Вибрационный гироскоп

 

Использование: измерительная техника, измерительные преобразователи угловой скорости. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерения угловой скорости в вибрационном гироскопе, содержащем корпус, основание, пластину с внутренней и внешней рамками, соединенными друг с другом и с основанием упругими перемычками, оси вращения которых образуют две взаимно перпендикулярные оси вращения, емкостный датчик положения, электростатические силовые преобразователи системы возбуждения колебаний, первая пластина имеет внутреннюю подвижную и наружную неподвижную рамки, введены вторая и третья пластины с внутренней и внешней рамками, внутренние рамки первой или второй и третьей пластин выполнены утолщенными, пластины соединены плоскостями своих внутренних рамок, каждая из пластин выполнена единым элементом из монокристаллического кремния, электроды датчиков положения и силовых преобразователей выполнены на пластинах. 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к измерительным преобразователям угловой скорости.

Известен вибрационный гироскоп, содержащий корпус, пластину, выполненную в виде внешней и внутренней рамок, соединенных упругими перемычками, образующими первую ось вращения генератор возбуждения колебаний рамок, электростатический силовой преобразователь колебаний с электродами, расположенными на рамках и корпусе и соединенными с генератором возбуждения колебаний, емкостные датчики положения с электродами, расположенными на рамках и корпусе, упругие перемычки [1] Недостатком этого вибрационного гироскопа является ограничение по точности вследствие лимитации гироскопического момента из-за того, что внутренняя рамка как чувствительный элемент гироскопа имеет малый момент инерции, так как она расположена в центральной части пластины.

Целью изобретения является повышение точности измерения угловой скорости.

Цель достигается в известном вибрационном гироскопе тем, что в него введены вторая и третья пластины, выполненные в виде внутренней и внешней рамок, соединенных упругими перемычками, и дополнительные электроды емкостных датчиков положения и электростатического силового преобразователя колебаний, расположенные на рамках второй и третьей пластин и на корпусе, при этом внешняя рамка первой пластины жестко закреплена в корпусе, вторая и третья пластины расположены параллельно и симметрично относительно первой пластины и соединены плоскостями своих внутренних рамок с плоскостями внутренней рамки первой пластины соответственно, внешние рамки второй и третьей пластин расположены относительно внешней рамки первой пластины на расстоянии, не меньшем максимального суммарного хода внешних рамок при их угловых перемещениях, оси вращения внешних рамок относительно внутренних рамок второй и третьей пластин, образованные упругими перемычками, параллельны друг другу и перпендикулярны оси вращения внутренней рамки первой пластины.

В развитие вибрационного гироскопа: электроды датчика положения на внешних рамках второй и третьей пластин соединены, также соединены попарно электроды датчика положения на внешней рамке первой пластины, расположенные на разных сторонах первой пластины по разные стороны от осей вращения внешних рамок второй и третьей пластин; дополнительно к электродам датчика положения, расположенным на внешней рамке первой пластины, подсоединены электроды датчика положения на корпусе, расположенные по одну сторону относительно первой пластины и по одну сторону относительно осей вращения внешних рамок второй и третьей пластин, что и электроды датчика положения на внешней рамке первой пластины; толщина внутренней рамки первой пластины выполнена большей, чем толщина внешней рамки; толщина внутренней рамки второй пластины выполнена большей, чем толщина внешней рамки; толщина внутренней рамки третьей пластины выполнена большей, чем толщина внешней рамки; каждая пластина вместе с внешней и внутренней рамками и соединяющими их упругими перемычками выполнена единым элементом из монокристаллического кремния; плоскости внутренних рамок второй и третьей пластин соединены с плоскостями внутренней рамки первой пластины посредством диффузионной сварки.

При выполнении первой пластины в виде внешней рамки с внутренней рамкой и соединяющими их упругими перемычками, введении второй и третьих пластин с внешней и внутренней рамкой в каждой из них, соединении внешней и внутренних рамок каждой пластины между собой с помощью упругих перемычек, образовании первой оси вращения и двух осей вращения внешних рамок, перпендикулярных первой, расположении плоскостей внешних рамок второй и третьей пластин на определенном расстоянии от плоскостей внешней рамки первой пластины симметрично относительно первой оси вращения по разные стороны от внешней рамки первой пластины, соединении плоскостей внутренних рамок второй и третьей пластин с плоскостями внутренней рамки первой пластины достигается выполнение вибрационного гироскопа, в котором соединенные вместе внутренняя рамка первой пластины и внутренние рамки второй и третьей пластин имеют одну степень свободы относительно первой оси вращения, внешние рамки второй и третьей пластин имеют две степени свободы: одну вместе с внутренними рамками относительно первой оси вращения и вторую относительно осей вращения внешних рамок. Так как внешние рамки второй и третьей пластин находятся на большем расстоянии от центра внутренних рамок, то их момент инерции больше, чем момент инерции внутренней рамки относительно первой оси вращения. Увеличение момента инерции внешних рамок второй и третьей пластин вызывает увеличение гироскопического момента, что повышает точность измерения угловой скорости.

