Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа
Владельцы патента RU 2282152:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, включающим в себя подвижный механический элемент, гребенчатый двигатель и емкостные датчики перемещения подвижного механического элемента по оси первичных колебаний и выходной оси. Устройство содержит фазовращательное устройство, выполненное как управляемое устройство, вход которого подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний, и демодулятор, первый вход которого подключен к выходу фазовращательного устройства, второй вход соединен с выходом емкостного датчика по выходной оси, а выход соединен с входом фильтра низкой частоты, и интегратор. При этом вход управления фазовращательного устройства соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом демодулятора. Кроме того, устройство может дополнительно содержать суммирующий усилитель, два умножителя и второе фазовращательное устройство, входы которого соединены с одноименными входами первого фазовращательного устройства, а выход - с входами умножителей. Техническим результатом является повышение точности ММГ за счет подавления квадратурной помехи и автоматической подстройки фазового сдвига сигнала в выходном канале при преобразовании сигналов емкостных датчиков ММГ. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) и устройствам преобразования сигналов в них.
Известны микромеханические гироскопы и устройства преобразования электрических сигналов в них (см. патенты США №№ 6571630, 6715353, 5992233, 6370937, 5672949). Выходной сигнал датчика по выходной координате гироскопа может содержать помимо полезного сигнала помехи: квадратурную помеху (так называют составляющую сигнала, фаза которой сдвинута на 90° по отношению к полезной составляющей) и составляющие от силового сигнала. Разные методы подавления квадратурной помехи используются в технике: так, в гироскопе по пат. США № 6715353 используют параметрический резонанс, в устройствах по пат. США №№ 6571630, 5992233, 6370937 формируют напряжения на специальных электродах. Недостатком этих устройств является сложность конструкции, обусловленная необходимостью введения дополнительных электродов и контуров регулирования.
Устройство преобразования электрических сигналов ММГ, приведенное на фиг.8 пат. США № 6626039, является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа.
ММГ вибрационного типа по пат. США № 6626039, включает в себя подвижный механический элемент (ротор на торсионном подвесе), гребенчатый двигатель (на фиг.8 его электроды, обозначены Сt1, Сt2) и емкостные датчики перемещения ротора по оси первичных колебаний и выходной оси (на фиг.8 электроды, образующие с электронными узлами соответствующие датчики, обозначены Cs1, Cs2 и Cd1, Cd2). Емкостной датчик перемещения ротора по оси первичных колебаний включает в себя усилители 56, 57, демодулятор 62 и фильтр низкой частоты (ФНЧ) 63. Аналогично построен и емкостной датчик перемещения ротора по выходной оси (на элементах 58, 59, 64 и 65). Для возбуждения этих датчиков используется высокочастотный источник с противофазными выходами на элементах 51, 52, выходной сигнал которого поступает на демодуляторы 62, 64. Выходные сигналы этих емкостных датчиков поступают далее на вход устройства преобразования сигналов ММГ, которое содержит фазовращательное устройство (элемент 67) и демодулятор 66 с ФНЧ 68. На вход элемента 66 от емкостного датчика перемещения ротора по выходной оси поступает сигнал Uвх, содержащий полезную составляющую Uп и квадратурную помеху Uкв, которая совпадает по фазе с сигналом с выхода емкостных датчиков перемещения ротора по оси первичных колебаний.
Uвх(t)=Uп(t)+Uкв(t)=UпSin(ωt)+Uкв Cos(ωt) (1)
Вносимый фазовый сдвиг ϕ элемента 67 в идеальном случае равен 90°, что обеспечивает полное подавление квадратурной помехи Uкв.
