Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр

 

Использование: в инерциальных измерительных системах, в автопилотах авиа и судомоделей и в системах безопасности транспортных средств. Сущность изобретения: микромеханический гироскоп-акселерометр представляет собой систему двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием посредством торсионов. При этом оси торсионов, связывающих внутренний элемент с внешним и внешний с основанием, взаимно перпендикулярны. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента. Полезный сигнал снимается с датчика угла, реализованного с помощью электродов, размещенных на внутреннем элементе и основании, и поступает на предварительный усилитель и основной фазочувствительный выпрямитель, а затем через разделительный фильтр на дополнительный фильтр и фазочувствительный выпрямитель. При этом на выходе дополнительного фильтра сигнал будет пропорционален действующему линейному ускорению, а на выходе дополнительного фазочувствительного выпрямителя сигнал будет пропорционален действующей угловой скорости. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гироскопическим приборам и может найти применение в инерциальных измерительных системах, автопилотах авиа и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств и других областях техники.

Известен микромеханический вибрационный гироскоп (1), выполненный на основе кремниевой технологии.

Прибор представляет собой узел из системы двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием посредством торсионов. При этом оси торсионов, связывающих внутренний элемент с внешним и внешний с основанием, взаимно перпендикулярны. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента. Суть эффекта, положенного в основу функционирования рассматриваемого гироскопа, состоит в следующем. Посредством переменного электрического поля возбуждают колебания внешнего элемента определенной амплитуды и частоты. При вращении гироскопа относительно оси, перпендикулярной внешнему и внутреннему плоским элементам прибора, возникают силы Кориолиса, которые заставляют колебаться внутренний элемент. Полезный сигнал снимается с датчика угла, реализованного с помощью электродов, размещенных на внутреннем элементе и основании.

Прибор имеет существенный недостаток низкую чувствительность из-за малых площадей электродов датчика угла.

Данный недостаток частично устранен за счет использования нескольких внутренних элементов (2).

При этом электроды датчиков углов соединены параллельно, что позволяет увеличить их емкость и повысить чувствительность гироскопа в целом. Однако из-за того что центр масс инерционного элемента смещен относительно геометрического центра внутреннего элемента, эта конструкция имеет зависимость выходного сигнала от перекрестных ускорений.

Технический результат изобретения расширение функциональных возможностей микромеханического гироскопа.

Указанный результат достигается тем, что в состав микромеханического вибрационного гироскопа, содержащего узел чувствительного элемента в виде размещенных в горизонтальной плоскости внешнего и внутреннего плоских элементов, соединенных между собой и с основанием посредствам торсионов, при этом торсионы, связывающие внутренний элемент с внешним, а внешний с основанием, взаимно перпендикулярны, расположенной в центре внутреннего элемента инерционной массы в виде параллелепипеда, центр масс которой смещен относительно геометрического центра внутреннего элемента, являющегося точкой пересечения трех ортогональных координатных осей гироскопа, электроды датчиков угла и момента, напыленные на внутренний и внешний элементы, платы электродов, генератор гармонического напряжения, введены плата микросборки с размещенными на ней предварительным усилителем, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями, дополнительным генератором гармонического напряжения, регулятором напряжения и разделительным фильтром, узел чувствительного элемента размещен над платой электродов и жестко соединен с ней с помощью упоров, а плата электродов закреплена на плате микросборки, на которой также размещен генератор гармонического напряжения.

Ширина и длина инерционной массы равны между собой и существенно меньше ее высоты. Ответные электроды датчика угла и датчика момента напылены на поверхность платы микросборки. Электроды, расположенные на узле чувствительного элемента, электрически соединены между собой.

На узле чувствительного элемента размещен датчик температуры. Частота генератора гармонического напряжения больше частоты дополнительного генератора гармонического напряжения.

Собственная частота внутреннего элемента кратна собственной частоте внешнего элемента.

На фиг.1 показан предлагаемый гироскоп; на фиг.2 схема построения сборки узла чувствительного элемента на плате микросборки микромеханического гироскопа-акселерометра; на фиг.3 узел чувствительного элемента, вид сверху; на фиг. 4 узел чувствительного элемента микромеханического вибрационного гироскопа-акселерометра, вид снизу; на фиг.5 структурная схема построения микромеханического гироскопа-акселерометра.

Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр состоит из платы микросборки 1, на которой размещены элементы электроники и сборки узла чувствительного элемента 2 микромеханического вибрационного гироскопа-акселерометра, состоящей из плат электродов 3, 4 узла чувствительного элемента 5 и упоров 31, 33. Узел чувствительного элемента 5 установлен с помощью упоров 31, 33 между платами электродов 3, 4, узел чувствительного элемента 2 закреплен на плате микросборки 1. Узел чувствительного элемента 5 состоит из внутреннего плоского элемента 14 с инерционной массой 32, выполненной из материала с высокой удельной плотностью, в виде параллелепипеда с высотой существенно больше его ширины и внешнего элемента 15. С помощью травления или какого-то другого метода в узле чувствительного элемента 5 выполнены пазы 6, 7, 8 и 9 таким образом, что образуются торсионы 10, 11, 12 и 13, и закреплен датчик температуры 35. При этом торсионы 12 и 13 соединяют внутренний элемент 14 с внешним элементом 15, а торсионы 10 и 11 внешний элемент 15 с периферией узла чувствительного элемента 5. На внутреннем элементе 14 с нижней стороны напылены электроды 16, 17 и на плате электродов 3 напылены электроды 18 и 19 емкостного датчика угла. На внешнем элементе 15 с верхней стороны напылены электроды 20, 21 а на нижней стороне платы электродов 4 напылены электроды 22, 23 электростатического датчика момента. Электроды емкостного датчика угла посредством напыленных токопроводящих дорожек соединены с предварительным усилителем 24. В свою очередь, предварительный усилитель 24 соединен с основным фазочувствительным выпрямителем 25, который соединен с фильтром 34 и через разделительный фильтр 30 соединен с дополнительным фазочувствительным выпрямителем 28. Электроды 20, 21, 22, 23 электростатического датчика момента соединены с регулятором напряжения 29. Для обеспечения работы всех подсистем используются генераторы частоты 26 и 27. При этом генератор 26 соединен с предварительным усилителем 24 и с основным фазочувствительным выпрямителем 25, а дополнительный генератор 27 соединен с регулятором напряжения 29 и дополнительным фазочувствительным выпрямителем 28.

