專(zhuān)利名稱(chēng)：補(bǔ)償科式陀螺正交偏差的方法和實(shí)現(xiàn)該方法的科式陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在科式陀螺中進(jìn)行正交偏差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ⑶疑婕耙环N適用于此目的的科式陀螺。
背景技術(shù)：
科式陀螺(也被稱(chēng)為振動(dòng)陀螺)正在越來(lái)越多地用于導(dǎo)航的目的?？剖酵勇菥哂锌杀粚?dǎo)致振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)。每個(gè)質(zhì)量系統(tǒng)通常具有大量的振蕩模式，這些振蕩模式初始時(shí)是互相獨(dú)立的。為了操作科氏陀螺，質(zhì)量系統(tǒng)的特定振蕩模式由人工激勵(lì)進(jìn)行振蕩，下文中稱(chēng)之為“激勵(lì)振蕩”。當(dāng)科式陀螺被旋轉(zhuǎn)時(shí)，出現(xiàn)科式力，所述科式力吸收來(lái)自質(zhì)量系統(tǒng)的激勵(lì)振蕩的能量，并且傳送該質(zhì)量系統(tǒng)的另一振蕩模式，下文中稱(chēng)之為“讀出振蕩”(readoscillation)。為了確定科式陀螺的運(yùn)動(dòng)，讀出振蕩被分接(tap off)，相應(yīng)的讀出信號(hào)經(jīng)檢驗(yàn)以確定是否在讀出振蕩的振幅中出現(xiàn)任何變化，所述變化即表示對(duì)科式陀螺的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的測(cè)量?？剖酵勇菘刹捎瞄_(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的形式。在閉環(huán)系統(tǒng)中，讀出振蕩的振幅經(jīng)由相應(yīng)的控制回路被持續(xù)重設(shè)為固定值-優(yōu)選為0，并且該重設(shè)力被測(cè)量。
科式陀螺的質(zhì)量系統(tǒng)(在下文中也被稱(chēng)為“諧振器”)在這種情況下可以采用很多不同的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，可使用整體質(zhì)量系統(tǒng)?？蛇x擇地，可將質(zhì)量系統(tǒng)分為兩個(gè)振蕩器，它們經(jīng)由彈性系統(tǒng)相互耦合并且可實(shí)現(xiàn)相互的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。例如，已知的一種包括所使用的兩個(gè)線(xiàn)性振蕩器的耦合系統(tǒng)，這也稱(chēng)為線(xiàn)性雙振蕩器系統(tǒng)。如果使用這種耦合系統(tǒng)，那么由于制造公差，兩個(gè)振蕩器相互之間的定向誤差是不可避免的。兩個(gè)振蕩器相互之間的定向誤差產(chǎn)生了測(cè)得轉(zhuǎn)速信號(hào)中的零誤差分量，即所謂的“正交偏差”(或者更精確地說(shuō)正交偏差分量)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種方法和一種科式陀螺，借助該陀螺可補(bǔ)償諸如此類(lèi)的正交偏差分量。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的目的通過(guò)如權(quán)利要求1所述的對(duì)具有兩個(gè)線(xiàn)性振蕩器的諧振器進(jìn)行正交偏差補(bǔ)償?shù)姆椒ǘ鴮?shí)現(xiàn)。本發(fā)明也提供一種如權(quán)利要求6所述的適于此目的的科式陀螺的實(shí)施例?？剖酵勇莸钠渌m當(dāng)實(shí)施例包含在權(quán)利要求12中。本發(fā)明的思想的有利改善和發(fā)展體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求中。
為了幫助理解根據(jù)本發(fā)明的方法的技術(shù)背景，將在下文使用線(xiàn)性雙振蕩系統(tǒng)的實(shí)例再次簡(jiǎn)要說(shuō)明科式陀螺的物理原理。
科式力可表示如下F→=2mv→sxΩ→---(1)]]> 科式力m振蕩器質(zhì)量 振蕩器速度 轉(zhuǎn)速如果對(duì)科式力作出反作用的質(zhì)量等于振蕩質(zhì)量，如果振蕩器在固有頻率ω下操作，那么2mv→sxΩ→=ma→c---(2)]]>振蕩器速度由下式給出v→S=v→s0sinωt---(3)]]>其中 振蕩器幅值ω振蕩器的固有頻率振蕩器和科式加速度因此由下式給出a→S=v→s0ωcosωt]]>a→c=2v→s0sinωt×Ω→---(4)]]>因此，兩個(gè)加速度矢量在空間上相互成直角并且在時(shí)間函數(shù)中相互偏移90°(空間和時(shí)間正交性)。
使用這兩種標(biāo)準(zhǔn)從而將振蕩器加速度 與科式加速度 分離開(kāi)。上述加速度幅值ac和as的比率為
acas=2Ωω---(5)]]>如果轉(zhuǎn)速為Ω＝5°/h并且振蕩器的固有頻率為fs＝10KHz，那么acas=7.7·10-10---(6)]]>對(duì)于5°/h的精度，第一振蕩器與第二振蕩器的不理想的耦合不能超過(guò)7.7·10-10，或者必須保持恒定為該值。如果使用包括兩個(gè)線(xiàn)性振蕩器的質(zhì)量系統(tǒng)，所述振蕩器經(jīng)由彈性件相互連接，那么空間正交性的精度將被限制，因?yàn)樵谡袷幠Ｊ脚c測(cè)量模式之間的彈性元件存在定向誤差。可獲得的精度(受制造公差限制)為10-3至10-4。時(shí)間正交性的精度由電子元件的相位精度限制為例如10KHz，其精度同樣地僅符合至多10-3至10-4。這意味著上述加速度比值無(wú)法被滿(mǎn)足。
