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专利名称：一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角速率陀螺的电路系统，特别是涉及一种钟形振子角速率陀螺的 电路系统。
背景技术：
陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导与控制系统的核心部件， 其中振动陀螺代表一种重要的惯性技术，具有所有的惯性品质。基于哥氏力原理的振动陀 螺在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表受到广泛的重视。 在科学技术的发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。申请号为=201010215745. 1，发明名称为钟形振子式角速率陀螺的专利申请提 供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动 陀螺，其敏感元器件采用熔融石英材料的钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺 的电路系统是采用以半球谐振陀螺的电路系统为基础的电路系统，该电路系统存在结构复 杂、测量精度较低、不适合大规模生产且价格昂贵等缺点。本发明正是基于该钟形振子式角 速率陀螺提供了 一种电路系统。

发明内容
本发明的目的是为了克服钟形振子式角速率陀螺电路系统结构复杂、测量精度较 低、不适合大规模生产且价格昂贵等缺陷，提出了一种简单易行的钟形振子式角速率陀螺 的电路系统。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，该电路系统包括振型稳定单元、驱动控 制单元、电极驱动单元、差分电容检测器和信息检测单元；驱动控制单元连接电极驱动单 元；电极驱动单元直接驱动钟形振子的两个驱动电极；振型稳定单元根据钟形振子上的两 个振幅检测电极，分析出钟形振子的振型情况，将情况反馈给驱动控制单元，使得钟形振子 振型达到稳定；差分电容检测器连接钟形振子的两个切向位移检测电极和两个振幅稳定电 极，同时差分电容检测器的输出连接信息检测单元；信息检测单元负责处理相关钟形振子 的位移变化信号，并将最终解算出的角速率输出。与现有技术相比，本发明的有益效果是1)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，借鉴半球谐振陀螺的电路系 统设计思想，简化了电路的结构，设计出的钟形振子式角速率陀螺电路系统性能优良，精度 高，可以抑制陀螺敏感元件本身的不足。2)在钟形振子式角速率陀螺的电路系统中，驱动电路不断地对振子补充能量，使 钟形振子做稳定的简谐振动；当振子振动幅度增加时，陀螺的灵敏度也会增大，同时陀螺输 出标度因子的稳定性也要求振子驱动振幅保持稳定，因此引入振型稳定单元电路。3)振型稳定单元电路能够实时追踪钟形振子式角速率陀螺驱动模态谐振频率的变化，及时调整驱动电压的频率，从而提高钟形振子式角速率陀螺输出信号的灵敏度。4)采用高精度检测电容差动式读取振子质点切向位移，将检测信号送到信号处理 电路解算出输入角速率。5)采用高速DSP处理器作为该电路的主处理器，在保证计算精度的同时可以满足 输出速度的要求。


图1为本发明钟形振子式角速率陀螺电路系统框图；图2为本发明钟形振子式角速率陀螺电极分布图；图3为本发明的钟形振子式角速率陀螺电路系统组成图；图4为本发明的钟形振子幅度控制原理图；图5为本发明钟形振子式角速率陀螺的信号流图；图6为本发明的振幅控制单元的流程图；图7为本发明的振型调整电极配置原理图。
具体实施例方式一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，工作过程中将采用静电激励和电容检测 的方式。激励和检测电极对都是由钟形振子上贴的电极与基座电极构成，电极材料是带绝 缘衬底的金电极。该电路系统包括振型稳定单元、驱动控制单元、电极驱动单元、差分电容 检测器和信息检测单元，如图1所示。陀螺振子在驱动控制单元的作用下，开始振动，经过 振型稳定单元使钟形振子振型稳定。差分电容检测器对钟形振子式角速率陀螺振子的电极 进行充放电，将检测到的差分电容信号转化成相应的误差电压信号输出到信息检测单元， 解算出角速率。