Датчик инерциальной первичной информации

 

Использование: измерительная техника, датчики ускорения и угловой скорости для инерциальной навигации. Сущность изобретения: датчик содержит корпус 1 с основанием 2. В корпусе 1 закреплена первая пластина 3 с внутренней рамкой 4, к которой прикреплена внутренняя рамка 7 второй пластины, имеющая также внешнюю рамку 6. Пластина 3 соединена с корпусом 1 с помощью упругих перемычек 5 и выполнена утолщенной по сравнению с второй пластиной. Обе пластины выполнены из монокристаллического кремния. На рамках расположены электроды силовых преобразователей, электроды датчика положения угловой скорости и электроды акселерометра. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к вибрационным датчикам угловой скорости и датчикам линейного ускорения для инерциальной навигации.

Известен вибрационный датчик угловой скорости, имеющий основание, установленный на нем с помощью торсиона камертонный резонатор, установленные на основании и ножках камертона элементы системы возбуждения колебаний камертонного резонатора, датчик угла поворота торсиона [1].

Такой датчик угловой скорости имеет существенные габаритные размеры вследствие пространственности его конструкции.

Значительную миниатюризацию конструкции обеспечивает выполненный по планарной технологии вибрационный датчик угловой скорости, который и принят за прототип. Датчик угловой скорости содержит корпус, основание, установленную в нем пластину, во внутренней области которой расположены соответственно от периферии к центру внешняя и внутренняя рамки, соединенные упругими перемычками с основанием и друг с другом так, что оси кручения перемычек образуют две взаимно перпендикулярные оси вращения рамок, содержащий генератор возбуждения колебаний рамок, силовые преобразователи возбуждения колебаний, датчик углового положения датчика угловой скорости [2].

Недостатком этого датчика инерциальной первичной информации является ограничение по точности вследствие лимитации гироскопического момента из-за того, что внутренняя рамка, как чувствительный элемент датчика угловой скорости, имеет малый момент инерции, так как она расположена в центральной части пластины. Кроме того, с помощью такого датчика нельзя измерить линейные ускорения.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей датчика инерциальной первичной информации.

Данная цель достигается в датчике инерциальной первичной информации, содержащем корпус, основание, установленную в нем пластину, во внутренней области которой расположены соответственно от периферии к центру внешняя и внутренняя рамки, соединенные упругими перемычками с основанием и друг с другом так, что оси кручения перемычек образуют две взаимно перпендикулярные оси вращения рамок, содержащий генератор возбуждения колебаний рамок, силовые преобразователи возбуждения колебаний, датчик положения датчика угловой скорости, тем, что в него введена вторая пластина, первая пластина выполнена утолщенной по сравнению с второй, в ее внутренней области образована внутренняя рамка, отделенная по периферии от первой пластины и соединенная с ней расположенными на двух противоположных сторонах и проходящими от верхней части первой пластины к верхней части ее внутренней рамки упругими перемычками, осями кручения которых образована первая ось вращения; вторая пластина выполнена в виде внешней рамки, во внутренней части которой образована внутренняя рамка, отделенная от внешней рамки по периферии и связанная с ней упругими перемычками, расположенными на противопо- ложных сторонах внутренней рамки так, что осями кручения перемычек образована вторая ось вращения, внешняя рамка второй пластины расположена внутри первой пластины между ней и ее внутренней рамкой, первая пластина соединена с второй пластиной нижней стороной внутренней рамки первой пластины и верхней стороной внутренней рамки второй пластины, силовые преобразователи расположены на внутренней рамке, корпусе и основании, элементы датчика положения датчика угловой скорости расположены на корпусе, основании и внешней рамке, образован датчик положения акселерометра с элементами датчика положения на корпусе, основании и внешней рамке.

В развитие этой конструкции датчика инерциальной первичной информации первая и вторая пластины выполнены из монокристаллического кремния и соединены между собой сваркой кремния нижней стороны внутренней рамки первой пластины к верхней стороне внутренней рамки второй пластины. В дальнейшем модификации датчика элементы силовых преобразователей возбуждения колебаний выполнены на внешней и внутренних рамках, корпусе и основании. В одной из модификаций датчика элементы датчика положения акселерометра расположены на внешней и внутренней рамках, а также на корпусе и основании.

В усовершенствованной конструкции датчика инерциальной первичной информации силовые преобразователи выполнены электростатическими, датчики положения - емкостными, электроды силовых преобразователей и датчиков положения на первой и второй пластинах - единым электропроводным элементом.