實(shí)際上，測(cè)得加速度比值 為 空間誤差導(dǎo)致所謂的正交偏差BQ，該偏置又與時(shí)間相位誤差Δ共同導(dǎo)致偏置BBQ＝6.5·106°/h至6.5·105°/hΔ＝10-3至10-4[8]B＝BQ·Δ＝6,500°/h至65°/h因此，正交偏差造成對(duì)測(cè)量精度的主要限制。在這種情況下，應(yīng)該注意，上述誤差分析僅考慮振蕩模式對(duì)讀出模式的直接耦合。其他正交偏差分量也例如由于與其他振蕩模式的耦合而存在和發(fā)生。
根據(jù)本發(fā)明的用于正交偏差補(bǔ)償?shù)姆椒蓱?yīng)用于，尤其應(yīng)用于，其諧振器為采用包括至少一個(gè)第一和一個(gè)第二線(xiàn)性振蕩器的耦合系統(tǒng)的形式的科式陀螺，并具有下述步驟-確定振蕩器系統(tǒng)的正交偏差，-產(chǎn)生靜電場(chǎng)，從而改變兩個(gè)振蕩器相互之間的定向，靜電場(chǎng)的定向/強(qiáng)度被調(diào)節(jié)從而使得所確定的正交偏差盡可能地小。
在這種情況下，振蕩器系統(tǒng)的總正交偏差被優(yōu)選地確定。優(yōu)選地，這通過(guò)使用0°和適當(dāng)?shù)闹卦O(shè)來(lái)解調(diào)借助讀出電極產(chǎn)生的讀出信號(hào)而實(shí)現(xiàn)?？商娲?，可考慮只確定一部分正交偏差，該部分偏差即由兩個(gè)線(xiàn)性振蕩器相互的定向誤差產(chǎn)生。術(shù)語(yǔ)“正交誤差”覆蓋了兩種情況。
正交偏差因此在其本身起始點(diǎn)處被消除，也就是說(shuō)，兩個(gè)振蕩器相互之間的機(jī)械定向誤差借助作用在一個(gè)或兩個(gè)振蕩器上并且由靜電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電力進(jìn)行補(bǔ)償。
在一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施例中，該科式陀螺具有第一和第二彈性元件，第一振蕩器借助第一彈性元件連接于科式陀螺的陀螺框架，第二振蕩器借助第二彈性元件連接于第一振蕩器。在這種情況下，靜電場(chǎng)致使第一彈性元件的定向發(fā)生變化和/或第二彈性元件的定向發(fā)生變化。第二彈性元件的定向優(yōu)選地借助靜電場(chǎng)通過(guò)改變第二振蕩器的位置/定向而發(fā)生變化。與此類(lèi)似，第一彈性元件的定向優(yōu)選地借助靜電場(chǎng)通過(guò)改變第一振蕩器的位置/定向而發(fā)生變化。在這種情況下，振蕩器的位置/定向發(fā)生的變化會(huì)導(dǎo)致連接于振蕩器的彈性元件發(fā)生彎曲，因此可校正第一彈性元件相對(duì)于第二彈性元件的對(duì)應(yīng)定向角。
在一項(xiàng)特定優(yōu)選實(shí)施例中，電場(chǎng)用于改變第一和第二彈性元件的定向角，從而使第一和第二彈性元件以相互正交的方式定向。一旦它們已經(jīng)采用這種方式形成正交，那么這將對(duì)由這種方式產(chǎn)生的正交偏差(分量)進(jìn)行補(bǔ)償。如果存在對(duì)于正交偏差的任何其他作用，那么可調(diào)節(jié)相對(duì)于正交性的角度誤差，從而使整個(gè)正交偏差消失。第二彈性元件相對(duì)于第一振蕩器的定向角優(yōu)選地借助靜電場(chǎng)進(jìn)行改變，第一彈性元件相對(duì)于科式陀螺的陀螺框架的定向角沒(méi)有發(fā)生變化。不過(guò)，也可使用靜電場(chǎng)從而只改變第一彈性元件的定向角，或者改變第一和第二彈性元件二者的定向角。
根據(jù)本發(fā)明的方法還提供一種科式陀螺，其諧振器采用包括至少一個(gè)第一和一個(gè)第二線(xiàn)性振蕩器的耦合系統(tǒng)，并且具有-一種用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)的裝置，借助該裝置，能夠改變所述兩個(gè)振蕩器相互之間的定向，-一種確定任何正交偏差的裝置，該偏差由兩個(gè)振蕩器相互之間和其他耦合機(jī)構(gòu)的定向誤差造成，和-控制回路，該回路將所述靜電場(chǎng)的強(qiáng)度作為所確定的正交偏差的函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使所確定的正交偏差盡可能地小。
如果諧振器包括第一和第二線(xiàn)性振蕩器，那么科式陀螺優(yōu)選地具有第一和第二彈性元件，第一彈性元件將第一振蕩器連接至科式陀螺的陀螺框架，第二彈性元件將第二振蕩器連接至第一振蕩器。在這種情況下，第一和第二彈性元件的定向方式優(yōu)選地以直角相互定向。彈性元件在這種情況下可以采用任何理想的形式。
也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，第二振蕩器“在一端處”連接于或者夾至第一振蕩器上是有利的?！皧A至一端處”在這種情況下不僅可以理解為文字表示的意思也可理解為普通的含義。通常，在“一端處”連接或者夾持表示力從第一振蕩器基本上從第一振蕩器的一“側(cè)”導(dǎo)入第二振蕩器。如果，例如，振蕩器系統(tǒng)將設(shè)計(jì)成使得第二振蕩器與第一振蕩器鄰接并且借助第二彈性元件與第一振蕩器連接，那么術(shù)語(yǔ)“于一端處夾持或者連接”將表示下述含義第二振蕩器被重新調(diào)整以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)第一振蕩器借助第二彈性元件交替地“推”或“拉”第二振蕩器。在一端處將第二振蕩器夾于第一振蕩器具有下述優(yōu)勢(shì)，當(dāng)靜電力由于由此導(dǎo)致的第二振蕩器的定向/位置變化而施加于第二振蕩器，第二彈性元件可被輕微地彎曲，因此可毫無(wú)疑問(wèn)地改變第二彈性元件的對(duì)應(yīng)定向角。如果在該實(shí)例中的第二振蕩器以下述方式，即在第一振蕩器的運(yùn)動(dòng)期間第二振蕩器同時(shí)被第二彈性元件“拉”或“推”，連接于其他第二彈性元件，那么這將相當(dāng)于“在兩端處”夾至或連接于第一振蕩器的第二振蕩器(在力從第一振蕩器的兩個(gè)相對(duì)端導(dǎo)入第二振蕩器的情況下)。