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专利名称：车用惯性传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种用于车辆稳定系统、 单轴自动控制商业系统等领域中测量平面坐标系中运动状态的车用惯性 传感器。
背景技术：
目前，在导弹控制、地质勘测、工业控制、航空飞行器稳定控制、捷 联惯导、汽车自动驾驶以及机器人控制等行业领域中所普遍使用的车用惯 性传感器，包括角速率陀螺仪和加速度计，其产品绝大部分都是机械式的， 如液浮或半液浮式，挠性有旋转马达的角速率陀螺仪，有质块的加速度计
等。这些老式车用惯性传感器在实际应用中存在的突出缺点是体积大、 价格昂贵、易损坏、耐冲击加速度低、寿命短，并且测量范围小(老式角 速率陀螺最大测量值仅500Vs，加速度计最大测量值仅为10g)、频响低 (最多为100Hz),另外，绝大部分产品不具备自检测(self-Test)功能
等，即使是当今较先进的光纤或激光类车用惯性传感器，由于其价格昂贵 及体积大等原因而也很难得到广泛地推广应用。

实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提 供一种车用惯性传感器，其结构简单、体积小、重量轻、造价低且使用操 作简便，并具备自检测功能，可靠性高、使用寿命长且应用范围广。
为解决上述技术问题，本实用新型釆用的技术方案是 一种车用惯性传 感器，其特征在于由用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪和用 于测量空间X轴方向线加速度的加速度计组成且二者并行设置，所述角速率陀螺仪和加速度计均包括依次串接的敏感电路、信号处理器和主放大 器；所述主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器 和带宽扩展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三 者的共同输出端均接主放大器的输入端。
所述角速率陀螺仪和加速度计的输入端和输出端均接至适配转接线 路板。
所述角速率陀螺仪的敏感电路为由离散控制器一、ST接口电路一、敏 感器一、谐振器一和激励器一组成的敏感电路一，所述离散控制器一和激
励器一分别经ST接口电路一和谐振器一后均接敏感器一；所述角速率陀
螺仪的信号处理器为信号处理器一，所述敏感器一接信号处理器一。
所述敏感器一为芯片PO-XRS;谐振器一由两个运算放大器Al和A2 相串联组成，所述运算放大器A1和A2均为芯片LTC2053;所述激励器一 为由芯片REG711-5构成的充电泵调节器；所述信号处理器一由芯片 LTC2053和芯片LB8207串接组成；所述角速率陀螺仪的主放大器为芯片 LTC2053。
所述加速度计的敏感电路为由离散控制器二、ST接口电路二和敏感器 二组成的敏感电路二，所述离散控制器二经ST接口电路二后接敏感器二； 所述加速度计的信号处理器为信号处理器二，所述敏感器二接信号处理器
所述敏感器二为芯片PO-XL;所述信号处理器二为芯片LB8207;所述 加速度计的主放大器为芯片LTC2053。
所述零偏置控制器由输入回路一、放大器一、运算器、校准回路和反 馈回路一组成，放大器一的输出信号分三路， 一路经运算器和校准回路后 接放大器一的输入端， 一路经所述反馈回路一后接放大器一的输入端，另 一路接所述主放大器的输入端；
所述放大器一为芯片LTC2053,所述运算器为芯片LM339,所述校准 回路由一电阻和一电子开关串接组成。所述量程扩展器由输入回路二、放大器二、量程扩展回路和反馈回路 二组成，放大器二的输出信号分三路， 一路经所述量程扩展回路后接放大 器二的输入端， 一路经所述反馈回路二后接放大器二的输入端，另一路接 所述主放大器的输入端；
所述放大器二为芯片，量程扩展回路由电阻Rn构成。
