Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и устройство для реализации данного способа

Изобретения относятся к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в которых кориолисово ускорение, возникающее при поворотах, вызывает перемещение подвижной массы (ПМ). При измерении перемещения (Δх) ПМ оси вторичных колебаний путем формирования переменных напряжений на электродах дифференциального емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний, и измерения разности токов, протекающих через эти электроды, дополнительно измеряют произведение токов, протекающих через эти электроды, и определяют перемещение ПМ ММГ по формуле: , где ΔI, ПI - соответственно разность и произведения токов, U, ω - соответственно амплитуда и угловая частота напряжения на электродах, ε - диэлектрическая постоянная среды между электродами, S - площадь электродов. Устройство измерения перемещения ПМ ММГ содержит дифференциальный емкостной датчик, два трансрезистивных усилителя, входы которых соединены с выходами дифференциального емкостного датчика, инструментальный усилитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, генератор переменного напряжения, выход которого соединен с ПМ, демодулятор, первый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а второй - через устройство сдвига фазы соединен с генератором переменного напряжения, дополнительный умножитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, фильтр низкой частоты, вход которого соединен с выходом умножителя, и делитель, один вход которого соединен с выходом демодулятора, а другой вход соединен с выходом фильтра низкой частоты. Техническим результатом является повышение точности ММГ и возможность снижения требований к погрешности его изготовления. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа и схемам измерения передвижения подвижной массы (ПМ) или ротора в этих гироскопах.

Известен способ измерения перемещений ПМ ММГ по осям возбуждения колебаний или драйва (drive axis) и по оси вторичных колебаний или выходной оси, заключающийся в формировании переменных напряжений на электродах дифференциальных емкостных датчиков, расположенных по соответствующим осям, и измерении разности токов, протекающих через эти электроды [пат. США №6626039, fig. 8.]

На фиг.8 этого патента показано, что этот способ может быть реализован с помощью усилителей 56 и 58, охваченных обратной связью элементами R_f, C_f и демодуляторов 62, 64. При этом напряжения на электроды емкостных датчиков поступают от противофазных источников переменного напряжения 51 и 52.

Для разности токов, протекающих через электроды дифференциального датчика по оси вторичных колебаний, справедливо выражение

Для плоскопараллельных дифференциальных емкостных датчиков, которые, как правило, используются в канале вторичных колебаний, можно считать (без учета краевых эффектов), что емкости C₁, C₂ изменяются в соответствии с выражениями:

где S - площадь электродов, образующих конденсаторы емкостных датчиков; ε - диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между электродами; x₁, х_{2 -} соответственно зазоры между электродами датчиков, при этом имеет место соотношения

где х₀ - начальный зазор между электродами и Δх - смещение ПМ.

Из выражений (1-5) можно получить следующее выражение:

При малых (по сравнению с величиной зазора х₀) перемещениях ПМ (Δх) выражение (6) примет вид:

Т.е. измеренная разность токов пропорциональна перемещению ПМ и обратно пропорциональна величине х² ₀, которая может изменяться от партии к партии и от образца к образцу. Поскольку величина Δх в ММГ пропорциональна величине Кориолисова ускорения, то эта зависимость от величины зазора приводит к тому, что разные образцы ММГ имеют разную величину масштабного коэффициента, что является недостатком.

Отметим, что для повышения масштабного коэффициента ММГ величину зазора стремятся выбирать близкой к предельно достижимым по выбранной технологии величинам. Это приводит к относительно большим разбросам по величине х₀ (10% и более) и соответственно к большим разбросам по величине масштабного коэффициента.

Отметим, что это при малых угловых перемещениях ПМ в ММГ RR-типа справедливы выражения (1-7) при пересчете угловых перемещений ПМ (ПМ в ММГ этого типа называют ротором) в линейные, и соответственно влияние разброса зазора между ротором и электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, оказывается аналогичным.

Например, в разрабатываемом в ЦНИИ «Электроприбор» ММГ RR-типа номинальный зазор составляет 2 мкм при диаметре ротора 3 мм [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. 12-я С-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274].