在這種情況下，當(dāng)施加靜電場(chǎng)時(shí)，其他第二彈性元件將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的相對(duì)力，從而只能困難地獲得第二彈性元件的定向角度的改變。不過(guò)，夾在兩端處在下述情況下是可接受的，即當(dāng)其他的第二彈性元件設(shè)計(jì)成使得這些彈性元件的作用較小以使得所有的彈性元件也可在這種情況下毫無(wú)問(wèn)題地彎曲，也就是說(shuō)，夾在一端處是有效的。根據(jù)振蕩器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，夾在一端處可優(yōu)選地僅通過(guò)額外第二彈性元件的40％或更少的“作用”(力的導(dǎo)入)而提供。不過(guò)，該值并不表示任何對(duì)本發(fā)明的限制，第二彈性元件超過(guò)40％的作用也是可行的。例如，夾在一端處可通過(guò)將第二振蕩器連接于平行布置的并且相互在相同平面上的第一振蕩器的所有第二彈性元件而實(shí)現(xiàn)。第二彈性元件的所有開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)在每種情況下都連接于第一和第二振蕩器的相同端部。第二彈性元件的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)在這種情況下可有利地在同一軸線(xiàn)上，所述軸線(xiàn)與第二彈性元件成直角相交。
如果第二振蕩器在一端處連接于或夾在第一振蕩器上，那么第一彈性元件優(yōu)選地設(shè)計(jì)成使得它們將第一振蕩器在兩端處夾在陀螺框架上(術(shù)語(yǔ)“在一端處”和“在兩端處”可類(lèi)似地使用于此)。不過(guò)，作為備選方案，彈性元件也可設(shè)計(jì)成使得它們?cè)谝欢颂帄A至第一振蕩器。例如，所有的將第一振蕩器連接于科式陀螺的陀螺框架的第一彈性元件可相互平行布置并且處于同一平面上，在每種情況下，第一彈性元件的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)優(yōu)選地位于同一軸上。彈性元件同樣可以設(shè)計(jì)成使得第一振蕩器在一端處夾在陀螺框架上，第二振蕩器通過(guò)第一振蕩器夾在兩端處上。兩個(gè)振蕩器也可夾在兩端處上。對(duì)于正交偏差補(bǔ)償來(lái)說(shuō)，有利的是，兩個(gè)振蕩器的至少一個(gè)夾在一端處。
根據(jù)本發(fā)明的科式陀螺的另一有利實(shí)施例具有第一和第二諧振器，每個(gè)諧振器都采用包括第一和第二線(xiàn)性振蕩器的耦合系統(tǒng)的形式，所述第一諧振器機(jī)械地/靜電地連接/耦合于所述第二諧振器，從而使所述兩個(gè)諧振器能夠沿著公共振蕩軸線(xiàn)以相互反相的方式進(jìn)行振蕩。
因此，該實(shí)施例具有包括兩個(gè)雙振蕩器系統(tǒng)(也就是說(shuō)兩個(gè)諧振器)或四個(gè)線(xiàn)性振蕩器的質(zhì)量系統(tǒng)。在這種情況下，兩個(gè)諧振器相互之間的反相振蕩致使質(zhì)量系統(tǒng)的中心保持不變，假設(shè)兩個(gè)諧振器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。這意味著質(zhì)量系統(tǒng)的振蕩不能產(chǎn)生任何外部振動(dòng)，該振動(dòng)又會(huì)依次導(dǎo)致衰減/偏轉(zhuǎn)形式的干擾。而且，在公共振蕩軸線(xiàn)方向上的外部振動(dòng)和加速?zèng)]有影響所述兩個(gè)諧振器沿著公共振蕩軸線(xiàn)的反相運(yùn)動(dòng)。
例如，第一諧振器可經(jīng)由將第一諧振器連接于第二諧振器的彈性系統(tǒng)連接于第二諧振器。其他方案是將第一諧振器經(jīng)由靜電場(chǎng)連接至第二諧振器。兩個(gè)連接可以單獨(dú)使用或者結(jié)合使用。兩個(gè)諧振器形成在公共基板上就足夠了，從而使機(jī)械連接通過(guò)由公共基板本身形成的機(jī)械彈性連接提供。
在該實(shí)施例中，科式陀螺有利地具有一種用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)的裝置，借助該裝置，能夠改變所述兩個(gè)振蕩器相互之間的定向，一種確定所述科式陀螺的任何正交偏差的裝置，和控制回路，借助該回路，所述靜電場(chǎng)的強(qiáng)度被調(diào)節(jié)從而使所確定的正交偏差盡可能地小。
第一和第二諧振器的構(gòu)型優(yōu)選地是相同的。在這種情況下，兩個(gè)諧振器優(yōu)選地相對(duì)于與所述公共振蕩軸線(xiàn)成直角的對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)布置成相互軸向?qū)ΨQ(chēng)，也就是說(shuō)，第一諧振器通過(guò)對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)映射至第二諧振器。