Микромеханический вибрационный гироскоп работает следующим образом. С дополнительного генератора напряжения 27 гармоническое напряжение через регулятор напряжения 29 поступает на электроды 20, 21, 22, 23 и дополнительный фазочувствительный выпрямитель 28 и с основного генератора 26 гармоническое напряжение поступает на предварительный усилитель 24 и основной фазочувствительный выпрямитель 25. Образующийся момент электростатических сил задает внешнему элементу 15 узла 5 колебания с амплитудой, пропорциональной напряжению дополнительного генератора 27. При действии по оси, перпендикулярной плоскости узла 5, угловой скорости Ω инерционная масса 32 совместно с внутренним элементом 14 начнет совершать колебания вокруг оси, образуемой торсионами 12, 13, амплитуда которых будет пропорциональна измеряемой угловой скорости Ω. Если одновременно с угловой скоростью будет действовать ускорение вдоль оси торсионов 10, 11 внешнего элемента 15, то появится постоянное угловое смещение , пропорциональное величине действующего ускорения относительно оси, образуемой торсионами 12, 13. При этом выходной сигнал (U₁) с емкостного датчика, состоящего из электродов 16, 17, 18, 19, предварительного усилителя и основного фазочувствительного выпрямителя 25, будет иметь вид , где К₁ K₂ коэффициенты пeредачи.

Этот сигнал поступает на фильтр 34 и разделительный фильтр 30, где на первом фильтре отфильтровывается переменная составляющая, а на разделительном фильтре 30 отфильтровывается постоянная составляющая, и поступает на дополнительный фазочувствительный выпрямитель 28. На их выходе сигналы будут иметь вид .

Таким образом, выходные сигналы будут пропорциональны действующему ускорению и угловой скорости вращения.

Амплитуда колебаний внутреннего элемента при определенных допущенных в зависимости от измеряемой угловой скорости будет определяться выражением , где К_o коэффициент передачи по углу канала гироскопа; W₁ передаточная функция по углу канала гироскопа; Θ₂ амплитуда колебаний внешнего элемента; Ω измеряемая угловая скорость.

При сосредоточении основной массы в инерционном элементе выражение для К_o будет иметь вид ,
где С, b высота и ширина инерционной массы соответственно.

Отсюда видно, что для обеспечения максимальной величины K_o=2 необходимо обеспечить С>b. Для устранения помехи, обусловленной неперпендикулярностью осей подвеса OX₁ внутреннего и OY₂ внешнего элементов должно выполняться условие равенства ширины b и длины a инерционной массы.

Формула изобретения

1. Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр, содержащий узел чувствительного элемента в виде размещенных в горизонтальной плоскости внешнего и внутреннего плоских элементов, соединенных между собой и с основанием посредством торсионов, при этом торсионы, связывающие внутренний элемент с внешним, а внешний с основанием, взаимно перпендикулярны, расположенной в центре внутреннего элемента инерционной массы в виде параллелепипеда, центр масс которой смещен относительно геометрического центра внутреннего элемента, являющегося точкой пересечения трех ортогональных координатных осей гироскопа, электроды датчиков угла и момента, напыленные на внутренний и внешний элементы, платы электродов, генератор гармонического напряжения, отличающийся тем, что в него введены плата микросборки с размещенными на ней предварительным усилителем, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями, дополнительным генератором гармонического напряжения, регулятором напряжения и разделительным фильтром, узел чувствительного элемента размещен над платой электродов и жестко соединен с ней с помощью упоров, а плата электродов закреплена на плате микросборки, на которой также размещен генератор гармонического напряжения, при этом электроды датчика угла соединены с первым входом предварительного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого фазочувствительного выпрямителя, второй вход первого фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом генератора гармонического напряжения, а выход с входом фильтра и через разделительный фильтр с первым входом второго фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого подключен к одному из выходов дополнительного генератора гармонического напряжения, другой выход которого через регулятор напряжения подключен к электродам датчика момента, а второй вход предварительного усилителя соединен с выходом генератора гармонического напряжения.

2. Гироскоп-акселерометр по п. 1 отличающийся тем, что ширина и длина инерционной массы равны между собой и существенно меньше ее высоты.

3. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что ответные электроды датчика угла и датчика момента напылены на поверхность платы микросборки.

4. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что электроды, расположенные на узле чувствительного элемента, электрически соединены между собой.

5. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что на узле чувствительного элемента размещен датчик температуры.

6. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что частота генератора гармонического напряжения больше частоты дополнительного генератора гармонического напряжения.

7. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что собственная частота внутреннего элемента кратна собственной частоте внешнего элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5