При выполнении каждой пластины вместе с рамками и упругими перемычками единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления, соединении второй и третьей пластин плоскостями своих внутренних рамок с плоскостями внутренней рамки первой пластины методом диффузионной сварки достигается однородность конструкции вибрационного гироскопа, что приводит к уменьшению температурных деформаций и повышению точности измерения угловой скорости вследствие уменьшения температурной погрешности.

Путем выполнения электродов датчика положения на внешней рамке первой пластины и на внешних рамках второй и третьей пластин достигается развязка элементов датчика положения от корпуса, что исключает воздействие на сигнал датчика положения деформаций корпуса и повышает точность измерения угловой скорости.

При выполнении дополнительных электродов датчика положения на корпусе и внутренних рамках второй и третьей пластин увеличивается разрешающая способность гироскопа по угловой скорости, что повышает точность измерений.

Выполнение дополнительных электродов электростатических силовых преобразователей на обращенных к корпусу сторонах внешних и внутренних рамок второй и третьей пластин и на расположенных напротив их поверхностях корпуса обеспечивает увеличение площади силовых преобразователей, что позволяет увеличить амплитуду колебаний ротора гироскопа, повысить его кинетический момент и, следовательно, повысить точность измерения угловой скорости.

На фиг. 1 показан разрез общего вида вибрационного гироскопа; на фиг. 2 фронтальная проекция гироскопа без корпуса; на фиг. 3 горизонтальная проекция гироскопа без корпуса; на фиг. 4 вид третьей пластины гироскопа; на фиг. 5, 6 виды первой пластины с двух противоположных сторон; на фиг. 7 - схема выполнения двух датчиков положения; на фиг. 8 схема датчика положения при объединении элементов двух датчиков положения; на фиг. 9 схема системы возбуждения колебаний; на фиг. 10, 11 выполнение первой и второй частей корпуса соответственно; на фиг. 12, 13 соответственно схемы датчика положения и системы возбуждения колебаний в варианте максимального количества электродов.

Вибрационный гироскоп (фиг. 1) имеет состоящий из первой части 1 и второй части 2 корпус, в котором установлена первая пластина, выполненная в виде внешней рамки 3 и внутренней рамки 4. Первая пластина закреплена в корпусе с помощью внешней рамки 3. Оси кручения упругих перемычек 5, 5', соединяющих две противоположные стороны внешней рамки 3 с двумя противоположными сторонами внутренней рамки 4 первой пластины, образуют первую ось вращения Х Х, относительно которой происходит угловое перемещение внутренней рамки 4 первой пластины, второй пластины с внешней рамкой 6 и внутренней рамкой 7, третьей пластины с внешней рамкой 8 и внутренней рамкой 9. Вторая и третья пластины расположены симметрично относительно оси Х Х, так что плоскости внешних рамок 6, 8 второй и третьей пластин параллельны плоскостям внешней рамки 3 первой пластины и расположены по разные стороны от плоскостей внешней рамки 3 первой пластины. Плоскости внешней рамки 6 второй пластины, плоскости внешней рамки 8 третьей пластины отстоят от ближайших плоскостей внешней рамки 3 первой пластины на расстоянии d, величина которого не меньше максимального суммарного хода внешних рамок 6, 8 второй и третьей пластин при их угловых перемещениях вследствие наличия угловой скорости и вынужденных колебаний от системы возбуждения колебаний.

В одном случае выполнения вибрационного гироскопа расстояние между плоскостями рамок 3, 6, 8 образовано путем выполнения толщины внутренней рамки 4 первой пластины более толщины внешней рамки 3 первой пластины.

В другом случае выполнения гироскопа расстояние d образовано путем выполнения толщины внутренней рамки 7 второй пластины и внутренней рамки 9 третьей пластины больше толщины внешней рамки 3 первой пластины или внешних рамок 6, 8 (фиг. 2).