所述带宽扩展器由输入回路三、放大器三、带宽扩展电路和反馈回路 三组成，输入回路三的输出信号分三路， 一路经带宽扩展电路后接放大器 三的输入端， 一路经反馈回路三后接放大器三的输入端，另一路接所述主
放大器的输入端；
所述放大器三由为芯片LTC2053,带宽扩展电路由电容Cx和C12并联 组成，反馈回路三由电阻Rx和R14并联组成。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点，1、不仅结构简单，加工 制作方便，而且使用操作方便，并具备自检测功能，可准确测量平面坐标 系中的状态；2、本实用新型为一两轴二自由度的车用惯性传感器，其角 速率陀螺仪属于无旋转马达的固态角速率传感器，加速度计属于无质块的 传感器，二者的内部电路工作构件均釆用微机械-电子系统(MEMS)技术 的芯片且均釆用双极型金属氧化物半导体(BIM0S)技术的生产和球形网 格排列的载流焊工艺技术进行加工制造，因而产品具有高可靠性和高封装 坚固性；3、体积小、重量轻、造价低且使用寿命长，同时，使用操作简 便、便于推广应用，因而在实践中的应用范围十分广泛，可广泛用于导弹 控制，地质勘测，工业控制，航空飞行器稳定控制，捷联惯导，汽车自动 驾驶及机器人控制等行业领域；4、测量的准确度高，可准确测量空间坐 标系中Z轴的角速率和X轴的线加速度，而角速率陀螺仪和加速度计都具 有自检测功能，因而能够实现机内检测(BIT),并且角速率陀螺仪和加 速度计的输出信号均为模拟信号；5、本实用新型还设置了零偏置控制器、 量程扩展器和带宽扩展器，使本产品具有零漂置校准、较宽的测量范围和 带宽功能，同时，也使本实用新型具有工作温度范围宽、体积小、重量轻、启动快、寿命长及耐冲击加速度高等特点。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本实用新型的总体电路原理框图。
图2为本实用新型角速率陀螺仪的电路原理框图。 图3为本实用新型加速度计的电路原理框图。
图4为图2中敏感电路一、信号处理器一和主放大器一的电路原理图。
图5为图3中敏感电路二、信号处理器二和主放大器二的电路原理图。
图6为本实用新型零偏置控制器的电路原理框图。
图7为图6的电路原理图。
图8为本实用新型量程扩展器的电路原理框图。
图9为图8的电路原理图。
图io为本实用新型带宽扩展器的电路原理框图。
图11为图10的电路原理图。 附图标记说明
1一角速率陀螺仪； 4一敏感电路一；
4- 3—敏感器一； 5 —敏感器二；
5- 3—敏感器二； 8 —量程扩展器一； ll一信号处理器二 14一带宽扩展器二 17—校准电路； 20—运算器； 23—放大器二； 26 —带宽扩展电路
2—加速度计； 4-1一离散控制器一；
4- 4一谐振器一；
5- 1一离散控制器二；
6- 信号处理器一； 9一带宽扩展器一； 12—零偏置控制器二； 15 —主放大器二； 18—放大器一； 21—输入电路二； 24—反馈电路二； 27—放大器三；
3— 适配转接线路板;
4- 2—ST接口电路一;
4- 5—激励器一；
5- 2—ST接口电路二; 7—零偏置控制器一; 10—主放大器一； 13—量程扩展器二； 16—输入电路一； 19一反馈电路一； 22—量程扩展电路； 25—输入电路三； 28—反馈电路三。
具体实施方式

如图1所示，本实用新型由用于测量空间z轴方向角速率的角速率陀 螺仪1和用于测量空间X轴方向线加速度的加速度计2组成且二者并行设 置。所述角速率陀螺仪1和加速度计2并行输出并且二者的输入端和输出 端均接至适配转接线路板3，也就是说，通过适配转接线路板3使角速率 陀螺仪1和加速度计2的输入端和输出端均与引出电缆连接。其中，角速 率陀螺仪1和加速度计2均包括依次串接的敏感电路、信号处理器(解调 滤波器)和主放大器，并且二者的敏感电路均由MEMS芯片构成。另外， 主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩 展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三者的共同 输出端均接主放大器的输入端。
