Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот и другие, где требуется информация об угловых скоростях и кажущихся ускорениях. Гироскоп-акселерометр содержит динамически симметричный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входят торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента. Торцовый статор состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки. Нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса выполнены в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных на нижней и верхней электроизолирующих втулках. Каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку. Нижний и верхний планарные статоры вращающего момента соединены в три секции. Секции соединены с тремя фазами источника переменного тока. В схему обработки информации введены десять эталонных резисторов, десять фазочувствительных выпрямителей, три сумматора, пять устройств вычитания, пять масштабирующих элементов. Каждая измерительная цепочка содержит эталонный резистор, источник высокочастотного напряжения, дроссель и пару соседних плоских электродов, а также фазочувствительный выпрямитель. Обеспечивается измерение трех компонентов кажущегося ускорения и двух компонентов абсолютной скорости, что приводит к расширению функциональных возможностей. 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот и других, где требуется информация об угловых скоростях и кажущихся ускорениях. Особенность прибора состоит в том, что он является микромеханическим роторного типа.

Известен микромеханический гироскоп (ММГ), разработанный в лаборатории им. Дрейпера Массачусетского технологического института США [1]. Он является гироскопом камертонного типа и представляет собой две вибрирующие массы, подвешенные на двух гибких опорах. Это камертон с верхней и нижней ножками (торсионами). Закрепленные массы вибрируют под действием электростатических датчиков силы гребенчатой структуры во взаимно-встречных направлениях, т.е. совершают плоские противофазные колебания. При наличии измеряемой угловой скорости ω_ζ вокруг оси торсионов рамка с чувствительными массами под действием сил Кориолиса начинает совершать угловые колебания относительно корпуса, а также вокруг оси торсионов. Эти колебания измеряются с помощью емкостных датчиков перемещений, расположенных под чувствительными массами. Амплитуда измеренных колебаний пропорциональна величине измеряемой угловой скорости, а фаза определяет знак этой скорости.

Известна также конструкция микромеханического гироскопа с чувствительным элементом в виде кольца, закрепленного с помощью растяжек на центральной стойке, связанной с корпусом через упругие элементы. С помощью электростатических датчиков силы кольцо приводится в колебательное движение вокруг оси растяжек. Для съема информации используется емкостный преобразователь. Принцип действия такой же, как у предыдущего гироскопа [2].

Недостатком обоих микромеханических гироскопов является недостаточно высокая точность из-за малой величины кинетического момента, что объясняется тем, что чувствительные элементы совершают не вращательное, а колебательные движения. В силу этого, как указано в статье [3], амплитудное значение кинетического момента составляет величины 10³-10^-4 гс.см.с. Поэтому повышение точности этого класса гироскопов достигается за счет снижения возмущающих воздействий, а осуществление этой меры требует больших конструктивных и технологических затрат.

Известен "Левитирующий микромотор" (гироскоп-акселерометр) по патенту США N 5.187.399, авторов Carr и др. от 16.02.1993 г., в котором указано применение этого микромотора в качестве акселерометра.

Это изобретение принято за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения.

Левитирующий микромотор в виде гироскопа-акселерометра состоит из статически и динамически сбалансированного ротора в виде круглой пластины с отверстиями, имеющего электропроводящие части, окруженные статорами, в состав которых входят торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента. Торцовый статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и встроенных в боковые стенки нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе. Нижний и верхний одинаковые статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных в нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя из них укреплена в крышке левитирующего гироскопа-акселерометра, а каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку. Верхний и нижний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках и состоящие из плоских электродов, причем электроды соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока. В состав устройства входит схема обработки информации, а в ее состав входят измерительные цепочки.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства с целью обеспечения измерения не только трех компонентов кажущегося ускорения, но и двух компонентов абсолютной угловой скорости поворотов объекта.