Однако в случае отклонения угла от 90° на угол α получим, что выходной сигнал демодулятора 66 Uвых(t)
Uвых(t)=Uвх(t) Sin (ωt+α) (2)
На выходе ФНЧ 68 после фильтрации высокочастотных составляющих сигнал U68 будет определяться выражением
U68=UпCos (α)+Uкв Sin (α) (3)
Отметим, что влияние угла α проявляется в изменении масштабного коэффициента (первый член) и смещении нуля (второй член выражения 3). Причем влияние угла α (при малых α) на масштабный коэффициент значительно меньше, чем на смещение нуля даже при величинах Uп, Uкв одного порядка. А учитывая, что эти величины могут отличаться на несколько порядков, можно сделать заключение, что одной из основных причин, определяющих дрейф нуля ММГ, являются нестабильности вносимого фазового сдвига и большая величина квадратурной помехи.
Отметим, что емкостные датчики ММГ могут быть запитаны от источника постоянного напряжения, как это показано в пат. США № 5672949 или в пат. США № 6253612 на фиг.3d. В этом случае элементы 51, 52 и 62-65 не используются, однако состав устройства преобразования электрических сигналов остается тем же.
Изобретение решает задачу повышения точности ММГ.
Поставленная задача в предлагаемом устройстве решается тем, что в устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа введен интегратор, а фазовращательное устройство выполнено как управляемое устройство, при этом вход управления соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом демодулятора.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что в устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа введены суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом емкостного датчика перемещения подвижного механического элемента по выходной оси, первый умножитель, первый вход которого подключен к выходу введенного суммирующего усилителя, дополнительный усилитель, вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй умножитель, первый вход которого подключен к выходу дополнительного усилителя, выход второго умножителя соединен с вторым входом суммирующего усилителя, и второе управляемое фазовращательное устройство, при этом вторые входы введенных умножителей соединены с выходом второго фазовращательного устройства, входы которого соединены с одноименными входами первого фазовращательного устройства.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что фазовращательное устройство выполнено в виде последовательно включенных фильтра низкой частоты умножителя и сумматора, при этом второй вход сумматора соединен с входом фильтра низкой частоты, а второй вход умножителя является входом управления фазовращательного устройства.
Основное преимущество предлагаемого изобретения (уменьшение влияния на точность ММГ, вносимого выходным каналом фазового сдвига и квадратурной помехи) обусловлено заявленной совокупностью признаков.
Заявленное устройство поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена блок - схема ММГ с предложенным устройством.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - ММГ
2, 3 - емкости датчика перемещения ротора по оси первичных колебаний
4, 5 - емкости датчика перемещения ротора по выходной оси
6, 7 - источники постоянного напряжения
8, 9 - усилители с инвертирующим входом
10, 11 - резисторы
12, 13 - конденсаторы
14 - демодулятор
15 - фазовращательное устройство
16 - фильтр низкой частоты (ФНЧ)
17 - интегратор
На фиг.2 приведена блок-схема ММГ с вариантом выполнения предложенного устройства.
На фиг.2 (элементы 1-17 обозначены так же, как и на фиг.1) приняты следующие обозначения:
1 - ММГ
2, 3 - емкости датчика перемещения ротора по оси первичных колебаний
4, 5 - емкости датчика перемещения ротора по выходной оси
6, 7 - источники постоянного напряжения
8, 9 - усилители с инвертирующим входом
10, 11 - резисторы
12, 13 - конденсаторы
14 - демодулятор
15 - фазовращательное устройство
16 - фильтр низкой частоты (ФНЧ)
17-интегратор
18 - суммирующий усилитель
19 - узел суммирования
20 - усилитель
21, 24 - умножители
22 - дополнительный усилитель
23 - управляемое фазовращательное устройство
На фиг.3 приведена блок-схема варианта выполнения управляемого фазовращательного устройства.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:
25 - усилитель
26 - умножители
27 - сумматор
28, 29 - резисторы
30 - конденсатор
На фиг.4. приведена блок-схема ММГ с вариантом выполнения предложенного устройства.
Элементы 1-24 на фиг.4 имеют те же обозначения, что и на фиг.2.
31 - запоминающее устройство.