本发明的钟形振子式角速率陀螺的电路系统中，驱动控制单元连接电极驱动单 元；电极驱动单元直接驱动钟形振子的两个驱动电极；振型稳定单元根据钟形振子上的这 两个振幅检测电极，分析出钟形振子的振型情况，将情况反馈给驱动控制单元，使得钟形振 子振型达到稳定；差分电容检测器连接钟形振子的两个切向位移检测电极和两个振幅稳定 电极，同时差分电容检测器的输出连接至信息检测单元；信息检测单元负责处理相关钟形 振子的位移变化信号，并将最终解算出的角速率输出。驱动控制单元的作用是保持钟形振子工作在稳定的四波腹振动状态，钟形振子式 角速率陀螺采用双驱动双反馈的驱动控制单元。如图4所示，根据电容的静电力原理，检测 P3、P7位置的振动幅度Z反馈到驱动控制单元，在P” P5位置施加静电力来完成钟形振子振 幅控制。当驱动方向位移x(t)保持幅值和频率恒定时，检测方向位移y(t)的幅值将与角 速率Ω成正比。但是，驱动振动和检测振动之间存在耦合，这必然导致驱动位移x(t)随着 角速率Ω而改变，从而影响陀螺的测量线性度和精度，所以本发明加入了振型稳定单元。该振型稳定单元采用数字控制方法实现，对振幅的结构进行建模，钟形振子式角 速率陀螺的信号流图如图5所示。从图5可以得出驱动位移χ与驱动力Fx之间的传递函数为
权利要求
一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于该电路系统包括振型稳定单元、驱动控制单元、电极驱动单元、差分电容检测器和信息检测单元；驱动控制单元连接电极驱动单元；电极驱动单元直接驱动钟形振子的两个驱动电极；振型稳定单元根据钟形振子上的两个振幅检测电极，分析出钟形振子的振型情况，将情况反馈给驱动控制单元，使得钟形振子振型达到稳定；差分电容检测器连接钟形振子的两个切向位移检测电极和两个振幅稳定电极，同时差分电容检测器的输出连接信息检测单元；信息检测单元负责处理相关钟形振子的位移变化信号，并将最终解算出的角速率输出。
2.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其 特征在于所述的驱 动控制单元采用双驱动双反馈的方式。
3.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于所述的振 型稳定单元包括16位双通道AD转换器(3-19)和振型稳定单元控制器(3-20)；在振型稳 定单元控制器(3-20)的控制下，16位AD转换器(3-19)将两路位移变化模拟量，转换成两 路数字信号，传输给振型稳定单元控制器(3-20)。
4.根据权利要求1或2所述的钟形振子式角速率陀螺的电路系统，其特征在于所 述的信息检测单元包括高精度放大器一(3-4)、高精度放大器二(3-13)，采样保持电路一 (3-5)、采样保持电路二(3-32)，除法器一(3-6)、除法器二(3-14)，18位双通道AD转换器 (3-7)，主控CPU (3-8)；经过运算放大器一(3-4)放大后的信号传输至采样保持器一(3_5)， 从采样保持器一(3-5)出来的信号经过除法器一(3-6)得到钟形振子在该轴向上的节点位 置变化模拟量；经过运算放大器二(3-13)放大后的信号传输至采样保持器二(3-32)，从采 样保持器二(3-32)出来的信号经过除法器二(3-14)得到钟形振子在该轴向上的节点位置 变化模拟量，将这两个轴向上的节点位置变化模拟量送至双通道18位AD转换器(3-7)中， 在CPU (3-8)的控制下将这两个模拟量转换成数字量，由CPU (3-8)对这两组数字量进行处 理，得到角速率。
全文摘要
本发明公开了一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统，包括振型稳定单元、驱动控制单元、差分电容检测器和信息检测单元。陀螺在起振电路的驱动下，开始振动，经过振型稳定单元、驱动控制单元使钟形振子振型稳定。差分电容检测器对钟形振子式角速率陀螺振子的检测电极和反馈电极进行充放电，将检测到的差分电容信号转化成相应的误差电压信号输出到高精度放大器，经过解调后，由处理器解算出输入角速率。本发明的电路系统结构简单、性能优良、精度高，特别是引入了振型稳定单元，在提高陀螺仪输出信号的灵敏度的同时，有效地抑制陀螺器件本身的不足。
文档编号G01C19/5733GK101968360SQ20101021667
公开日2011年2月9日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者付梦印, 刘宁, 张凤萍, 李擎, 苏中, 邓志红 申请人:北京信息科技大学;北京理工大学;北京星箭长空测控技术股份有限公司