Для уменьшения влияния зазора на величину перемещения ПМ по оси возбуждения первичных колебаний (в канале драйва) [Пат. США №6765305, fig 1.] два преобразователя емкость - напряжение в канале драйва охватываются обратной связью по сумме их выходных сигналов [Пат. США №6765305, fig. 1, элементы 116-120]. Это позволяет при точных и стабильных значениях величин емкостей C_i (см. fig.1) скомпенсировать составляющую постоянной величины на выходе преобразователей 112, 114 и сигналом с выхода регулятора 119 скомпенсировать изменение масштабного коэффициента в канале драйва, обеспечив тем самым постоянную величину амплитуды первичных колебаний.

Однако из-за разной природы зависимостей измеряемой величины перемещения ПМ от зазора в емкостных датчиках с гребенчатой структурой (в этих типах датчиков разность токов через электроды обратно пропорциональна зазору) и плоско параллельными или поворачивающимися на малые углы электродами способ стабилизации масштабного коэффициента по Пат. США №6765305 не может быть использован.

Кроме того, реализация способа по пат. США №6765305 связана с трудностью формирования конденсаторов малых и постоянных по величине емкостей. Дополнительные трудности реализации вызваны и тем, что преобразователи емкость - напряжение 112, 114 имеют выходной сигнал на постоянном токе, т.е. при возбуждении емкостного датчика напряжением переменного тока в устройстве по Пат. США №6765305 в составе преобразователей емкость - напряжение 112, 114 необходимо использовать демодулятор, что ухудшает точность измерения разности емкостей.

В качестве прототипа выбран способ измерения перемещения ПМ по оси первичных колебаний, заключающийся в формировании переменных напряжений на электродах дифференциального емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний, и измерении разности токов, протекающих через эти электроды, который используется в ММГ, описанном в [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. 12-я С-Петербургская Международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274].

В этом ММГ напряжение высокой частоты (3 МГц) формируется на роторе, который является подвижным электродом дифференциальных емкостных датчиков. Неподвижные электроды емкостного датчика для измерения перемещения ротора по оси вторичных колебаний расположены на крышке ММГ (см. фиг.3). Диаметрально расположенные электроды большей площади используются в ММГ как измерительные, они соединены с входами дифференциального трансрезистивного усилителя, который образован двумя трансрезистивными усилителями (пример реализации которых приведен на fig. 4a пат. США №6253612) и дифференциальным или инструментальным усилителем, входы которого соединены с выходами двух трансрезистивных усилителей.

Так называемый в англоязычной литературе трансрезистивный усилитель (transresistance amplifier) описан в общедоступных источниках информации (например, см. http://en.wikipedia.org/wiki/Transconductance) и в ряде патентов (см., например, пат. США №6566955 от 20.05.2003 г., и другие патенты с более ранним приоритетом: пат. США №6467346 (столбец 4 описания строки 20-25, фиг.3), пат. США №6253612 (столбец 3 описания строки 25-30), пат. США №4757422 (см. столбец 4 описания, абзацы 10, 15). Как отмечено в этом патенте, трансрезистивный усилитель представляет собой преобразователь ток - напряжение, т.е. устройство, входным сигналом которого является ток, а выходным - напряжение. Соответственно коэффициент передачи такого устройства имеет размерность [Ом]. Удобство использования трансрезистивных усилителей в микромеханических устройствах с емкостными датчиками обусловлено тем, что с их помощью ток через конденсаторы, сформированные с помощью электродов, преобразуется в такой электрический сигнал (напряжение), который с помощью распространенных средств (АЦП, операционные усилители и т.д.) легко может быть преобразован по требуемому алгоритму.

Выход дифференциального трансрезистивного усилителя соединен с входом демодулятора, второй вход которого соединен с источником напряжения высокой частоты. Эти элементы в совокупности образуют устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний. Сигнал на выходе этого устройства (выходной сигнал демодулятора) пропорционален величине ΔI (см. выражение 7), т.е. отношению Таким образом, недостатком прототипа-способа и прототипа-устройства является зависимость формируемого выходного сигнала от величины зазора, что снижает точность ММГ, вызывает необходимость тарировки ММГ для определения его масштабного коэффициента.