本發(fā)明將在下文中參照附圖使用示例性實(shí)施例進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的質(zhì)量系統(tǒng)的概要示意圖，其包括兩個(gè)線(xiàn)性振蕩器，并帶有用于激勵(lì)第一振蕩器的對(duì)應(yīng)控制回路；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的質(zhì)量系統(tǒng)的概要示意圖，其包括兩個(gè)線(xiàn)性振蕩器，并帶有對(duì)于轉(zhuǎn)速Ω和正交偏差BQ的對(duì)應(yīng)測(cè)量和控制回路，以及輔助控制回路，從而補(bǔ)償正交偏差BQ；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的質(zhì)量系統(tǒng)的概要示意圖，其包括四個(gè)線(xiàn)性振蕩器，并帶有對(duì)于轉(zhuǎn)速Ω和正交偏差BQ的對(duì)應(yīng)測(cè)量和控制回路，以及輔助控制回路，從而對(duì)正交偏差BQ進(jìn)行補(bǔ)償；圖4示出了圖3所示的控制模塊的一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施例的概要示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了具有對(duì)應(yīng)電極的線(xiàn)性雙振蕩器1的概要設(shè)計(jì)，以及相關(guān)檢驗(yàn)/激勵(lì)電極2的方框圖。線(xiàn)性雙振蕩器1優(yōu)選地由硅片借助蝕刻過(guò)程制成，并且具有第一線(xiàn)性振蕩器3、第二線(xiàn)性振蕩器4、第一彈性元件51至54，第二彈性元件61和62以及中間框架71和72以及陀螺框架73和74部件。第二振蕩器4安裝在第一振蕩器3中，從而使其能夠振蕩，并且經(jīng)由第二彈性元件61和62與其進(jìn)行連接。第一振蕩器3借助第一彈性元件51至54和中間框架71、72連接于陀螺框架73、74。
而且，設(shè)置有第一激勵(lì)電極81至84、第一讀出電極91至94、第二激勵(lì)電極101至104以及第二讀出電極111和112。所有的電極機(jī)械連接于陀螺框架并且被電氣隔離。術(shù)語(yǔ)“陀螺框架”表示“嵌入”有振蕩器的機(jī)械、非振蕩的結(jié)構(gòu)，例如硅片的非振蕩部分。
如果第一振蕩器3借助第一激勵(lì)電極81至84激勵(lì)以在X1方向上振蕩，那么該運(yùn)動(dòng)將通過(guò)第二彈性元件61和62傳送至第二振蕩器4(交替“拉”和“推”)。第一彈性元件51至54的垂直定向可阻止第一振蕩器3在X2方向上運(yùn)動(dòng)。不過(guò)，垂直振蕩可作為第二彈性元件61和62的水平定向的結(jié)果通過(guò)第二振蕩器4實(shí)現(xiàn)。當(dāng)對(duì)應(yīng)的科式力由此產(chǎn)生時(shí)，那么第二振蕩器4被激勵(lì)以在X2方向上振蕩。
從第一讀出電極91至94讀出并且與第一振蕩器3的X1運(yùn)動(dòng)成比例的讀出信號(hào)經(jīng)由適當(dāng)?shù)姆糯笃髟?1、22和23輸送至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器24。來(lái)自模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器24的適當(dāng)數(shù)字化的輸出信號(hào)不僅由第一解調(diào)器25而且由第二解調(diào)器26進(jìn)行解調(diào)，從而形成對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，這兩個(gè)解調(diào)器相互以90°的偏移量進(jìn)行操作。第一解調(diào)器25的輸出信號(hào)被輸入第一調(diào)節(jié)器27，從而調(diào)節(jié)激勵(lì)振蕩的頻率(質(zhì)量系統(tǒng)1在X1方向上的振蕩)，其輸出信號(hào)控制頻率發(fā)生器30，從而使從解調(diào)器25下游出現(xiàn)的信號(hào)被調(diào)節(jié)為零。與此類(lèi)似，第二解調(diào)器26的輸出信號(hào)被調(diào)節(jié)為定值，該值是由電子元件29預(yù)定的。第二調(diào)節(jié)器31確保激勵(lì)振蕩的幅值被調(diào)節(jié)。自頻率發(fā)生器30和幅值調(diào)節(jié)器31的各輸出信號(hào)借助乘法器32彼此相乘。乘法器32的輸出信號(hào)不僅作用在第一力/電壓轉(zhuǎn)換器33上而且作用在第二力/電壓轉(zhuǎn)換器34上，該輸出信號(hào)與施加于第一激勵(lì)電極81至84的力成比例，所述轉(zhuǎn)換器使用數(shù)字力信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字電壓信號(hào)。力/電壓轉(zhuǎn)換器33、34的數(shù)字輸出信號(hào)經(jīng)由第一和第二數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器35、36被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，所述信號(hào)隨后被傳送至第一激勵(lì)電極81至84。第一調(diào)節(jié)器27和第二調(diào)節(jié)器31重新調(diào)整第一振蕩器3的固有頻率，并且將激勵(lì)振蕩的幅值設(shè)定為特定的、可預(yù)定的值。
當(dāng)出現(xiàn)科式力時(shí)，由該力產(chǎn)生的第二振蕩器4在X2方向上的運(yùn)動(dòng)(讀出振蕩)由第二讀出電極111和112檢測(cè)到，并且與讀出振蕩在X2方向上的運(yùn)動(dòng)成比例的讀出信號(hào)經(jīng)由適當(dāng)?shù)姆糯笃髟?0、41和42供給至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器43(見(jiàn)圖2)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器43的數(shù)字輸出信號(hào)由第三解調(diào)器44與直流偏置信號(hào)同相地進(jìn)行解調(diào)，并且由第四解調(diào)器45解調(diào)，偏移量為90°。第一解調(diào)器44的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)被應(yīng)用于第三調(diào)節(jié)器46，其輸出信號(hào)是補(bǔ)償信號(hào)并且對(duì)應(yīng)于有待測(cè)量的轉(zhuǎn)速Ω。