如图2所示，所述角速率陀螺仪1的敏感电路为由离散控制器一 4-1、 ST接口电路一4-2、敏感器一4-3、谐振器一 4-4和激励器一 4-5组成的 敏感电路一 4,所述离散控制器一 4-1和激励器一 4-5分别经ST接口电路 一 4-2和谐振器一 4-4后均接敏感器一 4-3;所述角速率陀螺仪1的信号 处理器为信号处理器一 6，敏感器一 4-3接信号处理器一 6,角速率陀螺 仪1的主放大器为主放大器一 10。具体是敏感器一 4-3的输出信号经信 号处理器一6后，传送至主放大器一 10进行放大处理，而对主放大器一 10进行控制的零偏置控制器一 7、量程扩展器一 8和带宽扩展器一 9三者 相并联，并且三者的公共输出端接主放大器一 10的输入端。
结合图4，所述敏感器一 4-3为芯片PO-XRS即芯片Ul,其输入端Uin 接角速率输入信号；谐振器一 4-4由两个运算放大器Al和A2相串联组成， 所述运算放大器Al和A2均为芯片LTC2053，其中，运算放大器Al和A2 的正相输入端均接UR,运算放大器A2的反相输入端接芯片PO-XRS的输出 端U。2,运算放大器A2的输出端接运算放大器A1的反相输入端。离散控制 器一 4-1的输出端分别经ST1、 ST2接口电路后接至芯片PO-XRS的两个输 入端ST1、 ST2。而激励器一 4-5为由芯片REG711-5 (即芯片U3)构成的充电泵调节器，所述芯片REG711-5的输出端接芯片PO-XRS的输入端UI3。 所述信号处理器一 6芯片LTC2053 (即运算放大器A3-1 )和芯片LB8207 (即芯片U4-1)串接组成，具体是，芯片PO-XRS的两个输出端l+和U01-分别接运算放大器A3-1的正相和负相输入端。另外，角速率陀螺仪1的 主放大器一 IO为芯片LTC2053 (即运算放大器A4-l)。芯片U4-1的输出 端U。经电阻R1-1、电阻R2-1后接运算放大器A4-l的反相输入端，运算 放大器A4-1的输出端和其反相输入端之间并接有电阻R3-1和电容C5-1。
如图3所示，加速度计2的敏感电路为由离散控制器二 5-1、 ST接口 电路二 5-2和敏感器二 5-3组成的敏感电路二 5,所述离散控制器二 5-1 经ST接口电路二 5-2后接敏感器二 5-3。而加速度计2的信号处理器为信 号处理器二 11,敏感器二 5-3接信号处理器二 11,加速度计2的主放大 器为主放大器二 15。具体是敏感器二 5-3的输出信号经信号处理器二 11后，传送至主放大器二 15进行放大处理，而对主放大器二 15进行控制 的零偏置控制器二 12、量程扩展器二 13和带宽扩展器二 14三者相并联， 并且三者的公共输出端接主放大器二 15的输入端。
结合图5，所述敏感器二 5-3为芯片P0-XL (即芯片U5)，其输入端 l接加速度输入信号；信号处理器二 11为芯片LB8207 (即芯片U4);所 述加速度计2的主放大器二 15为芯片LTC2053 (即运算放大器A4-2 )。 具体是芯片U4的的输出端U。经电阻Rl-2、电阻R2-2后接运算放大器 A4-2的反相输入端，运算放大器A4-2的输出端和其反相输入端之间并接 有电阻R3-2和电容C5-2。
本实施例中，角速率陀螺仪1和加速度计2的零偏置控制器结构相同。 如图6所示，零偏置控制器由输入回路一 16、放大器一 18、运算器20、 校准回路17和反馈回路一 19组成，放大器一 18的输出信号分三路，一 路经运算器20和校准回路17后接放大器一 18的输入端， 一路经所述反 馈回路一 19后接放大器一 18的输入端，另一路接所述主放大器的输入端。 结合图7,放大器一 18为芯片LTC2053 (即运算放大器A5),所述运算器为芯片LM339 (即芯片A6),所述校准回路由一电阻R6和一电子开关K4 串接组成。输入回路一 16由电阻R4、 R5和电容C7组成，反馈回路一19 由电阻R7组成。也就是说，输入回路一 16的输出端接放大器一 18的输 入端，而放大器一 18的输出信号一路分流至反馈回路一 19并回接到放大 器一 18的输入端。零偏置控制器的设置可以使本实用新型的每个轴的零 偏一致，达到2.5±0. IV,以便于用户的使用。