Поставленная задача решается за счет того, что в гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора, содержащий статически и динамически сбалансированный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входит торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента, при этом торцовый статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе, нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных в нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя укреплена в крышке гироскопа-акселерометра, а каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку, кроме того, нижний и верхний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках, состоящих из плоских электродов, соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока, в состав устройства входит схема обработки информации, содержащая измерительные цепочки, в которую дополнительно введены десять эталонных резисторов, десять фазочувствительных выпрямителей, три сумматора, пять устройств вычитания, пять масштабирующих элементов, так что каждая измерительная цепочка дополнена эталонным резистором путем последовательного его включения с источником высокочастотного напряжения, дросселем и парой соседних плоских электродов, а также фазочувствительным выпрямителем, первый и второй входы которого параллельно соединены с источником высокочастотного напряжения и эталонным резистором соответственно, а его выход является выходом измерительной цепочки, при этом выходы измерительных цепочек с положительными и отрицательными координатами торцовых электродов подвеса первой измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно первого устройства вычитания, выход которого соединен с входом первого масштабирующего элемента, выход его является выходом по компоненту W_ζ кажущегося ускорения, выходы измерительных цепочек торцовых электродов подвеса с положительными и отрицательными координатами соответственно по второй измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно второго устройства вычитания, выход его соединен со входом второго масштабирующего устройства, выход которого является выходом по компоненту W_η кажущегося ускорения, выходы двух измерительных цепочек верхних плоских электродов статоров подвеса с положительными и отрицательными координатами по первой измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно третьего устройства вычитания, его выход соединен с входом третьего масштабирующего элемента, выход которого является выходом по компоненту ω_ζ угловой скорости, в свою очередь выходы измерительных цепочек с положительными и отрицательными координатами верхних плоских электродов статоров подвеса по второй измерительной оси соединены с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом четвертого устройства вычитания, а со вторым входом четвертого устройства вычитания соединен выход второго сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходом измерительной цепочки с положительными плоскими электродами нижнего статора подвеса по второй измерительной оси, второй вход второго сумматора соединен с выходом измерительной цепочки с отрицательными координатами нижних электродов нижнего статора подвеса по второй измерительной оси, выход четвертого устройства вычитания соединен со входом четвертого масштабирующего элемента, который является выходом по компоненту W_ζ кажущегося ускорения, а первый и второй входы второго сумматора соединены с первым и вторым входами пятого устройства вычитания, выход которого соединен с входом пятого масштабирующего элемента, выход его является выходом по компоненту ω_η абсолютной угловой скорости.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема гироскопа-акселерометра с электростатическим подвесом ротора.

На фиг. 2 изображена часть электрической схемы соединения элементов устройства.

На фиг. 3 представлена функциональная электрическая схема выделения сигналов кажущегося ускорения по компонентам W_ζ,W_η. На фиг. 4 представлена функциональная электрическая схема выделения сигналов кажущегося ускорения W_ζ и абсолютных угловых скоростей ω_ζ,ω_η. На фиг. 5 представлена схема выделения сигнала кажущегося ускорения по двум компонентам, перпендикулярным оси симметрии ротора.

На фиг. 6 представлена схема выделения сигналов по третьему компоненту кажущегося ускорения и по двум компонентам абсолютной угловой скорости, перпендикулярным оси симметрии ротора.