第四調(diào)制器45的輸出信號(hào)被應(yīng)用于第四調(diào)節(jié)器47，其輸出信號(hào)是補(bǔ)償信號(hào)并且與有待補(bǔ)償?shù)恼黄畛烧?。第三調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)借助第一調(diào)制器48進(jìn)行調(diào)制，并且第四調(diào)節(jié)器47的輸出信號(hào)以與此類(lèi)似的方式借助第二調(diào)制器49進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生幅值調(diào)節(jié)信號(hào)，其頻率對(duì)應(yīng)于X1方向上的振蕩的固有頻率(sin^＝0°，cos^＝0°)。調(diào)制器48、49的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)被加入加法階段50，其輸出信號(hào)被供給至第三力/電壓轉(zhuǎn)換器51和第四力/電壓轉(zhuǎn)換器52。對(duì)于力/電壓轉(zhuǎn)換器51、52的對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)被供給至數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器53、54，其模擬輸出信號(hào)被輸出至第二激勵(lì)電極102至103，并且重新設(shè)定第二振蕩器4的振蕩幅值。
由第二激勵(lì)電極101至104產(chǎn)生的靜電場(chǎng)(或者由電極對(duì)101、103和102、104產(chǎn)生的兩個(gè)靜電場(chǎng))會(huì)導(dǎo)致第二振蕩器4在X2方向上的定向/位置變化，因此會(huì)導(dǎo)致第二彈性元件61和62的定向與否發(fā)生變化。第四調(diào)節(jié)器47調(diào)節(jié)提供給第二激勵(lì)電極101至104的信號(hào)，以使得包含在第四調(diào)節(jié)器47的補(bǔ)償信號(hào)中的正交偏差盡可能小，或者消失。第五調(diào)節(jié)器55、第五和第六力/電壓轉(zhuǎn)換器56、57以及兩個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器58、59被用于此目的。
第四調(diào)節(jié)器47的輸出信號(hào)作為對(duì)正交偏差的測(cè)量值，該信號(hào)被供給至第五調(diào)節(jié)器55，該調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)由兩個(gè)激勵(lì)電極101和104產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，從而使正交偏差BQ消失。為此目的，第五調(diào)節(jié)器55的輸出信號(hào)在每種情況下都被供給至第五和第六力/電壓轉(zhuǎn)換器56、57，所述轉(zhuǎn)換器使用第五調(diào)節(jié)器的數(shù)字力/輸出信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字電壓信號(hào)。這些信號(hào)隨后被轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器58、59中的模擬電壓信號(hào)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器58的模擬輸出信號(hào)被供給至第二激勵(lì)電極101或者可替代地供給至111。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器59的模擬輸出信號(hào)被供給至第二激勵(lì)電極104或者可替代地供給至112。
第二振蕩器4僅由第二彈性元件61至62夾住(在一端處夾住)，這些彈性元件的定向與否可由靜電場(chǎng)毫無(wú)問(wèn)題地進(jìn)行變化。也可提供額外的第二彈性元件，以使第二振蕩器4夾在兩端處，假設(shè)這些額外的彈性元件被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)以確保一端的夾緊是有效獲得的。為了允許彈性元件51、52以及彈性元件53、54的相同效果，第三和第四彈性元件53、54以及第一和第二彈性元件53、54可被省略，因此導(dǎo)致第一振蕩器3被夾在一端處(與未在這里示出的適當(dāng)改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)一起)。在諸如此類(lèi)的情況下，第二振蕩器4也可借助其他彈性元件連接于第一振蕩器，從而實(shí)現(xiàn)在兩端處的夾住。
圖1和2所示的電極布置可被改變。例如，在圖1和2中由附圖標(biāo)記81、91、92、82以及83、93、94、84標(biāo)示的電極在每種情況下都可選擇地結(jié)合以形成一個(gè)電極。采用這種方式進(jìn)行結(jié)合的電極通過(guò)使用合適的載波頻率方法可執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，也就是說(shuō)，電極同時(shí)具有讀出、激勵(lì)和補(bǔ)償功能。由附圖標(biāo)記111、101、103以及112、102和104標(biāo)示的電極也能夠可選擇地結(jié)合以在每種情況下形成一個(gè)電極。
根據(jù)本發(fā)明的科式陀螺的一項(xiàng)其他可行實(shí)施例和其操作方法將在下文參照?qǐng)D3進(jìn)行更詳細(xì)地說(shuō)明。