Внешняя рамка 6 второй пластины (фиг. 3) соединена с ее внутренней рамкой 7 упругими перемычками 10, 10', проходящими от противоположных сторон внешней рамки 6 к двум сторонам внутренней рамки 7. Оси кручения упругих перемычек 10, 10' образуют одну из вторых осей вращения Y' Y', относительно которой внешняя рамка 6 имеет свободу углового движения относительно внутренней рамки 7. Упругие перемычки 11, 11' проходят от двух противоположных сторон внешней рамки 8 третьей пластины и соединяют ее с двумя противоположными сторонами внутренней рамки 9 третьей пластины (фиг. 4). Оси кручения упругих перемычек 11, 11' образуют вторую ось вращения Y" Y" внешней рамки 8 относительно внутренней рамки 9 третьей пластины. Оси Y' Y' и Y" Y" перпендикулярны оси Х Х.

Каждая пластина вместе с упругими перемычками и рамками выполнена единым элементом из монокристаллического кремния. Так, например, упругие перемычки 5, 5', внешняя рамка 3, внутренняя рамка 4 первой пластины с утолщением в соответствии с фиг. 1 или просто без утолщения в соответствии с фиг. 2 выполнены единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления. Аналогично выполнены вторая и третья пластины.

Нижняя сторона внутренней рамки 7 второй пластины соединена с верхней стороной внутренней рамки 4 первой пластины, верхняя сторона внутренней рамки 9 третьей пластины соединена с нижней стороной внутренней рамки 4 первой пластины. Соединение их произведено методом диффузионной сварки кремния.

На одной стороне внешней рамки 3 первой пластины расположены электроды 12, 12' емкостного датчика положения и электроды 13, 13' электростатических силовых преобразователей (фиг. 5).

На второй стороне внешней рамки 3 первой пластины образованы электроды 14, 14' емкостного датчика положения и электроды 15, 15' электростатических силовых преобразователей (фиг. 6). Электроды 12, 12', 14, 14' датчика положения и 13, 13', 15, 15' силовых преобразователей выполняются напылением, например, алюминия на окисленную поверхность кремния.

Так как каждая из внешних рамок 6 и 8 второй и третьей пластин имеет свою степень свободы относительно одной из вторых осей вращения Y' Y' и Y" Y", то каждая из внешних рамок 6, 8 обладает чувствительностью к угловой скорости. Поэтому в этом гироскопе возможно выполнение двух независимых датчиков положения. Первый датчик положения гироскопа построен по мостовой схеме и содержит конденсатор С1, выполненный из подвижного электрода, которым является внешняя рамка 6 второй пластины, неподвижного электрода 12 на внешней рамке 3 первой пластины, конденсатор С2, содержащий подвижный электрод в виде внешней рамки 6 и неподвижный электрод 12' на внешней рамки 3, резисторы R1, R2 (фиг. 7). В одну диагональ мостовой схемы датчика положения включен генератор 16 переменной ЭДС, сигнал датчика положения снимается со второй диагонали. Второй датчик положения гироскопа состоит из конденсатора С3 с подвижным электродом в виде внешней рамки 3 третьей пластины и неподвижным электродом 14' на внешней рамке 3 первой пластины, конденсатора С4 с тем же подвижным электродом в виде внешней рамки 8 и неподвижным электродом 14 на внешней рамке 3 и резисторов R3, R4. Питание датчика положения осуществляется от того же генератора 16.

При объединении электродов первого и второго датчиков положения гироскопа получается один датчик положения, и образуется гироскоп с двумя разнесенными колеблющимися массами. В этом случае датчик положения гироскопа состоит из конденсатора С5 с подвижным электродом в виде внешних рамок 6, 8 второй и третьей пластин и неподвижным электродом в виде соединенных вместе электродами 12 и 14' на внешней рамке 3 первой пластины, конденсатора с тем же подвижным электродом и соединенными вместе электродами 12', 14 на внешней рамке 3 первой пластины, резисторов R5 R6 (фиг. 8). Генератор 16 включен в одну из диагоналей мостовой схемы датчика положения, съем сигнала датчика положения производится со второй диагонали.

