校準軸對稱振動陀螺測試儀中的比例因子的方法

2023-04-24 22:34:01

專利名稱：校準軸對稱振動陀螺測試儀中的比例因子的方法
技術領域：
本發明涉及一種校準軸對稱振動速率陀螺儀的比例因子的方法。
背景技術：
已知各向同性振動速率陀螺儀由具有兩個自由度的軸對稱諧振器構成。 諧振器的振子元件被設置成通過振幅控制信號在振子元件的諧振頻率下 振動。為了控制振動的方向，也將進動控制信號施加于振子元件，由此在振子 元件的諧振頻率下的振子元件的振動測量和所述振動的解調能夠應用適當的 等式來確定諧振器所處於的轉速。
經由控制電極施加振幅控制信號和進動控制信號，該控制電極給出驅動增 益，即由控制信號產生的力振幅與控制信號振幅之比。同樣，通過給出檢測器 增益的檢測器電極測得輸出信號，所述增益是振動振幅與輸出信號的相應振幅 之比。
計算轉速的精確性是諧振器的比例因子的精確性的函數，其中該比例因子 是諧振器轉速與進動控制信號或等效輸出信號之比。
已發現比例因子作為諧振器所處溫度的函數而變化，並同樣作為器件老化 的函數隨時間變化。這些變化影響測量的精確性。
為了提高比例因子的準確性，已知將表存儲在陀螺儀的處理器單元中，這 些表規定作為溫度函數以及作為諧振器老化的函數的比例因子的變化。當使用 陀螺儀時，溫度測量由此能夠校準比例因子。然而，這些表建立在無法令人滿 意的預測模型的基礎上，且結果是所存儲的比例因子變化和陀螺儀使用時比例 因子的真實變化之間存在差異。
發明目的本發明的目的是從陀螺儀本身校準速率陀螺儀的比例因子。 發明概述
為了實現該目的，本發明提供通過將振幅控制信號和進動控制信號施加於 在給定頻率下開始振動的振子元件而校準軸對稱振動速率陀螺儀工作的比例
因子的方法，該方法包括預校準步驟，包括計算沿第一方向的驅動增益和沿 與第一方向模態正交(modal quadrature)的第二方向的驅動增益之間的基準 增益比並存儲該基準增益比；以及校準步驟，包括通過含基準增益比的比例關 系計算與比例因子相關聯的可測量級的值，並基於可測量級的值和所存儲的基
準增益比計算經校正的比例因子。
已發現儘管每個方向的驅動增益作為溫度的函數而變化並隨時間變化，然 而沿模態正交的兩個方向的驅動增益之比在一般要求的精確度下可認為是常 數。因此可在車間內準確地確定基準增益比。可測量級的即時測量則使陀螺儀 的比例因子可在其使用時間被校準。由于振幅控制信號和進動控制信號被施加
於同一電極以使驅動增益比不管溫度和/或經過時間為何始終保持等於l，本發 明的方法當陀螺儀配置成如文本FR-A-2 851 041 (或等同的US 7 010 977)
所述構成時尤為有利。
在本發明的第一實現方式中，可測量級是振動頻率的變化，作為施加 於至少一個控制電極的剛度控制信號的變化的函數。較佳地，剛度控制信 號與振幅控制信號以及進動控制信號具有90°時差，而剛度控制信號與進
動控制信號在幾何上是模態正交的。因此，進動控制信號受剛度信號的幹 擾非常小，因此可永久地施加剛度信號。
在本發明的另一實現方法中，可測量級是作為振幅控制信號中的變化的函 數的振幅變化。


在參照附圖閱讀本發明下面兩個特定和非限定的實現方式的詳細說明後， 本發明的其它特徵和優點變得明顯，其中
4圖1是適用於實現本發明的方法的半球形諧振器的示意截面圖；以及 圖2是示出更佳本發明第二實施例的當執行校準時振幅如何變化的圖表。
發明詳述
參照圖1，本發明的校準方法可用任何包含具有兩個自由度的軸對稱諧振 器的任何各向同性振動速率陀螺儀來實現，尤其是己知的包含半球形振子元件 1的諧振器，所述振子元件1例如為由二氧化矽製成並經由根部4固結於底部