圖3示出了耦合的系統(tǒng)1’的示意性布局，包括第一諧振器701和第二諧振器702。第一諧振器701借助機(jī)械耦合元件71即彈簧連接于第二諧掁器702。第一和第二諧振器701、702形成在共同的基板上并且可被導(dǎo)致沿著公共振蕩軸線(xiàn)72以相對(duì)相位的方式振蕩。第一和第二諧振器701、702是相同的，并且經(jīng)由對(duì)稱(chēng)軸73相互映射。第一和第二諧振器701、702的設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)合圖1和2進(jìn)行了說(shuō)明，因此在此將不再解釋?zhuān)幌嗤蛳嗷?duì)應(yīng)的元件或元件組由相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)示，與不同諧振器相關(guān)聯(lián)的相同元件由不同的標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)示。
圖3所示的雙振蕩器與圖1和2所示的雙振蕩器之間的一個(gè)主要差別為一些單獨(dú)電極被物理結(jié)合以形成整體電極。例如，圖3中由附圖標(biāo)記81、82、91和92標(biāo)示的各個(gè)電極因此形成共同電極。而且，由附圖標(biāo)記83、84、93和94標(biāo)示的各個(gè)電極形成共同電極，并且那些由附圖標(biāo)記104、102、112標(biāo)示的以及由附圖標(biāo)記111、103、101標(biāo)示的電極每個(gè)都形成整體電極。相同的設(shè)置以類(lèi)似的方式應(yīng)用于其他雙振蕩器系統(tǒng)。
在根據(jù)本發(fā)明的耦合系統(tǒng)1’的操作期間，兩個(gè)諧振器701、702沿著公共振蕩軸線(xiàn)72反相地進(jìn)行振蕩。因此，耦合系統(tǒng)1’對(duì)外部干擾或者由耦合系統(tǒng)1’本身向安裝有諧振器701、702的基板發(fā)射的干擾是不敏感的。
當(dāng)耦合系統(tǒng)1’被旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨后第二振蕩器41和42以相互相對(duì)的方向偏轉(zhuǎn)(在X2方向上以及與X2方向相反的方向上)。當(dāng)耦合系統(tǒng)1’出現(xiàn)加速度時(shí)，然后第二振蕩器41和42相互以相同的方向偏轉(zhuǎn)，具體地說(shuō)，在與加速的相同方向上，假設(shè)該加速度在X2方向上，或者在與其相反的方向上。同時(shí)或交替的加速度和旋轉(zhuǎn)因此可被測(cè)量。
在原理上，也根據(jù)圖1和2所述的檢驗(yàn)/激勵(lì)電極2操作耦合系統(tǒng)1’。不過(guò)，可使用備選方法(載波(carrier)頻率方法)代替圖3所示的實(shí)施例中的該方法。該操作方法將在下文中進(jìn)行說(shuō)明。
由附圖標(biāo)記2’標(biāo)示的檢驗(yàn)/激勵(lì)電極2具有三個(gè)控制回路用于沿公共振蕩軸線(xiàn)72激勵(lì)和/或控制第一振蕩器31和32的反相振蕩的第一控制回路，用于重設(shè)和補(bǔ)償?shù)诙袷幤?1沿X2方向的振蕩的第二控制回路，以及用于重設(shè)和補(bǔ)償?shù)诙袷幤?2沿X2方向的振蕩的控制回路。上述三個(gè)控制回路具有放大器60、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器61、信號(hào)分離模塊62、第一至第三解調(diào)模塊631至633、控制模塊64、電極電壓計(jì)算模塊65、載波頻率加入模塊67和第一至第六數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器661至666。
載波頻率可應(yīng)用于電極81至88、91至98、101至108和111至114，以采用多種方式分接/激勵(lì)(分接激勵(lì))第二振蕩器41、42的反相振蕩和振蕩a)使用三種不同的頻率，一個(gè)頻率與每個(gè)控制回路相關(guān)聯(lián)，b)由時(shí)分多工傳輸方法采用方波信號(hào)，或者c)使用隨機(jī)相位擾頻(隨機(jī)調(diào)制方法)。載波頻率經(jīng)由相關(guān)信號(hào)UyAo、UyAu(對(duì)于第二振蕩器41)和Uxl、Uxr(對(duì)于第一振蕩器31至32的反向諧振)以及UyBu和UyBo(對(duì)于第二振蕩器42)應(yīng)用于電極81至88、91至98、101至108和111至114，其產(chǎn)生于載波頻率加入模塊67并且以與上述頻率信號(hào)相反的相位進(jìn)行激勵(lì)。第一和第二振蕩器31、32、41和42的振蕩經(jīng)由陀螺框架由附圖標(biāo)記77、79、711和713標(biāo)示的部分被分接，在這種情況下，除了作為質(zhì)量系統(tǒng)的懸掛點(diǎn)之外，還額外地用作分接電極。為此目的，兩個(gè)諧振器701、702優(yōu)選地且有利地設(shè)計(jì)為可導(dǎo)電的，具有所有的框架、彈簧和連接。借助陀螺框架77、79、711和713分接并且供給至放大器60的信號(hào)包含所有三種振蕩模式的信息，并且由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器61轉(zhuǎn)換為供給至信號(hào)分離模塊62的數(shù)字信號(hào)。被組合的信號(hào)在信號(hào)分離模塊62中被分離為三種不同的信號(hào)X(包含關(guān)于反相振蕩的信息)、yA(包含關(guān)于第二振蕩器41的偏轉(zhuǎn)的信息)，以及yB(包含關(guān)于第二振蕩器42的偏轉(zhuǎn)的信息)。這些信號(hào)根據(jù)所使用的載波頻率方法的類(lèi)型(見(jiàn)上述a)至c))進(jìn)行不同的分離，并且該分離通過(guò)與所使用的載波頻率方法的對(duì)應(yīng)信號(hào)進(jìn)行的調(diào)制。信號(hào)x、yA和yB被供給至解調(diào)模塊631至633，所述模塊使用對(duì)應(yīng)于0°和90°的反相振蕩的操作頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。