В ММГ 1 емкости датчика перемещения ротора по оси первичных колебаний 2,3 образованы гребенками, расположенными на подвижной массе или роторе и гребенками статоров, а емкости датчика перемещения ротора по выходной оси 4, 5 образованы подвижной массой или ротором и соответствующими электродами, расположенными на основании. К статорам и электродам, расположенным на основании, подключены выводы источников питания 6, 7. Общие выводы емкостей 2, 3 и 4, 5 подключены соответственно к инвертирующим входам усилителей 8, 9, между выходами которых и входами включены соответственно резисторы 10, 11 и конденсаторы 12, 13. Элементы 2, 3, 8, 10, 12 образуют емкостной датчик перемещения подвижного механического элемента по оси первичных колебаний, а элементы 4, 5, 9, 11, 13 образуют емкостной датчик перемещения подвижного механического элемента по выходной оси.
Предложенное устройство содержит демодулятор 14 и фазовращательное устройство 15. Вход ФНЧ 16 соединен с выходом демодулятора 14. Фазовращательное устройство 15 выполнено как управляемое, т.е. вносимый им сдвиг фазы может быть изменен путем подачи электрического сигнала на его вход, называемый входом управления. Между выходом демодулятора 14 и входом управления устройства 15 включен интегратор 17.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал на выходе усилителя 9 (см. фиг.1) содержит полезную и квадратурную составляющие (см. выражение 1). Этот сигнал демодулятором 14 преобразуется в сигнал, пропорциональный угловой скорости вокруг оси чувствительности ММГ и величине Uкв Sin (α) (см. выражение (3)). В случае, когда вносимый фазовый сдвиг в выходном канале отличается от нуля или, точнее, от вносимого сдвига фазы в канале первичных колебаний, в предложенном устройстве на входе интегратора 17 появляется постоянный электрический сигнал, который вызывает изменение вносимого устройством 15 сдвига фазы, которое в свою очередь будет приводить к уменьшению составляющей, обусловленной квадратурной помехой. При этом благодаря тому что изменения выходного сигнала происходят до тех пор, пока входной сигнал не станет равным нулю, величина α в предложенном устройстве автоматически сводится к нулю. Для того чтобы в предложенном устройстве измеряемая угловая скорость не приводила к изменению угла α, постоянная времени интегрирования интегратора 17 должна быть достаточна большая. Например, если ММГ предназначен для измерения скорости изменения углов качки малотоннажного судна, интегратор должен иметь коэффициент передачи, равный единице при частотах порядка 0,001 Гц. В этом случае переменная составляющая на входе интегратора 17 будет существенно подавлена этим устройством и не будет приводить к изменению фазы выходного сигнала фазовращающего устройства.
В устройстве на фиг.2 между выходом усилителя 9 и входом демодулятора 14 включен суммирующий усилитель 18, который образован последовательно соединенными узлом суммирования 19 и усилителем 20. Последовательно включенные умножитель 21, усилитель 22 и умножитель 24 включены между выходом усилителя 20 и входом узла суммирования 19. Управляемое фазовращательное устройство 23 включено между выходом усилителя 8 и вторыми входами умножителей 21, 24, а его вход управления соединен с выходом интегратора 17.
Устройство на фиг.2 работает следующим образом. В умножителе 21, работающем как синхронный детектор, выделяется составляющая входного сигнала, синфазная с опорным сигналом, т.е. с сигналом на выходе датчика перемещения ротора по оси первичных колебаний. Выделенная составляющая усилителем 22 усиливается и фильтруется. Отметим, что для фильтрации кратных гармоник усилитель должен иметь передаточную функцию, как у ФНЧ. Постоянная составляющая выходного сигнала усилителя 22 умножителем 24 преобразуется в сигнал, близкий по амплитуде и противоположный по фазе квадратурной помехе на выходе усилителя 9. Поэтому через усилитель 20 проходит уже только нескомпенсированная составляющая квадратурной помехи и полезный сигнал. Благодаря тому что уровень помехи уменьшен, возможно повышение его коэффициента усиления, что позволяет повысить точность ММГ. Автоматическая подстройка фазового сдвига на величину угла α, равного фазовому сдвигу, в выходном канале за счет сигнала интегратора 17 обеспечена в предложенном устройстве в устройствах 15 и 23. Это обеспечивает более точную компенсацию квадратурной помехи в усилителе 18 и ее подавление умножителем 14. Благодаря наличию автоматической подстройки фазового сдвига в устройствах 15 и 23 в ММГ можно выбирать резонансные частоты каналов близкими, что позволяет повысить точность ММГ без вредного влияния температуры на точность ММГ из-за изменения вносимого фазового сдвига в выходном канале.