Генератор 17 системы возбуждения колебаний (фиг. 9) имеет два выхода, объединенных общим проводом. К первому выходу генератора 17 подключены электроды 13, 15 электростатических преобразователей на внешней рамке 3 первой пластины, ко второму выходу электроды 13' и 15' на внешней рамке 3 первой пластины. К общему проводу обоих выходов подключены подвижные электроды силовых преобразователей в виде внешних рамок 6 и 8 второй и третьей пластин.

В случае максимального использования площадей внешних и внутренних рамок всех пластин для повышения кинетического момента гироскопа и разрешающей способности датчика положения на поверхности второй части 2 корпуса образованы неподвижные электроды 18, 18' датчика положения и неподвижные электроды 19, 19' и 20, 20' электростатических силовых преобразователей (фиг. 10). Аналогично на поверхности второй части 1 корпуса расположены электроды 21, 21' датчика положения и электроды 22, 22', 23, 23' силовых преобразователей (фиг. 11).

В этом случае датчик положения состоит из конденсаторов С7, С8 и резисторов R 7, R 8 (фиг. 12). Конденсатор С7 содержит подвижный электрод в виде внешних рамок 6, 8 второй и третьей пластины, неподвижный электрод в виде соединенных вместе электродов 12, 14', 18, 21' на внешней рамке 3 первой пластины, второй части 2 корпуса и первой части 1 корпуса. У конденсатора С8 в качестве подвижного электрода служат те же внешние рамки 6 и 8, а в качестве неподвижного соединенные вместе электроды 12', 14, 18', 21 на внешней рамке 3 первой пластины, первой части 1 и второй части 2 корпуса.

В системе возбуждения колебаний (фиг. 13) к первому выходу генератора 17 подсоединены электроды 13, 15 на внешней рамке 3 первой пластины, 19 и 20 на второй части 2 корпуса и 22', 23' на первой части 1 корпуса. Ко второму выходу генератора 17 подключены электроды 13', 15' на внешней рамке 3 первой пластины, 19', 20' на второй части 2 корпуса и 22, 23 на первой части 1 корпуса. К общему проводу подключены внешние рамки 6, 8 и внутренние рамки 7, 9 второй и третьей пластины.

Рассмотрим работу вибрационного гироскопа на примере его выполнения в соответствии с фиг. 5-7,9. При поступлении с первого выхода генератора 17 напряжения на электроды 13, 15 внешней рамки 3 первой пластины часть внешней рамки 6 второй пластины, противолежащая электроду 13 на внешней рамке 3 второй пластины, и часть внешней рамки 8 третьей пластины, противолежащая электроду 15 на внешней рамке 3 второй пластины, притягиваются соответственно к электродам 13 и 15, так как внешние рамки 6, 8 второй и третьей пластин являются подвижными электродами электростатических силовых преобразователей системы возбуждения колебаний. Вследствие этого происходит угловое перемещение относительно первой оси вращения Х Х второй и третьей пластин вместе с внутренней рамкой 4 первой пластины. После снятия напряжения с первого выхода подается напряжение со второго выхода генератора 17 на электроды 13' и 15' внешней рамки 3 первой пластины. При этом внешняя рамка 6 притягивается к электроду 13' внешней рамки 3 первой пластины, а внешняя рамка 8 третьей пластины к электроду 15' внешней рамки 3, и происходит угловое перемещение второй и третьей пластин вместе с внутренней рамкой 4 первой пластины в противоположную сторону по сравнению с предыдущим. Таким образом осуществляется колебательное угловое движение второй и третьей пластин гироскопа относительно оси Х Х и создается переменный кинетический момент гироскопа, вектор которого направлен по оси Х Х. При вращении вибрационного гироскопа относительно входной оси, перпендикулярной образованной осями X X, Y' Y', и Y" Y" плоскости, по оси Y' Y' создается гироскопический момент внешней рамки 6 второй пластины, а по оси Y" Y" гироскопический момент рамки 8 третьей пластины. Под действием гироскопических моментов создаются угловое перемещение внешней рамки 6 второй пластины относительно ее внутренней рамки 7 вокруг оси Y' Y' и угловое перемещение внешней рамки 8 относительно внутренней рамки 9 и третьей пластины вокруг оси Y" Y". Угловые перемещения внешних рамок 6 и 8 второй и третьей пластин пропорциональны угловой скорости вращения вибрационного гироскопа относительно его входной оси.