用于對(duì)信號(hào)Fxl/r或Uxl/r進(jìn)行調(diào)節(jié)/計(jì)算的控制模塊64以及電極電壓計(jì)算模塊65分別優(yōu)選地設(shè)置成類(lèi)似圖1所示的電極模塊2。用于對(duì)信號(hào)FyAo/u或UyAo/u和FyBo/u或UyBo/u進(jìn)行調(diào)節(jié)/計(jì)算的控制模塊64以及電極電壓計(jì)算模塊65優(yōu)選地設(shè)計(jì)成類(lèi)似圖2所示的電極模塊2；僅有的區(qū)別在于，在與操作頻率乘積之后的用于重設(shè)轉(zhuǎn)速和正交偏差的信號(hào)與用于正交輔助調(diào)節(jié)器的DC電壓共同傳遞至組合電極對(duì)。因此，兩個(gè)信號(hào)被疊加，從而使電極電壓的計(jì)算包括用于振蕩頻率的重設(shè)信號(hào)和用于正交調(diào)節(jié)的DC信號(hào)以及頻率調(diào)諧。采用這種方式計(jì)算的電極電壓Uxl/r、UyAo/u和UyBo/u然后被加入至載波頻率信號(hào)，并且將由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器661至666聯(lián)合地傳輸至電極。
圖4示出由圖3種的附圖標(biāo)記64標(biāo)示的控制系統(tǒng)的一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)施例?？刂葡到y(tǒng)64具有第一至第三部分641至643。第一部分641具有第一調(diào)節(jié)器80、頻率發(fā)生器81、第二調(diào)節(jié)器82、電子元件83、加法階段84和乘法器85。第一部分的操作方法基本上對(duì)應(yīng)于圖1所示的電子模塊2的操作方法，因此將不在此進(jìn)行說(shuō)明。第二部分642具有第一調(diào)節(jié)器90、第一調(diào)制器91、第二調(diào)節(jié)器92、第二調(diào)制器93和第三調(diào)節(jié)器94。也設(shè)置有第一和第二加法階段95、96。轉(zhuǎn)速信號(hào)Ω可在第一調(diào)節(jié)器90的輸出處確定，并且包括正交偏差BQ和加速度A的組合信號(hào)可在第三調(diào)節(jié)器94的輸出處確定。控制系統(tǒng)64的第三部分643具有第一調(diào)節(jié)器100、第一調(diào)制器101、第二調(diào)節(jié)器102、第二調(diào)制器103和第三調(diào)節(jié)器104。也設(shè)置有第一和第二加法階段105、106。具有負(fù)數(shù)學(xué)符號(hào)的轉(zhuǎn)速信號(hào)Ω可在第一調(diào)節(jié)器100的輸出處被分接，包括具有負(fù)數(shù)學(xué)符號(hào)的正交偏差BQ和加速度信號(hào)A的組合信號(hào)可在第三調(diào)節(jié)器104的輸出處被分接。第二和第三部件642和643的操作方法對(duì)應(yīng)于圖2所示的電子模塊2的操作方法，在這里不再解釋。
以反相激勵(lì)的載波頻率方法具有如下優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)僅在線(xiàn)性振蕩器31、32以及41、42偏轉(zhuǎn)時(shí)施加到放大器60。用于激勵(lì)的頻率信號(hào)可以是離散的頻率或方波信號(hào)。方波激勵(lì)是優(yōu)選的，因此它易于產(chǎn)生和處理。
線(xiàn)性雙振蕩器由晶片平面上的線(xiàn)性移動(dòng)而具有特定高質(zhì)量的特點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明，在至少一個(gè)振蕩器被夾至一端處的線(xiàn)性諧振器的情況下可通過(guò)整體調(diào)整彈簧的正交性實(shí)現(xiàn)對(duì)正交偏差的補(bǔ)償。這通過(guò)借助DC電壓改變夾在一端處的振蕩器的彈簧的角度而實(shí)現(xiàn)，從而使測(cè)得的正交偏差BQ變?yōu)榱?。如上所述，?duì)應(yīng)的控制回路用于此目的，該回路調(diào)節(jié)上述DC電壓以使BQ＝0。該控制回路在源頭補(bǔ)償正交偏差，并且以大量級(jí)改善線(xiàn)性振蕩陀螺的精度。
諧振器的每個(gè)線(xiàn)性振蕩器優(yōu)選地在雙諧振下進(jìn)行操作。
權(quán)利要求
1.一種在科式陀螺中進(jìn)行正交偏差補(bǔ)償?shù)姆椒?，該陀螺的諧振器(1)采用包括第一和第二線(xiàn)性振蕩器(3，4)的耦合系統(tǒng)的形式，該方法具有下述步驟-確定所述科式陀螺的正交偏差，-產(chǎn)生靜電場(chǎng)，從而改變所述兩個(gè)振蕩器(3，4)相互之間的定向，所述靜電場(chǎng)的定向/強(qiáng)度被調(diào)節(jié)從而使所確定的正交偏差盡可能地小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述靜電場(chǎng)致使第一彈性元件(51至54)定向變化，所述彈性元件將所述第一振蕩器(3)連接于所述科式陀螺的陀螺框架(73，74)，和/或所述靜電場(chǎng)致使第二彈性元件(61，62)的定向變化，所述第二彈性元件將所述第一振蕩器(3)耦合于所述第二振蕩器(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一彈性元件(51至54)的定向通過(guò)借助所述靜電場(chǎng)改變所述第一振蕩器(3)的位置/定向而發(fā)生變化，還在于，所述第二彈性元件(61，62)的定向通過(guò)借助所述靜電場(chǎng)改變所述第二振蕩器(4)的位置/定向而發(fā)生變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述電場(chǎng)致使所述第一和第二彈性元件(61，62，51至54)的定向相互正交。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第二振蕩器(4)借助所述第二彈性元件(61-64)在一端處連接至/夾至所述第一振蕩器(3)和/或所述第一振蕩器(3)借助所述第一彈性元件(51-58)在一端處連接至/夾至所述科式陀螺的陀螺框架。