Путем введения дополнительно к первой плоской пластине второй плоской пластины, выполнения первой пластины утолщенной по сравнению с второй, образования во внутренней области первой пластины внутренней рамки, отделенной по периферии от первой пластины и соединенной с ней расположенными на двух противоположных сторонах упругими перемыч- ками, осями кручения которых образована первая ось вращения, выполнения второй пластины в виде внешней рамки, во внутренней части которой образована внутренняя рамка, отделенная от внешней рамки по периферии и связанная с ней упругими перемычками, расположенными на противоположных сторонах внутренней рамки так, что осями кручения перемычек образована вторая ось вращения, расположения внешней рамки второй пластины внутри первой пластины между ней и ее внутренней рамкой, соединения первой пластины с второй пластиной нижней стороной внутренней рамки первой пластины и верхней стороной внутренней рамки второй пластины, расположения силовых преобразователей на внутренней рамке, корпусе и основании, расположения элементов датчика положения датчика угловой скорости на корпусе, основании и внешней рамке образован вибрационный датчик угловой скорости.

Путем выполнения первой пластины, утолщенной по сравнению с второй пластиной, образования в ее внутренней области внутренней рамки, отделенной по периферии от первой пластины, соединения периферийной части первой пластины с ее внутренней рамкой расположенными на двух противоположных сторонах и проходящими от верхней части первой пластины к верхней части ее внутренней рамки упругими перемычками, осями кручения которых образована ось вращения, образования датчика положения акселерометра с элементами датчика положения на корпусе, основании и внешней рамки образован акселерометр. Так в одном устройстве выполнен датчик угловой скорости и акселерометр, что расширяет функциональные возможности датчика инерциальной первичной информации, как измерительного преобразователя угловой скорости и линейного ускорения.

При выполнении датчика инерциальной первичной информации из двух пластин, первая из которых имеет внутреннюю рамку, соединенную упругими перемычками с внешней частью первой пластины, вторая пластина имеет внешнюю рамку и соединенную с ней упругими перемычками внутреннюю рамку, причем внутренние рамки обоих пластин соединены вместе, гироскопический момент действует на внешнюю рамку второй пластины. И так как внешняя рамка расположена по внешнюю сторону от внутренней рамки, то ее момент инерции относительно второй оси вращения больше, чем момент инерции внутренней рамки. Поэтому на внешнюю рамку действует больший гироскопический момент, что увеличивает угловое отклонение внешней рамки, повышает выходной сигнал датчика положения датчика угловой скорости при одинаковой величине угловой скорости и повышает точность измерения угловой скорости вследствие увеличения разрешающей способности датчика угловой скорости.

Расположение элементов силовых преобразователей возбуждения колебаний на внешней рамке, корпуса и основании дает увеличение переменного кинетического момента ротора датчика угловой скорости, так как увеличивается действующий на внешнюю рамку момент, увеличивающий амплитуду колебаний. Увеличение кинемати- ческого момента роста повышает точность измерения угловой скорости, так как увеличивается полезный сигнал.

Еще более увеличивается кинематический момент и повышается точность измерения угловой скорости при расположении элементов силовых преобразователей на внешней и внутренней рамках, корпусе и основании вследствие увеличения момента, действующего относительно первой оси вращения.

При расположении элементов датчика положения датчика угловой скорости на внешней рамке повышается точность измерения угловой скорости вследствие увеличения амплитуды перемещения элементов датчика относительно друг друга и, следовательно, увеличения выходного сигнала датчика положения и повышения его разрешающей способности.

Выполнение обеих пластин из кремния и соединение их внутренних рамок сваркой кремния позволяет устранить температурные деформации в местах соединения рамок, что повышает точность измерения угловой скорости вследствие уменьшения температурной погрешности.

При расположении элементов датчика положения акселерометра на внешней и внутренней рамках увеличивается величина выходного сигнала акселерометра, в результате чего повышается разрешающая способность акселерометра и точность измерения ускорения.

Если силовые преобразователи выполнены электростатическими, датчики положения - емкостными, а элементы силовых преобразователей и датчиков положения на первой и второй пластинах - единым электропроводным элементом, то в этом случае увеличиваются площади элементов преобразователей и датчиков положения вследствие устранения токоподводящих элементов. При этом повышаются кинематический момент и разрешающая способность датчика угловой скорости и акселерометра, чем достигается повышение точности датчика угловой скорости и акселерометра.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик, общий вид; на фиг.2 - то же, план без корпуса; на фиг.3 - корпус, план; на фиг.4 - основание, план; на фиг.5 - электрическая схема силовых преобразователей; на фиг.6 и 7 - электрические схемы датчиков положения датчиков угловой скорости и акселерометра соответственно; на фиг. 8 - сборочный узел, состоящий из первой и второй пластин в одном из вариантов выполнения силовых преобразователей и датчиков положения.