本实施例中，角速率陀螺仪1和加速度计2的量程扩展器结构相同。 如图8所示，所述量程扩展器由输入回路二 21、放大器二 23、量程扩展 回路22和反馈回路二 24组成，放大器二 23的输出信号分三路， 一路经 所述量程扩展回路22后接放大器二 23的输入端， 一路经所述反馈回路二 24后接放大器二 23的输入端，另一路接所述主放大器的输入端。结合图 9,所述放大器二 23为芯片LTC2053 (即运算放大器A7),输入回路二 21 由电阻R9、 R11和电容C9组成，量程扩展回路22由电阻Rn构成，反馈 回路二 24由电阻R10组成。实际应用过程中，依据巿场客户对量程的要 求，通过量程扩展器可以设置本实用新型中各轴向的量程，以满足用户不 同测量范围的要求。
本实施例中，角速率陀螺仪1和加速度计2的带宽扩展器结构相同。 如图10所示，所述带宽扩展器由输入回路三25、放大器三(27)、带宽 扩展电路26和反馈回路三28组成，输入回路三25的输出信号分三路， 一路经带宽扩展电路26后接放大器三27的输入端， 一路经反馈回路三28 后接放大器三27的输入端，另一路接所述主放大器的输入端。结合图11， 所述放大器三27由为芯片LTC2053 (即运算放大器A8 ),带宽扩展电路 26由电容Cx和C12并联组成，反馈回路三28由电阻Rx和R14并联组成， 输入回路三25由电阻R12、 R13和电容C11组成。也就是说，输入回路三 25的输出端接放大器三27的输入端，放大器三27的输出信号分别分流至 带宽扩展电路26和反馈回路三28的输入端且二者的输出端均回接至放大 器三27的输入端。实际应用过程中，通过带宽扩展器各轴的带宽进行设置。
本实施例中，本实用新型其由一个角速率陀螺仪和一个加速度计组
成，而角速率陀螺仪和加速度计并行输出至适配转接线路板3,从适配转 接线路板3引出的电缆合理有序地安装在一个外形尺寸为68 x 82 x 27. 5nim3壳体之内。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限 制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更 以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求1. 一种车用惯性传感器，其特征在于由用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪(1)和用于测量空间X轴方向线加速度的加速度计(2)组成且二者并行设置，所述角速率陀螺仪(1)和加速度计(2)均包括依次串接的敏感电路、信号处理器和主放大器；所述主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三者的共同输出端均接主放大器的输入端。
2. 按照权利要求l所述的车用惯性传感器，其特征在于所述角速率 陀螺仪(1)和加速度计(2)的输入端和输出端均接至适配转接线路板(3)。
3. 按照权利要求l或2所述的车用惯性传感器，其特征在于所述角 速率陀螺仪(1 )的敏感电路为由离散控制器一(4-1 )、ST接口电路一(4-2 )、 敏感器一 (4-3)、谐振器一 (4-4)和激励器一 (4-5)组成的敏感电路 一 (4)，所述离散控制器一 (4-1)和激励器一 (4-5)分别经ST接口电 路一 (4-2)和谐振器一 (4-4)后均接敏感器一 (4-3);所述角速率陀 螺仪(1)的信号处理器为信号处理器一 (6)，所述敏感器一 (4-3)接 信号处理器一 (6)。