6.一種科式陀螺，其諧振器(1)采用包含第一和第二線(xiàn)性振蕩器(3，4)的耦合系統(tǒng)的形式，其特征在于，-用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)(11’1，11’2，101至104)的裝置，借助該裝置，能夠改變所述兩個(gè)振蕩器(3，4)相互之間的定向，-確定所述科式陀螺的任何正交偏差的裝置(45，47)，和-控制回路(55，56，57)，借助該回路，所述靜電場(chǎng)的強(qiáng)度作為所確定的正交偏差的函數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使所確定的正交偏差盡可能地小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的科式陀螺，其特征在于，所述第一振蕩器(3)借助第一彈性元件(51至54)連接至所述科式陀螺的陀螺框架(71，72)，所述第二振蕩器(4)借助第二彈性元件(61，62)連接至所述第一振蕩器(3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的科式陀螺，其特征在于，所述第一和第二彈性元件被布置/設(shè)計(jì)成使得所述第一彈性元件(51至54)相對(duì)于所述陀螺框架(73，74)的定向角能夠借助所述靜電場(chǎng)而被改變，和/或在于，所述第二彈性元件(61，62)相對(duì)于所述第一振蕩器(3)的定向角能夠借助所述靜電場(chǎng)而被改變。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的科式陀螺，其特征在于，所述第二振蕩器(4)借助所述第二彈性元件(61，62)在一端處連接至/夾至所述第一振蕩器(3)和/或所述第一振蕩器(3)借助所述第一彈性元件(51至54)在一端處連接至/夾至所述科式陀螺的陀螺框架。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的科式陀螺，其特征在于，將所述第二振蕩器(4)連接至所述第一振蕩器(3)的所有所述第二彈性元件(61至62)被設(shè)計(jì)成使得力由所述第一振蕩器(3)基本上從所述第一振蕩器(3)的一側(cè)傳遞至所述第二振蕩器(4)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的科式陀螺，其特征在于，將所述第一振蕩器(3)連接至所述科式陀螺的陀螺框架(73，74)的所有所述第一彈性元件(51至54)相互平行布置并且處于同一平面上，所述第一彈性元件(51至54)的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)的每個(gè)位于公共軸線(xiàn)上。
12.一種科式陀螺(1’)，具有第一和第二諧振器(701，702)，每個(gè)諧振器都采用包括第一和第二線(xiàn)性振蕩器(31，32，41，42)的耦合系統(tǒng)的形式，所述第一諧振器(701)機(jī)械地/靜電地連接/耦合于所述第二諧振器(702)，從而使所述兩個(gè)諧振器能夠沿著公共振蕩軸線(xiàn)(72)以相互反相的方式進(jìn)行振蕩。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，-一種用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)(111，112，101至104，和113，114，105至108)的裝置，借助該裝置，能夠改變所述兩個(gè)振蕩器(31，32，41，42)相互之間的定向，-一種確定所述科式陀螺(1’)的正交偏差的裝置，和-控制回路(64)，借助該回路，所述靜電場(chǎng)的強(qiáng)度被調(diào)節(jié)從而使所確定的正交偏差盡可能地小。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述第一和第二諧振器(701、702)的構(gòu)型是相同的，所述諧振器(701、702)相對(duì)于與所述公共振蕩軸線(xiàn)(72)成直角的對(duì)稱(chēng)軸線(xiàn)(73)布置成相互軸向?qū)ΨQ(chēng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的科式陀螺(1’)，其特征在于，所述第一振蕩器(31，32)借助第一彈性元件(51-58)連接至所述科式陀螺的陀螺框架(71-714)，所述第二振蕩器(41，42)的每個(gè)通過(guò)第二彈性元件(61-64)連接至所述第一振蕩器(31，32)中的一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種補(bǔ)償科式陀螺正交偏差的方法，該陀螺的諧振器(1)構(gòu)造成包括第一和第二線(xiàn)性振蕩器(3，4)的耦合系統(tǒng)的形式，該科式陀螺正交偏差得以確定。隨后，改變兩個(gè)振蕩器(3，4)的相互定向的靜電場(chǎng)被產(chǎn)生并且其定向/強(qiáng)度被控制以使得所確定的正交偏差盡可能地小。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1898528SQ200480038233
公開(kāi)日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2004年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月23日
發(fā)明者埃伯哈德·漢德里赫, 沃爾弗拉姆·蓋格 申請(qǐng)人:利特夫有限責(zé)任公司