Датчик инерциальной первичной информации содержит корпус 1, основание 2, в котором установлена первая пластина 3, имеющая в внутренней области отдельную от нее по периферии внутреннюю рамку 4 и соединенную с наружной частью первой пластины 3 упругими перемычками 5, 5ʹ. Упругие перемычки 5, 5ʹ проходят по верхним частям первой пластины 3 и ее внутренней рамки 4. К первой пластине 3 прикреплена вторая пластина, имеющая внешнюю рамку 6 и отделенную от нее по периферии внутреннюю рамку 7. Первая пластина 3 выполнена утолщенной по сравнению с второй пластиной, и их соединение произведено между нижней стороной внутренней рамки 4 первой пластины 3 и верхней стороной внутренней рамки 7 второй пластины. Внешняя рамка 6 второй пластины расположена внутри первой пластины 3 между ней и ее внутренней рамкой 4 (фиг.2).

Упругие перемычки 5, 5ʹ расположены на двух противоположных сторонах внутренней рамки 4 и проходят к соответствующим сторонам первой пластины 3 так, что их оси кручения образуют первую ось Х-Х вращения внутренней рамки 4 вместе с внутренней рамкой 7 и наружной рамкой 6 второй пластины. Внутренняя рамка 7 второй пластины связана с внешней рамкой 6 двумя упругими перемычками 8, 8ʹ, расположенными на двух противоположных сторонах от внутренней рамки 7 и проходящими к соответствующим сторонам внешней рамки 6 так, что оси кручения упругих перемычек 8, 8ʹ образуют вторую ось Y-Y вращения, обеспечивающую угловое перемещение внешней рамки 6 относительно внутренней рамки 7 второй пластины. Оси Х-Х и Y-Y вращения взаимно перпендикулярны. Ось Y-Y вращения расположена в плоскости симметрии второй пластины, проходящей параллельно плоскостям внешней рамки 6 и внутренней рамки 7 второй пластины.

В случае выполнения первой и второй пластин из монокристаллического кремния внутренняя рамка 4, упругие перемычки 5, 5ʹ, внешняя рамка 6, внутренняя рамка 7 второй пластины, упругие перемычки 8, 8ʹ образованы анизотропным травлением кремния, а соединение поверхностей внутренней рамки 7 второй пластины и внутренней рамки 4 первой пластины 3 выполнено сваркой кремния.

Конструктивное выполнение силовых преобразователей и датчиков положения показано на примере электростатических силовых преобразователей и емкостных датчиков положения.

На внутренней рамке 4 выполнены подвижной электрод 9 первого силового преобразователя и подвижный электрод 10 второго силового преобразователя. На внешней рамке 6 второй пластины расположены подвижные электроды 11 и 12 датчика положения датчика угловой скорости и подвижные электроды 13 и 14 акселерометра. Аналогичные электроды выполнены на противоположной стороне внешней раки 6 и внутренней рамки 7 и соединены электрически с соответствующими электродами на первой стороне этих элементов.

На корпусе 1 образованы первый неподвижный электрод 15 первого силового преобразователя, первый неподвижный электрод 16 второго силового преобразователя, первые неподвижные электроды 17 и 18 датчика положения датчика угловой скорости и первые неподвижные электроды 19 и 20 датчика положения акселерометра (фиг.3).

На основании 2 расположены второй неподвижный электрод 15' первого силового преобразователя, второй неподвижный электрод 16ʹ второго силового преобразователя, вторые неподвижные электроды 17ʹ и 18ʹ датчика положения датчика угловой скорости и вторые неподвижные электроды 19ʹ и 20ʹ датчика положения акселерометра (фиг.4).

Внешняя рамка 6 второй пластины и соединенные вместе внутренняя рамка 7 второй пластины и внутренняя рамка 4 первой пластины 3 образуют ротор вибрационного гироскопа. Соединенные вместе внутренняя рамка 7 второй пластины и внутренняя рамка 4 совместно с внешней рамкой 6 второй пластины образуют чувствительный элемент акселерометра, имеющий свободу углового движения относительно пластины 3 вокруг оси Х-Х.

