在作用力-重新平衡模式中使駐波的方向相對VRS罩殼保持不變。通過在VRS上半球形共振器與一個或多個衝頭電極之間建立電壓(V1-V2)，產生了滿足上述需要的作用力，這裡V1＝Vω1sinω1t (3)V2＝Vω2sin(ω2t+φ)最終的作用力F正比於(V1-V2)2
F∝[Vω1sinω1t-Vω2sin(ω2t+φ)])2(4)該表達式可以改寫為F∝Vω12+Vω22-Vω12cos2ω1t-Vω22cos2(ω2t+φ)-2Vω1Vω2cos[(ω1-ω2)t-φ)]+2Vω1Vω2cos[(ω1+ω2)t+φ)] (5)為了保持所需振蕩模式的幅度，在環狀衝頭電極20與共振器14外部金屬化表面32之間加一電壓。如果半球形共振器邊緣的徑向位移是sinωt形式的時間函數，其中ω為振蕩的角頻率，則環狀衝頭電極與共振器電極之間維持振蕩所需的電壓應該正比於sin2ωt。為了形成這樣的作用力，例如設定ω1＝ω，ω2＝3ω，並且φ＝π/2，上述表達式中只有第三項是重要的F∝Vω1+Vω2sin2ωt (6)值得注意的是作用力F隨Vω1或Vω2都呈線性變化。
為了抑制正交振蕩，電壓被施加在四組相隔90度的四衝頭電極22與共振器14外部金屬化表面32之間，組與組之間相隔22.5度。如果半球形共振器邊緣的徑向位移是sinωt形式的時間函數，其中ω為振蕩的角頻率，則衝頭電極組與共振器電極之間的電壓應該正比於cos2ωt。為了形成這樣的作用力，例如設定ω1＝ω，ω2＝3ω，並且φ＝0，表達式(5)中只有第三項是重要的F∝-Vω1+Vω2cos2ωt (7)值得注意的是作用力F隨Vω1或Vω2線性變化。
在作用力-重新平衡模式中，在節點衝頭電極22與共振器14的外部金屬化表面32之間加一電壓。如果半球形共振器邊緣的徑向位移是sinωt形式的時間函數，其中ω為振蕩的角頻率，則衝頭電極與共振器導電區域之間的電壓應該正比於cos(5)ωt為了形成這樣的作用力，例如設定ω1＝ω，ω2＝2ω，並且φ＝0，這時表達式(5)中只有第三項是重要的F∝-Vω1+Vω2cosωt(8)值得注意的是作用力F隨Vω1或Vω2線性變化。
為了使定相誤差最小，需要將ω1和ω2選定為通過除以和/或乘以公共頻率得到的ω的整數被或分數倍。
通過使共振器電極與衝頭電極中任一電極接地並在另一電極上施加(V1-V2)使它們之間的電壓為(V1-V2)。另一種方法是在其中一個電極上加電壓V1而在另一電極上加V2。
上述本發明實施例藉助的是正弦函數形式。本發明更廣義的實施例將藉助周期函數F(ωt+φ)形式，此時方程式(3)變為V1＝Vω1F(ω1t)(9)V2＝Vω2F(ω2t+φ)最簡單的周期函數就是方波。採用這種周期函數產生的結果與採用正弦函數得到的結果等同。
在Loper等人於1990年8月28日提交的美國專利4,951,508中包含有振動旋轉傳感器的其它細節，它們作為參考文獻包含在這裡。
權利要求
1.一種將作用力施加在振動旋轉傳感器(VRS)的共振器上的方法，共振器表面有一個或多個導電區域，VRS具有多個與共振器表面導電區域相對的衝頭電極，所述方法包括以下步驟產生具有第一頻率和第一相位的第一交流電壓，當共振器振動時，所述第一交流電壓與共振器上某一點的位移同步；產生具有第二頻率的第二交流電壓，當共振器振動時，所述第二交流電壓與共振器上某一點的位移同步；在一個或多個衝頭電極與一個或多個共振器表面導電區域之間建立電壓差，所述電壓差等於第一和第二交流電壓之差。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於VRS振動頻率與第一和第二頻率之差的比率為整數之比。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於VRS振動頻率與第一和第二頻率之和的比率為整數之比。
全文摘要
本發明提供一種方法,它通過在共振器表面導電區域與相對該導電區域的一個或多個衝頭電極之間建立交流電壓,將作用力施加在振動旋轉傳感器(VRS)的共振器上。該方法包括以下步驟:產生具有第一頻率和第一相位的第一交流電壓;產生具有第二頻率的第二交流電壓並使第一和第二交流電壓在共振器表面導電區域與一個或多個衝頭電極之間形成差異。當共振器振動時,第一和第二交流電壓與共振器上某一點的位移同步。
文檔編號G01P3/44GK1193730SQ9810530
公開日1998年9月23日 申請日期1998年2月18日 優先權日1997年2月18日
發明者D·D·凌奇 申請人:利頓系統有限公司