3的振鈴。振鈴1的內表面及其邊緣以及根部4覆蓋在金屬層2中。底部3承 載電極5，每個電極可專用於控制或檢測功能，或者每個電極可多路選擇以在 控制功能和檢測功能之間切換。電極面向振子元件1的邊。諧振器也包括保護 電極6。用作速率陀螺儀，振子元件最初通過施加振幅控制信號CA開始振動， 並通過進動控制信號CP定向。
在本發明的第一實現方式中，交替的剛度控制信號cr也被施加於至少一 個控制電極。剛度控制信號較佳地與振幅控制信號ca和進動控制信號cp成 90°時差。剛度控制信號cr在幾何上也模態正交於進動控制信號cp，即當 在振子元件l的諧振頻率保持振動時，剛度控制信號CR施加於設置成與接收 進動控制信號的控制電極成90°的控制電極，如果在兩倍於諧振頻率的頻率下 激勵振子元件，則剛度控制信號cr施加於相對接收進動控制信號的控制電極 成45°的控制電極。
控制電子器件用來調整控制信號以使振幅沿第一方向2l與設定點值Ac對
應，而振幅沿與第一方向2l模態正交的第二方向L為零。2l力對應于振幅控制 ca而jL力對應於進動控制cp。 cp控制的值是速度q的測量值。則沿2l方向 和il方向獲得如下運動方程
formula see original document page 5
其中hl是振子元件i的質量，￡是振動阻尼，l是振子元件的剛度，q是
要測量的轉速，而Fy是沿y方向的力。
此外，當存在剛度控制時，諧振器的頻率通過下式給出附
其中dCR = 2.m.OJ.dUJ (4)
在實踐中，假定沿方向L的驅動增益為Gmx，而沐
為Gd，則等式(4)變為
2.m.U).dW = dCR.Gmx.Gd (5)
從中可推導出振動頻率相對於剛度變化時的變化比V:
廠—^to 一 (7肌.G^
此外，對於它所包含的三角值的第一近似值，可以下列形式寫出X':
x' = co.Ac/Gd
另外，通過引入沿iL方向的驅動增益Gmy:
Fy = CP.Gmy
等式(2)變成
0
(3:
:振幅的檢測器增益
(6)
Ac
2 ~~ + CP.Gray
(7)
從中可推導比例因子Gfe如下:
C屍 2.m.欣爿c
通過從等式(6)提取檢測器增益Gd的值並將其代入等式(8)，獲得下式
爿c
(9)
Q/fe G附y
其中V是通過使剛度控制變化並計算振動頻率的相應變化而測得的量級。
如上所述，2L驅動增益與51驅動增益之比為常數，以使用於測量比值V/Gfe 的相似設定點Ac保持常數，不管是在車間還是在校準比例因子時。在實踐 中，在車間中測得比值Gmx/Gmy並被存儲在諧振器的處理器單元的存儲器 中。當要求校準比例因子Gfe時，則有能力測量V的瞬時值並選擇與計算 驅動增益的比值時所使用的振幅設定點Ac相似的振幅設定點Ac，由此能 夠從等式(9)計算經校正的比例因子Gfe。
這種校準技術適用於剛度控制CR的振幅引起的頻率變化相比諧振器溫度 變化引起的頻率變化來得大的傳感器。本發明的這種實現方式因此特別適用於
6quapason型陀螺儀。
對於剛度控制變化期間頻率變化不足的陀螺儀，尤其是半球形諧振陀螺 儀，使用基於改變振幅控制的本發明方法的第二實現方式。在正常工作時，處 理器電子器件被配置成將振幅保持在恆定的設定點值Ac。當用正比于振幅的 信號代替振幅控制CA時，振幅作為t/Tl次冪的遞減指數(函數)而變化，其 中T1是遞減指數(函數)的時間常數，如圖2所示。維持該控制，直到振幅 到達預定的低閾值為止，例如圖2所示的AC/2。當振幅到達低閾值時，振幅 控制逆轉且振幅隨著一t/T2次冪的上升指數(函數)變化，其中T2是該第二 個指數(函數)的時間常數。時間常數在該機構系統中的表達是通過下列二階 方程給出的
77 2.肌w
從這兩個等式獲得機電效率係數
C = 0.5
1 — C4.G附x.G^ cd n — ~"2.麵~ 2g
1C4.Gwx.Gd a;+ .