Изображенный на фиг. 1 гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора содержит динамически симметричный ротор 1, содержащий части электропроводящего материала или полностью выполненный из электропроводящего материала, например полисиликона. Ротор является плоским, выполненным в виде статически и динамически сбалансированной круглой пластины с отверстиями, его диаметр может лежать в пределах от нескольких десятков микрометров до единиц миллиметров при толщине от единиц до десятков микрометров. В экваториальной плоскости ротора расположен статор подвеса 2, состоящий из плоских торцовых электродов 3. Статор 2 составлен из одинаковых плоских электродов 3, расположенных по окружности, предназначенных для создания электростатических сил для удержания ротора 1 вдоль осей 0ζ и 0η, связанных с корпусом 4 устройства. Крышка 5 вместе с корпусом 4 обеспечивают герметичность внутренней полости устройства. Поверхности 6 вместе с юстировочной канавкой 7 обеспечивают совмещение измерительных осей 0ζ,0η,0ζ устройства с соответствующими строительными осями подвижного объекта, на котором устройство устанавливается. Корпус 4 и крышку 5 изготавливают, например, из пирекса или из другого электроизолирующего материала. Плоские электроды 3 статора 2 закреплены в боковых стенках нижней изолирующей втулки 8. В описании изобретения электрические выводы, а также соединительные провода и клеммы, элементы крепления не показаны. В крышке 5 имеется верхняя электрически изолирующая втулка 9, имеющая одинаковый внутренний диаметр с диаметром нижней втулки 8. С внутренними плоскими частями нижней и верхней втулок 8, 9 соединены нижний и верхний 10 и 10' соответственно статоры подвеса, а также нижний и верхний 11 и 11' соответственно статоры вращающего момента. Статоры имеют одинаковую планарную конструкцию, состоят из электродов 12 нижнего статора подвеса 10 и таких же электродов 12' верхнего статора 10' (на виде в плане (сечение ВВ) не показаны), а также из электродов 13 (13a, 13b, 13c,...) нижнего статора 11 вращающего момента. Такие же электроды, являющиеся зеркальным отображением нижних относительно плоскости 0ζη, входят в состав верхнего статора 11' вращающего момента. Статоры планарной конструкции 10, 10', 11, 11' могут быть выполнены фотолитографическим способом на электроизолирующих нижней и верхней втулках 8 и 9 соответственно. Таким же способом могут быть изготовлены электроды 3 статора 2. На роторе 1 выполнены отверстия 14, необходимые для обеспечения условий создания вращающего момента.

На фиг. 2 изображена часть схемы включения гироскопа-акселерометра с электростатическим подвесом ротора. При этом 15 - источник трехфазного напряжения, где с первой фазой V_ф1 соединен электрод 13a, а также все электроды через два на третий нижнего и верхнего соответственно статоров 11 и 11' вращающего момента, со второй фазой V_ф2 соединен электрод 13b и все другие электроды 13b через два на третий от него, с фазой V_ф3 соединен электрод 13c и все другие электроды 13c через два на третий. Пара плоских соседних электродов 12 как нижнего, так и верхнего 10 и 10' соответственно статоров подвеса соединены через дроссель 16 и эталонный резистор 17 с источником высокочастотного напряжения 18 (~ V₂). При этом в замкнутую цепь входит и резистор 19, являющийся эквивалентом активного сопротивления дросселя 16, источника высокочастотного напряжения 18 и конденсаторов, образованных промежутками ротор 1 - электроды 12. Аналогичные соединения выполнены для пластин 12' верхнего статора подвеса. Аналогичное соединение для соседних пластинчатых торцовых электродов 3 статора 2 изображено на фиг. 2. Они соединены через дроссель 20 и эталонный резистор 21 с источником высокочастотного напряжения 22, резистор 23 является эквивалентом активного сопротивления резонансной цепи. Напряжения U; U_T являются выходными: зажимы резисторов 17 и 21 соединены с соответствующими входами устройства обработки информации 24. Последовательно соединенные конденсаторы, индуктивность и активные сопротивления образуют резонансную цепь, имеющую естественную резонансную частоту, которая выполняется во всех резонансных цепях меньше частоты источников высокочастотного напряжения, могущих иметь различные частоты питающих напряжений.