Можно отметить, что описанный способ измерения перемещений ПМ по оси вторичных колебаний используется и в ММГ LL-типа, например в ММГ, приведенным в патенте США №6067858 (fig.23), и гироскопам этого типа присущи эти же недостатки.

Задачей изобретения является уменьшение влияния зазора между электродами емкостного датчика ММГ, расположенного по оси вторичных колебаний, на точность определения перемещения ПМ. За счет этого повышается точность ММГ, исключается необходимость в операциях по определению масштабного коэффициента ММГ, что может снизить стоимость ММГ.

Поставленная задача достигается тем, что для определения перемещений ПМ формируют напряжения переменного тока на электродах дифференциального емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний, измеряют разности токов, протекающих через эти электроды, дополнительно измеряют произведение токов, протекающих через эти электроды, и определяют перемещение подвижной массы микромеханического гироскопа по формуле:

где ΔI, ПI - соответственно разность и произведения токов;

U, ω - соответственно амплитуда и угловая частота напряжения на электродах;

ε - диэлектрическая постоянная среды между электродами;

S - площадь электродов.

Кроме того, поставленная задача в устройстве для реализации предложенного способа, т.е. в устройстве измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа, содержащего дифференциальный емкостной датчик, первый и второй трансрезистивные усилители, входы которых соединены с выходами дифференциального емкостного датчика, инструментальный усилитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, генератор переменного напряжения, выход которого соединен с подвижной массой, демодулятор, первый вход которого соединен с выходом инструментального усилителя, достигается тем, что в него введены устройство сдвига фазы, вход которого соединен с генератором переменного напряжения, а выход соединен со вторым входом демодулятора, дополнительный умножитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, фильтр низкой частоты, вход которого соединен с выходом умножителя, и делитель, один вход которого соединен с выходом демодулятора, а другой вход соединен с выходом фильтра низкой частоты, при этом трансрезистивный усилитель выполнен на операционном усилителе с резистором, включенным между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя.

Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено тем, что перемещения ПМ по оси вторичных колебаний определяют с учетом величины произведения величин токов, протекающих через электроды емкостного датчика, что позволяет исключить зависимость формируемого электрического сигнала от величины зазора между электродами емкостного датчика.

Заявленная совокупность признаков позволяет повысить точность определения перемещений ПМ по оси вторичных колебаний, снизить стоимость ММГ за счет упрощения или исключения процесса тарировки ММГ. Заявленное устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства измерения перемещения ПМ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - генератор переменного напряжения

2, 3 - конденсаторы, образованные ПМ и электродами, расположенными по оси вторичных колебаний

4, 5 - преобразователи ток - напряжение

6 - сумматор

7 - умножитель

8 - делитель

На фиг.2 приведен вариант выполнения ММГ LL-типа, в котором используется предложенный способ.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1 - генератор переменного напряжения

4, 5 - преобразователи ток - напряжение, выполненные в виде трансрезистивных усилителей

9, 11 - операционные усилители

10, 12 - резисторы

13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

14 - процессор

15, 16, 17, 18 - статоры гребенчатого двигателя, расположенного по оси первичных колебаний (X)

19 - ПМ

20, 21, 22, 23 - статоры емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний (Y)

24 - подвижные электроды емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний (Y)

25 - устройство возбуждения первичных колебаний.

На фиг.3 приведена структурная схема устройства измерения перемещения ПМ

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

1 - генератор переменного напряжения

2, 3 - конденсаторы, образованные ПМ и электродами, расположенными по оси вторичных колебаний

9, 11 - операционные усилители

10, 12 - резисторы

26 - инструментальный усилитель

27 - демодулятор

28 - устройство сдвига фазы электрического сигнала

29 - аналоговый умножитель

30 - фильтр низкой частоты (ФНЧ)

31 - устройство, реализующее операцию деления одного электрического сигнала (на входе х) на другой (на входе у)

Предлагаемый способ заключается в следующем:

Измерение перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний в ММГ осуществляется посредством выполнения следующих операций:

а) формирование, например, с помощью генератора переменного напряжения 1 переменных напряжений на электродах дифференциального емкостного датчика (конденсаторы 2, 3 на фиг.1), расположенного по оси вторичных колебаний;

