[发明专利]作为围绕两个轴的速率陀螺仪和围绕第三个轴的速率积分陀螺仪操作的振动传感器

说明书

技术领域

本发明涉及多轴感测装置，更具体地说涉及采用了谐振元件的振动结构陀螺仪。

背景技术

以前振动结构陀螺仪是利用多种用于谐振元件的结构例如梁、音叉、圆筒和环等构成的。如在美国专利No.5218867所披露的一样，除了测量绕着特定轴的转速之外，这些装置还能够以“全角”或“陀螺仪”模式操作，其中该装置的输出给出了绕着特定轴的转动角度的直接测量值。已知的是该操作模式在改进比例因子特性方面尤其在该装置进行持续高转速的用途中具有优点。

平面环被证明是特别通用，使用常规制造和微机加工出的谐振器在商业上可得到单轴速率陀螺仪变型。

传统的单轴平面环陀螺仪通常使用cos2θ面内振动模式对。对于完全对称的谐振器而言，在45°的相互角处将会有两个简并模式。这些都在图1a(cos2θ模式)和图1b(sin2θ模式)中被大致显示出，这些图显示出在单一振动循环期间在运动的两个末端处的环变形。这些模式中的一种被激发作为载波模式(图1a)。当该结构绕着与环平面垂直的轴(z轴)转动时，科里奥利力(Coriolis force)使能量加倍进入进响应模式(图1b)。该科里奥利力并且因此响应模式运动的幅度直接与所施加的转动速率成比例。也可以以相似的方式使用其它高阶cosnθ模式对。

在操作中，载波模式在谐振最大时被驱动并且通常保持在恒定的幅度上。由于转动而产生的科里奥利力将处于载波谐振频率处。该响应模式频率通常与载波的频率相配，因此由于这些力而出现的运动由结构的Q(品质因子)而放大，从而提高了灵敏度。该响应模式运动可以采用具有直接与所施加的速率成比例的调零力的力反馈回路来调零。该操作模式从速率输出中除去了Q相关性，并且提高了比例因子特性。因此总是将环的运动保持在固定的角度取向上。

平面环结构还适合用在采用面内cosnθ模式对的单轴姿态传感器，例如在美国专利No.5218867中所述的圆柱形元件。在该操作模式中，振动能量在该装置转动时能够自由地在该面内模式对之间传送，并且没有施加任何力反馈。如果模式频率精确匹配的话，则在结构转动时这将与绕着环转动的模式等同。该模式图样取向在惯量上不稳定但是容易落在环结构转动的后面。图样角度转动与所施加的转动角度的比值由惯量耦合常数K给出，该常数取决于谐振器结构和模式阶次n。

当在该模式中操作时，可像对于常规的闭环速率陀螺仪操作那样采用相同的驱动和传感结构。然而用于探测在环上的模式取向和用来保持运动的幅度的技术是显著不同的。施加径向驱动信号以在径向波腹中的一处或多处维持振动幅度。当模式图样绕着环转动时，需要有效的驱动位置来围绕着环跟踪该径向波腹。传感器必须同样具有在径向波腹和波节处分解环的实际径向运动的能力。径向波腹信号用来将驱动频率保持在谐振最大处并且用来使振动幅度正常化。需要用径向波节信号来精确地跟踪模式方位。

如在英国专利申请Nos.2318184A和2335273A中所述一样，环结构还能够提供绕着多根轴的速率灵敏度。当在cosnθ面内载波模式中被驱动时，在环平面中绕着这些轴的转动还将提高科里奥利力。这些力将沿着与环平面垂直的轴线(z轴)。对于绕着y轴的转动Ω_y而言，其中y轴采取沿着θ＝0°，这些科里奥利力F_z(θ)将具有由下式给出的角度分布：

F_z(θ)＝F_n+1Ω_ysin(n+1)θ+F_n-1Ω_ysin(n-1)θ

其中θ为绕着环相对于固定参考位置的角度位置，n为载波模式阶次并且参数F_n+1和F_n-1为取决于环的精确几何形状、制成该环的材料以及n值的常量。同样对于绕着x轴的转动Ω_x而言，这些科里奥利力F_z(θ)将具有由下式给出的角度分布：

F_z(θ)＝F_n+1Ω_xcos(n+1)θ+F_n-1Ω_xcos(n-1)θ

因此这些力具有能够直接激发sin(n+1)θ和cos(n+1)θ或者sin(n-1)θ和cosv(n-1)θ面外模式对的分量。环尺寸可以这样设定，从而其中一个模式对的谐振频率正好与平面内载波模式的谐振频率匹配。这样，像对于面内响应那样，面外响应运动的幅度将由结构的Q放大。