В состав электрической схемы устройства обработки информации 24 входят также функциональные электрические схемы фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 пара электродов 3ζ+ и 3ʹζ+ включена в последовательную цепь, содержащую дроссель 20, эталонный резистор 21, источник высокочастотного напряжения 22, при этом зажимы источника высокочастотного напряжения 22 и зажимы эталонного резистора 21 сопротивлением R_ζ+ соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 25. В аналогичную цепь последовательно включенных элементов входит пара электродов 3ζ- и 3ʹζ- и аналогично зажимы эталонного резистора 21, источника высокочастотного напряжения 22 и соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 26. Выходы фазочувствительных выпрямителей 25 и 26 соединены с первым и вторым выходами первого устройства вычитания 29, выход которого соединен с входом первого масштабирующего элемента 30, выход его предназначен для выдачи сигнала Электроды 3ζ+ и 3ʹζ+ будем называть электродами с положительными координатами по первой измерительной оси (т.е. оси 0ζ), а электроды 3ζ- и 3ʹζ- электродами с отрицательными координатами по первой измерительной оси.

Перечисленный выше состав из элементов: двух последовательно соединенных электродов, дросселя, источника высокочастотного напряжения, эталонного резистора и фазочувствительного выпрямителя будем называть измерительной цепочкой.

Аналогично электроды 3η+ и 3ʹη+ положительными координатами по второй измерительной оси (т. е. оси 0η) соединены в свою измерительную цепочку, электроды 3η- и 3ʹη- с отрицательными координатами расположения по второй измерительной оси соединены в свою измерительную цепочку. На фиг. 3 выделяется четыре, а на фиг. 4 - шесть измерительных цепочек. Выход фазочувствительного выпрямителя 27 соединен с первым входом, а выход фазочувствительного выпрямителя 28 соединен со вторым входом второго устройства вычитания 31, а его выход соединен со входом второго масштабирующего элемента 32. Выход его предназначен для выдачи информации по компоненту ускорения W_η. На фиг. 4 пара электродов 12ʹζ+ и 12ʹζ+ верхнего статора подвеса 10' входит в цепь последовательно соединенных дросселя 16, эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18. Зажимы эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18 соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 33. Аналогично пара электродов 12ʹζ- и 12ʹζʹ- входит в цепь последовательно соединенных дросселя 16, эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18. Зажимы эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18 соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 34.

Измерительную цепочку, включающую электроды 12ζ+ и 12ʹζ+, будем называть измерительной цепочкой с положительными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси. Ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 33.

Измерительную цепочку, включающую электроды 12ʹζ- и 12ʹζʹ- будем называть измерительной цепочкой с отрицательными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси. Ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 34.

Измерительную цепочку, включающую электроды 12η+ и 12ηʹ+(12ʹη+ и 12ʹηʹ+), будем называть измерительной цепочкой с положительными координатами нижних (верхних) электродов подвеса по второй измерительной оси, ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 35(36).

Измерительную цепочку, включающую электроды 12η- и 12ηʹ-(12ʹη- и 12ʹηʹ-), будем называть измерительной цепочкой с отрицательными нижними (верхними) электродами подвеса по второй измерительной оси, ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 37 (38).

Выход измерительной цепочки 33 с положительными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси 0ζ соединен с первым входом третьего устройства вычитания 39. Выход измерительной цепочки 34 с отрицательными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси 0ζ соединен со вторым входом устройства вычитания 39, выход которого соединен с входом масштабирующего элемента 40. Выход этого элемента является выходом гироскопа-акселерометра по компоненту ω_ζ угловой скорости объекта.

Выход измерительной цепочки 36 с положительными координатами верхних электродов подвеса по второй измерительной оси 0η соединен с первым входом сумматора 41, а его второй вход соединен с выходом измерительной цепочки 37 с отрицательными координатами верхних электродов подвеса по второй измерительной оси. Выход сумматора 41 соединен с первым входом четвертого устройства вычитания 42, со вторым его входом соединен выход сумматора 43, причем первый вход сумматора 43 соединен с выходом 35 измерительной цепочки с положительными координатами нижних электродов второй измерительной оси, а второй вход сумматора 43 соединен с выходом 37 измерительной цепочки с отрицательными координатами нижних электродов второй измерительной оси. Выход устройства вычитания 42 соединен с входом масштабирующего элемента 44, который является выходом гироскопа-акселерометра по компоненту W_ζ кажущегося ускорения.

