惯性传感器的信号处理系统技术方案

本发明专利技术提供一种具有校正质量的加速度传感器系统，通过完去陷去抖动频率的所有反馈扭矩，使得在加速度计伺服环路内没有抖动频率的反馈。由于没有反馈扭矩来改变校正质量对加速度的响应，所以校正质量相对运动是速度的直接量度。在这种情况下，校正质量基本上在开环模式下响应，此时运动振幅与相位被很好地相对抖动频率限定。按照本发明专利技术的加速度传感器系统特别适于检测Ｃｏｒｉｏｌｉｓ加速度。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及导航或其它应用中旋转传感器系统的信号处理技术。特别涉及包含测量旋转的Coriolis加速度传感器的旋转传感器系统中的信号处理技术。通过将捕捉式线性加速度计安装在振动框架上并测量框架相对惯性空间的角速度产生的Coriolis加速度可以获得角速度。通常情况下，为了精确测量角速度，这种加速度计的频率响应必须准确地限定在抖动框架的振动频率上。标度因子直接与加速度计闭环增益相关。如果在解调Coriolis信号时不通过对基准相位的精密控制去除与加速度计耦合的振动驱动运动的测量，则可能产生较大的误差。消除这种因加速度计输出的增益和相位不确定性产生的较大误差的一种技术是采用精密交流扭矩反馈以精确地抵消速度引起的Coriolis力，从而保证抖动频率的校正质量为零。在有些反馈控制系统中，被测量的参数改变了正弦载波信号的振幅。在这种系统中，载波信号频率一般远远高于被测量参数所需的带宽。这样的振幅调制信号可以由测量压力、加速度、速度、角速度等的传感器产生。对于有些这样的传感器，参数的精确测量取决于对维持闭环结构平衡所需的反馈信号的测定。对调制信号测量精度要求较高的应用是测量因角速度输入产生的Coriolis加速度的振动角速度传感器系统。送至这种传感器的恒速输入产生振幅受到装置驱动振荡频率调制的输出信号。所生成的Coriolis加速度正比于输入速度并且与驱动振荡振幅的相位差为90°。因此当振动速度最大时，加速度最大，此时相对振动的最大振幅相位差为90°。在大多数情况下，速度传感器是内置的加速度检测器或者安装在振动体上的小型加速度计。检测器的校正质量响应于速度产生的Coriolis加速度。如果加速度传感器工作在开环结构中，则在输出信号的增益与相位准确限定时，其频率响应必须远远高于驱动频率。增益绝对值对于标度因子来说是重要的，并且为了去除任何“正交”信号(它是速度测量的主要误差源)，相对驱动基准振荡的信号相位也是重要的。如果采用典型的捕捉型环路技术，则在闭环加速度检测中也会有相同的增益和相位困难。本专利技术提供一种具有校正质量的加速度传感器系统，通过在驱动频率下去除所有的反馈扭矩使得在该频率下加速度计伺服环路内没有反馈。由于没有反馈扭矩响应于加速度而改变校正质量，所以相对于运动的校正质量是速度的直接量度。在这种情况下，校正质量基本上在开环模式中有响应，此时运动振幅与相位准确地相对于抖动驱动而限定。按照本专利技术的加速度传感器系统特别适于检测Coriolis加速度。本专利技术提供一种技术，它克服了已有的用于振幅调制伺服系统的反馈调制技术的困难。按照本专利技术的反馈调制系统捕捉Coriolis传感器，从而使得传感器产生的信号的相位与增益在维持较好的标度因子方面是无关的。按照本专利技术的装置包括连接在伺服补偿器输出与求和器之间的反馈环路。反馈环路包括扭矩二次调制器。传感器、解调器、伺服补偿器和带扭矩二次调制器的反馈环路协同工作以产生独立于传感动力学、解调器和伺服补偿的增益和相位的测量输出。按照本专利技术的装置用来处理来自Coriolis力传感器的信号输出以测量角速度，它包括与传感器相连的解调器以接收指示角速度输出的信号以及相连的伺服补偿器以接收解调器输出的信号。伺服补偿器产生指示角速度测量值的速度输出信号φ(s)。包括扭矩二次调制器的反馈环路连接在伺服补偿器与传感器之间。扭矩二次调制器将二次调制的角速度信号施加在传感器上，使得解调器、伺服补偿器和反馈环路协同工作以产生独立于传感器、解调器和伺服补偿器的增益和相位的测量输出。按照本专利技术的装置用来处理来自传感器的信号输出以测量角速度，它还包括抖动装置，用来以频率为ωD的振荡角速度信号驱动传感器；以及与传感器相连的解调器，用来以正比于cos(ωDt)的信号解调输出的信号从而生成速度输出信号 (s)。反馈环路连接在传感器输出与抖动装置之间。