(10)
(11)
1 1
一+一 71 T2
2貝w
通過等式(8)和(12)並在簡化後，獲得下列比值
12
(13)
以上述同樣的方式，比值C/Gfe直接取決於常數比值Grux/Gmy。 由於已在車間測量比值Gmx/Gmy並存儲在處理器單元中，當想要校準 比例因子時，用正比于振幅的信號代替振幅控制。測量遞減指數(函數) 的連續點，由此基於存儲在處理器單元中的模型測量時間常數T1。當振幅 到達低閾值時，振幅控制逆轉並測量連續的振幅變化點以確定上升指數(函 數)的時間常數T2。然後就能計算由等式(12)給出的機電效率係數C。 然後將C值代入等式(13),從中提取比例因子的最新值。
當在振子元件的諧振頻率下將振幅控制施加於控制電極時，檢測出的 信號遵循上述等式。當在兩倍于振子元件諧振頻率的頻率下給予振幅控制
7和進動控制時，控制電極產生靜電壓力，對此表達式可精簡為正比于振幅 的一個項，這意味著通過將作為常數的振幅控制CA施加於控制電極，機電 效率係數C被精簡為下列表達式-
formula see original document page 8
以在應用下式時簡化比值C/Gfe:
自然，本發明不局限於上述實現方式，而是可以具有許多實現變例，這些 變例對本領域內技術人員而言是明顯的，且不脫離本發明如權利要求書定義的 範圍。
具體地說，儘管在第二實現方式的較佳實現方式中，將低振幅閾值選為等 于振幅設定值的一半，由此能夠在短時間內獲得振幅的明顯變化同時執行校 準，可將一些其它閾值用作陀螺儀工作需求的函數。
2嚴w
C -C如x (15)
權利要求
1.一種通過將振幅控制信號(CA)和進動控制信號(CP)施加於在給定頻率下開始振動的振子元件而校準軸對稱振動速率陀螺儀工作的比例因子的方法，其特徵在於，包括預校準步驟，包括計算沿第一方向的驅動增益(Gmx)和沿與第一方向模態正交的第二方向的驅動增益(Gmy)之間的基準增益比並存儲該基準增益比；以及校準步驟，包括通過含基準增益比的比例關係計算與比例因子相關聯的可測量級的值，並基於可測量級的值和所存儲的基準增益比計算經校正的比例因子。
2. 如權利要求1所述的校準方法，其特徵在於，所述可測量級是作為施 加於至少一個控制電極的剛度控制信號的變化的函數的振動頻率的變化。
3. 如權利要求2所述的校準方法，其特徵在於，所述剛度控制信號與振 幅控制信號和進動控制信號具有90°時差，而所述剛度控制信號幾何上模態正 交於進動控制信號。
4. 如權利要求1所述的校準方法，其特徵在於，所述可測量級是作為振 幅控制信號(CA)的變化的函數的振幅變化。
5. 如權利要求4所述的校準方法，其特徵在於，產生振幅控制信號(CA) 以使振幅變化背離設定點振幅(Ac)至一低振幅閾值，隨後從所述低振幅閾值 向上逆轉變化至設定點振幅(Ac)。
6. 如權利要求5所述的校準方法，其特徵在於，所述低振幅閾值等於設 定點振幅的一半。
全文摘要
一種通過將振幅控制信號(CA)和進動控制信號(CP)施加於在給定頻率下開始振動的振子元件而校準軸對稱振動速率陀螺儀工作的比例因子的方法，該方法包括預校準步驟，包括計算沿第一方向的驅動增益(Gmx)和沿與第一方向模態正交的第二方向的驅動增益(Gmy)之間的基準增益比並存儲該基準增益比；以及校準步驟，包括通過含基準增益比的比例關係計算與比例因子相關聯的可測量級的值，並基於可測量級的值和所存儲的基準增益比計算經校正的比例因子。
文檔編號G01P21/00GK101568801SQ200780047640
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月12日 優先權日2006年12月20日
發明者A·勒諾, A·讓魯瓦, J·-M·卡龍 申請人:薩甘安全防護公司