Возбуждение угловых колебаний ротора вибрационного гироскопа осуществляется с помощью электронного генератора 21, подключенного к двум электростатическим силовым преобразователям (фиг.5). Первый из них имеет подвижный электрод 9 на внутренних рамках 4 и 7 и неподвижные электроды 15, 15ʹ на корпусе 1 и основание 2 соответственно. Второй силовой преобразователь состоит из подвижного электрода 10 на внутренних рамках 4 и 7 и неподвижных электродов 16, 16ʹ на корпусе 1 и основании 2 соответственно. Генератор 21 имеет два выхода, соединенных общим проводом. Выходные сигналы генератора 21 являются однополярными периодическими импульсами. Фаза первого выходного сигнала сдвинута на 180^о относительно фазы второго выходного сигнала. Общий провод генератора 21 подсоединен к подвижным электродам 9 и 10, один из выходов подключен к неподвижным электродам 15 и 16ʹ, второй выход - к неподвижным электродам 15ʹ и 16 силовых преобразователей.

Датчик положения датчика угловой скорости (фиг.6) выполнен в виде емкостного преобразователя по мостовой схеме, в одну из диагоналей которой включен генератор 22 переменной ЭДС. Конденсатор С1 образован соединенными вместе подвижными электродами 11 и 12 на внешней рамке 6 и соединенными вместе неподвижными электродами 17 и 18ʹ на корпусе 1 и основании 2 соответственно. Конденсатор С2 образован теми же соединенными вместе подвижными электродами 11 и 12 и соединенными вместе неподвижными электродами 17ʹ и 18 на основании 2 и корпусе 1 соответственно. Резисторы R1 и R2 образуют другие плечи моста. Сигнал датчика положения снимается с другой диагонали моста.

Датчик положения акселерометра (фиг.7) является емкостным преобразователем, выполненным по мостовой схеме, в одну из диагоналей которой включен генератор 23 переменной ЭДС. Конденсатор С3 образован соединенными вместе подвижными электродами 13 и 14 на внешней рамке 6 и соединенным вместе неподвижными электродами 19ʹ, 20 на основании 2 и корпусе 1 соответственно. Конденсатор С4 образован теми же соединенными вместе подвижными электродами 13 и 14 на внешней рамке 16 и соединенными вместе неподвижными электродами 19 и 20ʹ на корпусе 1 и основании 2 соответственно. Резисторы R3 и R4 образуют другие плечи моста. Выходной сигнал датчика положения снимается с второй диагонали моста.

При выполнении электродов силовых преобразователей и датчиков положения на первой и второй пластинах единым электропроводным элементом электроводная поверхность 24 выполняет роль подвижных электродов 9...14 силовых преобразователей и датчиков положения на внешней рамке 6 и внутренней рамке 7 второй пластины и внутренней рамке 4 первой пластины 3 (фиг.8). В случае использования монокристаллического кремния в качестве материала первой и второй пластин их поверхности служат в качестве электропроводной поверхности 24.

При выполнении элементов силовых преобразователей на внешней 6 и внутренней 4 рамках или элементов датчика положения акселерометра на внешней 6 и внутренней 4 рамках перераспределяются или увеличиваются площади, занимаемые электродами 9...14.

Датчик инерциальной первичной информации работает следующим образом.

При поступлении с первого выхода генератора 21 напряжения на электроды 9 и 15 первого силового преобразователя и электроды 10 и 16ʹ второго силового преобразователя электрод 9 притягивается электростатической силой к электроду 15, электрод 10 - к электроду 16ʹ. Так как электроды 15 и 16ʹ расположены симметрично относительно первой оси Х-Х вращения и по разные стороны от поверхностей внутренней рамки 4, то возникающий момент электростатических сил вызывает поворот ротора вибрационного гироскопа в одну сторону. После того, как напряжение с первого выхода генератора 21 снимается, подается напряжение с второго выхода генератора 21 на электроды 9 и 15ʹ первого силового преобразователя и электроды 10 и 16 второго силового преобразователя. Так как электроды 15ʹ и 16 находятся на противоположных сторонах от электродов 15 и 16ʹ, то под действием момента электростатических сил ротор вибрационного гироскопа поворачивается в другую сторону, противоположную повороту в первом указанном случае. Таким образом осуществляется колебательное угловое движение ротора вибрационного гироскопа относительно оси Х-Х и создается переменный кинетический момент ротора, вектор которого направлен по оси Х-Х.