4. 按照权利要求3所述的车用惯性传感器，其特征在于所述敏感器 一 (4-3)为芯片P0-XRS;谐振器一 (4-4)由两个运算放大器Al和A2 相串联组成，所述运算放大器Al和A2均为芯片LTC2053;所述激励器一(4-5)为由芯片REG711-5构成的充电泵调节器；所述信号处理器一 (6) 由芯片LTC2053和芯片LB8207串接组成；所述角速率陀螺仪(1)的主放 大器为芯片LTC2053。
5. 按照权利要求3所述的车用惯性传感器，其特征在于所述加速度 计(2)的敏感电路为由离散控制器二 (5-1) 、 ST接口电路二 (5-2)和 敏感器二 (5-3)组成的敏感电路二 (5)，所述离散控制器二 (5-1)经 ST接口电路二 (5-2)后接敏感器二 (5-3);所述加速度计(2)的信号处理器为信号处理器二( 11 ),所述敏感器二( 5-3)接信号处理器二( 11 )。
6. 按照权利要求5所述的车用惯性传感器，其特征在于所述敏感器 二 (5-3)为芯片PO-XL;所述信号处理器二 (11)为芯片LB8207;所述 加速度计(2)的主放大器为芯片LTC2053。
7. 按照权利要求3所述的车用惯性传感器，其特征在于所述零偏置 控制器由输入回路一 (16)、放大器一 (18)、运算器(20)、校准回路U7)和反馈回路一 (19)组成，放大器一 (18)的输出信号分三路，一 路经运算器(20)和校准回路(17)后接放大器一 (18)的输入端， 一路 经所述反馈回路一 (19)后接放大器一 (18)的输入端，另一路接所述主 放大器的输入端；所述放大器一 (18)为芯片LTC2053,所述运算器为芯片LM339,所 述校准回路由一电阻和一电子开关串接组成。
8. 按照权利要求3所述的车用惯性传感器，其特征在于所述量程扩 展器由输入回路二 (21)、放大器二 (23)、量程扩展回路(22)和反馈 回路二 (24)组成，放大器二 (23)的输出信号分三路， 一路经所述量程 扩展回路(22 )后接放大器二 ( 23 )的输入端， 一路经所述反馈回路二 ( 24 ) 后接放大器二 (23)的输入端，另一路接所述主放大器的输入端；所述放大器二 (23)为芯片LTC2053,量程扩展回路(22)由电阻RX1 构成。
9. 按照权利要求3所述的车用惯性传感器，其特征在于所述带宽扩 展器由输入回路三U5)、放大器三(27)、带宽扩展电路(26)和反馈 回路三(28)组成，输入回路三(25)的输出信号分三路， 一路经带宽扩 展电路(26)后接放大器三(27)的输入端， 一路经反馈回路三(28)后 接放大器三(27)的输入端，另一路接所述主放大器的输入端；所述放大器三(27)由为芯片LTC2053，带宽扩展电路(26)由电容 Cx和C12并联组成，反馈回路三(28)由电阻Rx和R14并联组成。
专利摘要本实用新型公开了一种车用惯性传感器，由用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪和用于测量空间X轴方向线加速度的加速度计组成且二者并行设置，所述角速率陀螺仪和加速度计均包括依次串接的敏感电路、信号处理器和主放大器；所述主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三者的共同输出端均接主放大器的输入端。本实用新型结构简单、造价低且使用操作简便，不仅体积小、重量轻，而且可靠性高、使用寿命长、应用范围广，并具备自检测功能，可准确测量平面坐标系中的状态。
文档编号G01P15/00GK201247252SQ20082002999
公开日2009年5月27日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者董红娟, 谷荣祥, 陶延峰 申请人:西安中星测控有限公司