Первый и второй входы сумматора 43 соединены с первым и вторым входами соответственно пятого устройства вычитания 45, выход которого соединен с входом масштабирующего элемента 46, а его выход является выходом гироскопа-акселерометра по компоненту ω_η угловой скорости.

Работает гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора следующим образом. При включении питающих источников высокочастотных напряжений статоры левитации 2, 10 и 10' устанавливают ротор 1 в исходное положение, т. е. ротор 1 начинает левитировать относительно статоров под действием устанавливающих электростатических сил. После этого устройство обработки информации 24 подключает питающее трехфазное напряжение к верхнему 11' и нижнему 11 статорам вращающего момента. Под действием тангенциальных электростатических сил ротор 1 разгоняется и приобретает угловую скорость Ω и кинетический момент H, равный H = J Ω, где J - полярный момент инерции ротора 1.

Принцип выделения сигналов по ускорениям W_ζ,W_η поясняется фиг. 5, на которой приняты следующие обозначения: 0ζηζ - правая ортогональная система координат, связанная с корпусом 4 устройства; W_ζ,W_η,W_ζ - компоненты вектора кажущегося ускорения точки 0, направленные по соответствующим осям системы координат 0ζηζ. При движении объекта с ускорением W_ζ,W_η возникают инерционные силы, которые в установившемся режиме уравновешиваются результирующими силами F_ζ,F_η электростатического подвеса. В итоге имеем: mW_ζ= F_ζ; mW_η= F_η, (1) где m - масса ротора.

С одной стороны, силы F_ζ,F_η пропорциональны токам I_ζ,I_η, протекающим через электроды подвеса в каждой соответствующей паре. С другой стороны, эти токи пропорциональны при линейности характеристики подвеса, имеющей место для малых перемещений, перемещениям ζ и η: F_ζ= K_ζζ; F_η= K_ηη, (2) где K_ζ,K_η - коэффициенты жесткости подвеса по соответствующим осям.

Из (1) и (2) имеем:
Формулы (3) образуют алгоритм пересчета сигналов о соответствующих перемещениях ζ и η ротора 1 относительно исходного положения в сигналы ускорений.

Сигналы о перемещениях по координате ζ формируются по напряжению U_ζ+ выхода 25 измерительной цепочки, включающей электроды 3ζ+ и 3ʹζ+ торцового статора левитации 2, а также по напряжению U_ζ- с выхода 28 аналогичной измерительной цепочки. На выходе устройства вычитания 29 имеет место напряжение U_ζ, равное:
U_ζ= U_ζ--U_ζ+. (4)
После первого масштабирующего элемента 30 получают оценку компонента W_ζ кажущегося ускорения ,
где κ_ζ - коэффициент передачи измерительной цепочки по оси 0ζ ротора.

По аналогии с выхода второго устройства вычитания 31 имеет место напряжение U_η, равное: U_η= U_η--U_η+,
которое на выходе второго масштабирующего элемента 32 преобразуется в оценку компонента W_η кажущегося ускорения:
где κ_η - коэффициент передачи измерительной цепочки по оси 0η ротора.

Принцип выделения сигналов по ускорению W_ζ угловым скоростям ω_ζ,ω_η поясняется фиг. 6.

Ускорение объекта вдоль оси 0ζ приводит к проявлению инерционной силы, которая уравновешивается электростатическими силами, так что имеем

где K_ζ - коэффициент жесткости электростатического подвеса ротора 1 вдоль оси 0ζ. Если объект, а следовательно, корпус 4 вращается с угловыми скоростями ω_ζ,ω_η, то возникающие вследствие этого гироскопические
моменты уравновешиваются моментами сил Μ_ζ и M_η электростатического подвеса:

где K_Θ,K_γ - коэффициенты жесткости подвеса по соответствующим углам отклонения ротора 1 из исходного положения, что видно из фиг. 6. Из формул (6) следует:

Сигналы пар электродов 12 и 12' нижнего и верхнего статоров подвеса 10 и 10' соответственно, симметричных относительно осей 0ζ и 0η, содержат в себе информацию о перемещениях ζ и углах поворота Θ и γ и, следовательно, об измеряемых параметрах движения W_ζ,ω_ζ,ω_η. Находя суммы и разности сигналов с выходов измерительных цепочек, содержащих пары электродов, расположенных с положительными и отрицательными координатами 0ζ и 0η, получим необходимую информацию o ω_ζ,ω_η,W_ζ.
При наличии угловой скорости ω_ζ объекта возникающий гироскопический момент стремится повернуть ротор 1 вокруг второй измерительной оси 0η. Этому повороту препятствует момент сил, возникающих между электродами нижнего и верхнего статоров левитации 10 и 10' и ротором 1 гироскопа-акселерометра. В результате с выходов элементов 33 и 34 двух измерительных цепочек, содержащих соответственно две пары верхних электродов 12ʹζʹ+;12ʹζ+ и 12ʹζ-;12ʹζ- статора подвеса 10' с положительными и отрицательными координатами по первой измерительной оси сигналы поступают на первый и второй входы соответственно третьего устройства вычитания 39. На его выходе имеет место сигнал по напряжению U_γ, равному: U_γ= U^b_γ+-U^b_γ-= κ_γν,
где κ_γ - коэффициент передачи измерительной цепочки и ротора 1 по углу γ;U^b_γ+;U^b_γ- - сигналы, пропорциональные величинам зазоров электродов 12ʹζʹ+ и 12ʹζʹ-. Сигнал U_γ поступает на вход третьего масштабирующего устройства 40, на выходе которого получают сигнал, являющийся оценкой компонента ω_ζ угловой скорости объекта.

Выделение сигналов о компоненте W_ζ кажущегося ускорения и компоненте ω_η угловой скорости производится следующим образом. Сигналы с выходов элементов 35 и 37 измерительных цепочек, включающих в свой состав пары нижних электродов 12η+ и 12ηʹ+; 12η- и 12ηʹ- статоров подвеса с положительными и отрицательными координатами по второй измерительной оси (оси 0η) одновременно поступают на первые и вторые входы соответственно второго сумматора 43 и пятого устройства вычитания 45.

Сигналы с выходов 36 и 38 измерительных цепочек, содержащих пару верхних электродов 12ʹη+ и 12ʹηʹ+, а также пару верхних электродов 12ʹη- и 12ʹηʹ- (с положительными и отрицательными координатами второй измерительной оси), поступают на первый и второй входы первого сумматора 41, сигнал по напряжению U_db его выхода определяется выражением U_db= κ_db·(d-ζ),
где d - начальный зазор между ротором и верхними электродами; ζ - величина перемещения, вызванная действием ускорения W_ζ, что следует из формулы (7); κ_db - коэффициент передачи.

На выходе второго сумматора 43 наблюдается сигнал U_db, определяемый выражением:U_dн= κ_dн(d+ζ),
где κ_dн - коэффициент передачи.

Поэтому при κ_db= κ_dн= κ на выходе четвертого устройства вычитания имеет место сигнал U_ζ, равный: ΔU = 2κζ, а на выходе четвертого масштабирующего устройства 44 имеет место оценка компонента ускорения W_ζ.
На первый и второй входы пятого устройства вычитания 45 подаются сигналы от элементов 35 и 37, на выходе его имеет место сигнал U_Θ, равный U_Θ= κ_ΘΘ,
где κ_Θ - коэффициент передачи. От воздействия сигнала U_Θ на выходе пятого масштабирующего элемента 46 имеет место оценка компонента угловой скорости ω_η.
Преимуществом предложенного устройства является возможность обеспечения при одинаковых размерах большей величины кинетического момента, чем в микромеханическом гироскопе камертонного типа [3]. Так, при габаритах r = 0,8 см, l = 0,1 см, γ = 2,7 сН/см³ и угловой скорости собственного вращения Ω = 1570 с^-1 кинетический момент в предложенном устройстве равен 1,08 сН·см·с, что следует из расчета:
P = γπr²l = 0,54 cH; J = mr²; H = JΩ = 0,33·10^-3 · 3,14· 10³ = 1,08 сН·см·с.