Пусть, например, векторы кинетического момента и угловой скорости направлены так, что при угловом перемещении внешних рамок 6, 8 второй и третьей пластин под действием гироскопических моментов осуществляется сближение внешней рамки 6 второй пластины с электродом 12 на внешней рамке 3 первой пластины и внешней рамки 8 третьей пластины с электродом 14' на внешней рамке 3 первой пластины. Тогда емкости конденсаторов С1, С3 увеличиваются, емкости конденсаторов С2, С4 уменьшаются, происходит разбалансировка мостовых схем датчиков положения гироскопа. В результате с выхода первого датчика положения гироскопа поступает сигнал, обусловленный величиной угловой скорости. С выхода второго датчика положения гироскопа поступает сигнал, обусловленный той же величиной угловой скорости. При изменении направления угловой скорости вращения на противоположную изменяются на 180^o фазы выходных сигналов датчиков положения гироскопа. Таким образом, осуществляется измерение с помощью двух датчиков положения величины и направления угловой скорости, что обеспечивает резервирование сигналов.

При объединении электродов 12 и 14', а также 12' и 14 в соответствии с фиг. 8 производится объединение двух датчиков положения в один. При этом увеличиваются емкости конденсаторов С5, С6 и их абсолютные изменения, что повышает величину выходного сигнала датчика положения вследствие увеличения рабочих емкостей относительно паразитных емкостей. При выполнении дополнительных электродов датчика положения и силовых преобразователей в соответствии с фиг. 10-13 принцип работы вибрационного гироскопа не изменяется. В этом случае в дополнение к электродам 12, 12', 14, 14' в образовании выходного сигнала датчика положения принимают участие электроды 18, 18', 21, 21' на второй части 1 и второй част и 2 корпуса. Аналогично в создании кинетического момента вибрационного гироскопа принимают участие электроды 19, 19', 20, 20', 22, 22', 23, 23' силовых преобразователей. При этом возможны различные комбинации образования и использования электродов датчика положения и силовых преобразователей системы возбуждения колебаний.

Формула изобретения

1. Вибрационный гироскоп, содержащий корпус, пластину, выполненную в виде внешней и внутренней рамок, соединенных упругими перемычками, образующими первую ось вращения, генератор возбуждения колебаний рамок, электростатический силовой преобразователь колебаний с электродами, расположенными на рамках и корпусе и соединенными с генератором возбуждения колебаний, емкостные датчики положения с электродами, расположенными на рамках и корпусе, упругие перемычки, отличающийся тем, что в него введены вторая и третья пластины, выполненные в виде внутренней и внешней рамок, соединенных упругими перемычками, и дополнительные электроды емкостных датчиков положения и электростатического силового преобразователя колебаний, расположенные на рамках второй и третьей пластины и на корпусе, при этом внешняя рамка первой пластины жестко закреплена в корпусе, вторая и третья пластины расположены параллельно и симметрично относительно первой пластины и соединены плоскостями своих внутренних рамок с плоскостями внутренней рамки первой пластины соответственно, внешние рамки второй и третьей пластин расположены относительно внешней рамки первой пластины на расстоянии, не меньшем максимального суммарного хода внешних рамок при их угловых перемещениях, оси вращения внешних рамок относительно внутренних рамок второй и третьей пластин, образованные упругими перемычками, параллельны друг другу и перпендикулярны оси вращения внутренней рамки первой пластины.

2. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что электроды датчика положения на внешних рамках второй и третьей пластин соединены, также соединены попарно электроды датчика положения на внешней рамке первой пластины, расположенные на разных сторонах первой пластины по разные стороны от осей вращения внешних рамок второй и третьей пластин.

3. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что дополнительно к электродам датчика положения, расположенным на внешней рамке первой пластины, подсоединены электроды датчика положения на корпусе, расположенные по одну сторону относительно первой пластины и по другую сторону относительно осей вращения рамок второй и третьей пластин, что и электроды датчика положения на внешней рамке первой пластины.

4. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что толщина внутренней рамки первой пластины выполнена большей, чем толщина внешней рамки.

5. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что толщина внутренней рамки второй пластины выполнена большей, чем толщина внешней рамки.

6. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что толщина внутренней рамки третьей пластины выполнена большей, чем толщина внешней рамки.

7. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что каждая пластина вместе с внешней и внутренней рамками и соединяющими их упругими перемычками выполнена единым элементом из монокристаллического кремния.

8. Гироскоп по пп.1 и 7, отличающийся тем, что плоскости внутренних рамок второй и третьей пластин соединены с плоскостями внутренней рамки первой пластины посредством диффузионной сварки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13