反馈环路包括相连的伺服补偿器以接收传感器的输出信号以及连接在伺服补偿器与抖动装置之间的陷波滤波器。陷波滤波器排列成去除抖动频率ωD的信号，使反馈环路不携带使传感器在抖动频率处产生反馈扭矩的信号。本专利技术也可以包含与传感器敏感元件相连的高通滤波器和与高通滤波器相连的同相信号处理通道。同相信号处理通道比较好的是包括配置成从高通滤波器接收输出信号的余弦解调器和与余弦解调器相连以产生速度测量信号的第一伺服补偿电路。余弦二次调制器与第一伺服补偿电路相连。正交相位信号处理通道与高通滤波器相连。正交相位信号处理通道包括配置成从高通滤波器接收输出信号的正弦解调器和连接正弦解调器的第二伺服补偿电路。正弦二次调制器与伺服补偿电路相连。第一求和器与余弦二次调制器和正弦二次调制器相连。加速度反馈环路连接在传感器敏感元件与第二求和器之间。加速度反馈环路包括陷波滤波器，用来去除抖动频率ωD的信号以使反馈环路不载带将在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩信号，从而使传感器的相对运动成为角速度的直接量度，并且使陷波滤波器产生指示加速度的信号。第二求和器连接在第一求和器与陷波滤波器之间。第二滤波器的输出与传感器相连以将作为同相通道、正交相位通道和加速度反馈环路输出信号之和的反馈信号施加在传感器上。本专利技术包含与高通滤波器相连的解调器，用来接收经过滤波的传感器信号并产生指示角速度的信号。反馈环路连接在传感器敏感元件的输出与加速度计之间。反馈环路包括陷波滤波器，用来去除抖动频率ωD的信号以使反馈环路不载带将在传感器中产生抖动频率的反馈扭矩的信号。附图说明图1为现有技术的用来捕捉速度测量装置中传感器输出信号的环路框图；图2为按照本专利技术的第一捕捉环路的简化框图；图3为图2的第一捕捉环路详细框图；图4为按照本专利技术的第二捕捉环路的简化框图；图5为图3的第一捕捉环路详细框图；图6为按照本专利技术的多传感器旋转传感器与信号处理电路的框图；图7为包含在图6电路中的数字信号处理器框图；图8表示按照本专利技术的模拟电路，用来处理Coriolis传感器输出的信号；以上图9表示按照本专利技术的数字电路，用来处理Coriolis传感器输出的信号。按照本专利技术的捕捉型环路特别适应于角速度传感器系统，但是并不局限于角速度传感器。应该指出的是，上述捕捉型环路可以同测量压力、温度、速度的传感器联用。按照本专利技术的捕捉型环路也可以用于以被测参数作振幅调制的传感器。图1示出了用于处理角速度传感器系统输出信号的现有技术捕捉型环路。速度输入φ(s)施加于诸如线性加速度计的传感器14。图1中所用传感器在美国专利4，679，434；4841，773；5，065，627；和5，142，921中有所揭示。包含在上述其他捕捉型环路的传感器也可以与传感器14相似。传感器14被抖动或调制信号驱动，从而以cos(ωDt)调制速度输入φ(s)，这里ωD是传感器的驱动频率而t为时间。传感器14与伺服补偿器16相连，该补偿器将输入信号与函数G(s)相乘并输出信号V(s)。信号V(s)被馈送回传感器14。传感器14根据动态响应函数A(S)对调制速度输入信号和反馈信号V(s)之和作出响应。信号V(s)也输入至以信号cos(ωDt)解调信号V(s)的解调器18。解调器18的输出为测得的速度 对于恒输入速率，由传感器14看到的输入信号以驱动频率ωD振荡。传感器14输出的信号随后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理Ｃｏｒｉｏｌｉｓ力传感器输出的信号以测量角速度的装置，其特征在于包含：与传感器相连以接收指示输出的角速度信号的解调器；相连的伺服补偿器，用来接收解调器输出的信号，伺服补偿器产生指示角速度测量值的速度输出信号φ（ｓ）；以及 反馈环路，包括连接在伺服补偿器与传感器之间的扭矩二次调制器，扭矩二次调制器将二次调制的角速度信号施加给传感器，从而使得解调器、伺服补偿器和反馈环路协同工作以产生独立于传感器、解调器和伺服补偿器增益和相位的测得的输出。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：FW斯坦利，AT丹尼尔，KPF约尔根，AL查理，
申请(专利权)人：利顿系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]