Расчет показывает, что кинетический момент в предложенном устройстве на несколько порядков больше, чем у существующих [3], и тем самым представляется возможность значительного повышения точности. К тому же данное устройство обеспечивает изменение большего количества инерциальных параметров, именно дополнительно двух компонентов угловой скорости, что позволяет снизить вес и габариты системы ориентации и навигации в целом.

Литература.

1. Barbour N. , Conelly J., Gilmore J., etae. "Micro-Electromechanical Instrument and Systems Development at Draper Laboratory" // 3^rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. Part 1, May 1996, p.p. 3-10.

2. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панкратов А.И. и др. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития. // Изв. вузов РФ - приборостроение. 1998, N 1-2, с. 57.

3. Мезенцев А.П. и др. Основные проблемы создания инерциальных измерительных блоков на базе микромеханических гироскопов-акселерометров // Гироскопия и навигация. 1997, N 1, с. 7-18.

Формула изобретения

Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора, содержащий динамически и статически сбалансированный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входят торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента, при этом торцовый статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе, нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных на нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя укреплена в крышке гироскопа-акселерометра, а каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку, кроме того, нижний и верхний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках, состоящих из плоских электродов, соединены в три секции так, что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока, в состав устройства входит схема
обработки информации, содержащая измерительные цепочки, отличающийся тем, что в схему обработки информации дополнительно введены десять эталонных резисторов, десять фазочувствительных выпрямителей, три сумматора, пять устройств вычитания, пять масштабирующих элементов, так что каждая измерительная цепочка дополнена эталонным резистором путем последовательного его включения с источником высокочастотного напряжения, дросселем и парой соседних плоских электродов, а также фазочувствительным выпрямителем, первый и второй входы которого параллельно соединены с источником высокочастотного напряжения и эталонным резистором соответственно, а его выход является выходом измерительной цепочки, при этом выходы измерительных цепочек с положительными и отрицательными координатами торцовых элементов подвеса первой измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно первого устройства вычитания, выход которого соединен с входом первого масштабирующего элемента, выход его является выходом по компоненту W_ζ кажущегося ускорения, выходы измерительных цепочек торцовых электродов подвеса с положительными и отрицательными координатами соответственно по второй измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно второго устройства вычитания, выход его соединен с входом второго масштабирующего устройства, выход которого является выходом по компоненту W_η кажущегося ускорения, выходы двух измерительных цепочек верхних плоских электродов статоров подвеса с положительными и отрицательными координатами по первой измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно третьего устройства вычитания, его выход соединен с входом третьего масштабирующего элемента, выход которого является выходом по компоненту ω_ζ угловой скорости, выходы измерительных цепочек с положительными и отрицательными координатами верхних плоских электродов статоров подвеса по второй измерительной оси соединены с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом четвертого устройства вычитания, а с вторым входом четвертого устройства вычитания соединен выход второго сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходом измерительной цепочки с положительными плоскими электродами нижнего статора подвеса по второй измерительной оси, второй вход второго сумматора соединен с выходом измерительной цепочки с отрицательными координатами нижних электродов нижнего статора подвеса по второй измерительной оси, выход четвертого устройства вычитания соединен с входом четвертого масштабирующего элемента, который является выходом по компоненту W_ζ кажущегося ускорения, а первый и второй входы второго сумматора соединены с первым и вторым входами пятого устройства вычитания, выход которого соединен с входом пятого масштабирующего элемента, выход его является выходом по компоненту ω_η абсолютной угловой скорости.

РИСУНКИ

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