При вращении датчика инерциальной первичной информации относительно входной оси, перпендикулярной образованной осями Х-Х и Y-Y плоскости, возникает гироскопический момент, вектор которого направлен по оси Y-Y. Гироскопический момент вызывает угловое перемещение внешней рамки 6 второй пластины относительно оси Y-Y. Угловое перемещение внешней рамки 6 пропорционально угловой скорости вращения датчика угловой скорости относительно входной оси. Если, например, векторы кинетического момента и угловой скорости направлены так, что под действием гироскопического момента осуществляется сближение электродов 11 и 12 на внешней рамке 6 с электродами 17 и 18ʹ на корпусе 1 и основании 2 соответственно, тогда емкость конденсатора С1 увеличивается, емкость конденсатора С2 уменьшается, происходит разбалансировка мостовой схемы емкостного датчика положения, и с его выхода поступает сигнал, определяющий величину угловой скорости. При противоположном направлении вектора угловой скорости фаза выходного сигнала датчика положения меняется на противоположную. Тем самым датчик угловой скорости измеряет величину угловой скорости и направление вращения корпуса прибора.

Так как упругие перемычки 5, 5ʹ проходят по верхним сторонам пластины 3 и ее внутренней рамки 4 и к нижней стороне внутренней рамки 4 прикреплена внутренняя рамка 7 вместе с внешней рамкой 6, то центр масс всей этой механической системы находится ниже оси кручения упругих перемычек 5, 5ʹ. Поэтому при наличии ускорения по измерительной оси акселерометра, направленной по оси Х-Х, под действием инерционного момента внутренняя рамка 4 с второй пластиной отклоняется относительно оси Х-Х на угол, определяемый величиной ускорения. Если направление ускорения таково, что происходит сближение электродов 13 и 14 на внешней рамке 6 с электродами 19ʹ и 20 на основании 2 и корпусе 1 соответственно, то емкость конденсатора С3 увеличивается, емкость конденсатора С4 уменьшается, баланс мостовой схемы емкостного датчика положения нарушается. В результате с датчика положения акселерометра поступает сигнал, пропорциональный ускорению. При изменении направления ускорения изменяется фаза выходного сигнала акселерометра. Таким образом, с помощью акселерометра определяется величина и направление измеряемого ускорения.

Так как подвижные электроды силовых преобразователей и датчиков положения объединены общим проводом, то выполнение их единым электропроводным элементом 24 не нарушает работоспособности датчика инерциальной первичной информации. При выполнении первой и второй пластин из монокристаллического кремния роль первой и второй пластин из монокристаллического кремния роль единого электропроводного элемента 24 играют первая и вторая пластины с их элементами.

Формула изобретения

1. ДАТЧИК ИНЕРЦИАЛЬНОЙ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ, содержащий корпус, основание, установленную в нем первую пластину, во внутренней области которой расположены соответственно от периферии к центру внешняя и внутренняя рамки, соединенные упругими перемычками с основанием и одна с другой так, что оси кручения перемычек образуют две взаимно перпендикулярные оси вращения рамок, а также содержащий генератор возбуждения колебаний рамок, силовые преобразователи возбуждения колебаний, датчик положения угловой скорости, отличающийся тем, что в него введена вторая пластина, первая пластина выполнена утолщенной по сравнению с второй, в ее внутренней области образована внутренняя рамка, отделенная по периферии от первой пластины и соединенная с ней расположенными на двух противоположных сторонах и проходящими от верхней части первой пластины к верхней части ее внутренней рамки упругими перемычками, осями кручения которых образована первая ось вращения, вторая пластина выполнена в виде внешней рамки, во внутренней части которой образована внутренняя рамка, отделенная от внешней рамки по периферии и связанная с ней упругими перемычками, расположенными на противоположных сторонах внутренней рамки так, что осями кручения перемычек образована вторая ось вращения, внешняя рамка второй пластины расположена внутри первой пластины между ней и ее внутренней рамкой, первая пластина соединена с второй пластиной нижней стороной внутренней рамки первой пластины и верхней стороной внутренней рамки второй пластины, силовые преобразователи расположены на внутренней рамке, корпусе и основании, элементы датчика положения датчика угловой скорости расположены на корпусе, основании и внешней рамке, образуя датчик положения акселерометра с элементами датчика положения на корпусе, основании и внешней рамке.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что первая и вторая пластины выполнены из монокристаллического кремния и соединены между собой сваркой кремния нижней стороны внутренней рамки первой пластины к верхней стороне внутренней рамки второй пластины.

3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что элементы силовых преобразователей выполнены на внешней и внутренней рамках, корпусе и основании.

4. Датчик по п.1 или одному из пп. 2 и 3, отличающийся тем, что элементы датчика положения акселерометра расположены на внешней и внутренних рамках, а также на корпусе и основании.

5. Датчик по п.1 или одному из пп. 2 - 4, отличающийся тем, что силовые преобразователи выполнены электростатическими, датчики положения - емкостными, электроды силовых преобразователей и датчиков положения на первой и второй пластинах выполнены единым электропроводным элементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8