В схеме на фиг.3 на усилителе 25 с помощью резисторов 28, 29, подключенных к его входу и выходу, и конденсатора 30 сформировано ФНЧ, вносящий фазовый сдвиг в выходной сигнал до 90°. Выход усилителя через умножитель 26 соединен с входом сумматора 27, другой вход которого соединен с резистором 28. Фаза сигнала на выходе сумматора 27 зависит от коэффициента передачи умножителя 26. Последний пропорционален напряжению на входе управления (на фиг.3 - вывод Упр). Таким образом, в устройстве на фиг.3 достигается изменение сдвига фазы выходного сигнала путем изменения напряжения на одном из входов. Необходимый постоянный сдвиг фазы может быть обеспечен с помощью известных корректирующих звеньев на пассивных элементах. Отметим, что при необходимости сохранения амплитуды выходного сигнала фазосдвигающего устройства может быть использована известная схема автоматического регулирования усиления или в качестве фазосдвигающего устройства может быть использована схема фазовой автоподстройки частоты.
В схеме на фиг.4 между выходом интегратора и входами фазосдвигающих устройств 15, 23 введено запоминающее устройство 31, например усилитель выборки-хранения.
Устройство на фиг.4 работает аналогично устройству на фиг.2 при работе усилителя выборки-хранения в режиме выборки. Этот режим целесообразно использовать, когда ММГ находится на объекте, не совершающем продолжительную циркуляцию, или неподвижном. Устройство 31 целесообразно переводить в режим хранения при начале движения или циркуляции. В этом случае напряжение на выходе интегратора 17, соответствующее сдвигу фазы, необходимому для максимального подавления квадратурной помехи, будет сохранено. Повторные переходы в режим выборки устройства 31 возможны при соответствующих состояниях объекта с установленным на нем ММГ.
Предлагаемое устройство допускает использование и с другими типами емкостных датчиков, описанных в литературе (например, в пат. США № 6253612, фиг.3).
1. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа, включающего в себя подвижный механический элемент, гребенчатый двигатель и емкостные датчики перемещения подвижного механического элемента по оси первичных колебаний и выходной оси, содержащее фазовращательное устройство, вход которого подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний и демодулятор, первый вход которого подключен к выходу фазовращательного устройства, второй вход соединен с выходом емкостного датчика по выходной оси, а выход демодулятора соединен с входом фильтра низкой частоты, отличающееся тем, что в него введен интегратор, а фазовращательное устройство выполнено как управляемое устройство, при этом вход управления соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом демодулятора.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введены суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом емкостного датчика перемещения подвижного механического элемента по выходной оси, первый умножитель, первый вход которого подключен к выходу суммирующего усилителя, дополнительный усилитель, вход которого подключен к выходу первого умножителя, второй умножитель, первый вход которого подключен к выходу дополнительного усилителя, выход второго умножителя соединен со вторым входом суммирующего усилителя, и второе управляемое фазовращательное устройство, при этом вторые входы введенных умножителей соединены с выходом второго фазовращательного устройства, входы которого соединены с одноименными входами первого фазовращательного устройства.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовращательное устройство выполнено в виде последовательно включенных фильтра низкой частоты, умножителя и сумматора, при этом второй вход сумматора соединен с входом фильтра низкой частоты, а второй вход умножителя является входом управления фазовращательного устройства.