б) измерение токов, протекающих через эти электроды с помощью измерителей тока, в качестве которых могут использоваться преобразователи ток - напряжение 4, 5;

в) определения разности токов путем вычитания выходного сигнала измерителей тока 4, 5;

г) определение произведения токов, протекающих через электроды (выполнение этой операции на фиг.1 осуществляет умножитель 7);

д) выделение сигнала перемещения ПМ по оси вторичных колебаний путем деления измеренного значения разности токов на их произведение (выполнение этой операции на фиг.1 осуществляется делителем 8).

При выполнение операций по пп. а), б), в) осуществляется, как показано выше в выражении (6), выделение сигнала, пропорционального величине

С учетом выражений (2)-(6) можно получить, что при выполнение операций по п. г) осуществляется, как показано ниже в выражении (8), выделение сигнала, пропорционального величине

Сигнал, полученный при выполнении операции по п. д), оказывается не зависящим от величины зазора х₀:

Или

т.е. отношение величин - оказывается пропорциональным только величине перемещения ПМ. Величины UωεS являются постоянными (или их относительные изменения в ММГ значительно меньше, чем относительные изменения величина зазора) для выбранной конструкции.

Таким образом, показано, что в отличие от прототипа предложенный способ позволяет исключить зависимость выходного сигнала от зазора.

Перейдем к фиг.2.

На ней показан вариант реализации предложенного способа измерения перемещения ПМ в ММГ LL-типа (пример конструкции ММГ взят из пат. США 6067858 fig.9) с цифровым преобразователем сигналов емкостных датчиков ММГ.

Генератор переменного напряжения 1 соединен с проводящей ПМ 19. Преобразователи ток - напряжение 4, 5 выполнены в виде трансрезистивных усилителей на операционных усилителях 9, 11 с резисторами 10, 12, включенными между выходом и инвертирующим входом операционных усилителей 9, 11. Многоканальный АЦП 13 соединен входами с генератором переменного напряжения 1, выходами операционных усилителей 9, 11, а его выход соединен с процессором 14. ПМ 19 в центральной части имеет гребенчатую структуру. Статоры 15-18, расположенные рядом с гребенками ПМ, образуют дифференциальный емкостной датчик перемещения ПМ по оси первичных колебаний и гребенчатый двигатель. Со статорами 15-18 соединены входы и выходы устройства возбуждения первичных колебаний 25, выход которого соединен с входом АЦП 13. Соединенные попарно статоры 20, 22 и 21, 23 с электродами 24, находящимися на ПМ 19, образуют дифференциальный емкостной датчик с плоскопараллельными электродами.

ММГ работает следующим образом. Устройство возбуждения колебаний 25 при совместной работе с электродной структурой на элементах 15-19 вызывает колебания ПМ 19 вдоль оси Х с постоянной амплитудой. Под действием кориолисовых ускорений ПМ 19 начинает колебаться вдоль оси Y. Эти колебания приводят к изменениям емкостей между электродами 24, 20 и 24, 21. Учитывая, что инвертирующий вход усилителей 10, 11, охваченных отрицательной обратной связью с помощью резисторов 10, 12, имеет нулевой потенциал, можно считать, что все напряжение источника 1 приложено к плоскопараллельным электродам 20-24 и 21-24. Электрические сигналы в цепях с этими электродами могут быть описаны выражениями, аналогичными выражениям (1)-(7).

Сигналы, поступающие на входы АЦП 13, преобразуются в коды, которые обрабатываются процессором 14. Реализация вычислений, связанных с определением разности и произведения двух величин и последующего деления одной величины на другую, достаточно легко может быть выполнена современными контроллерами или другими средствами цифровой техники (например, FPGA - Field Programmable Gate Array).

Таким образом, при цифровой обработке сигналов емкостных датчиков ММГ может быть реализован предложенный способ измерения перемещений ПМ.

На фиг.3 показан вариант реализации предложенного способа с помощью средств аналоговой техники.

Генератор переменного напряжения 1 соединен с ПМ, которая на фиг.3 представлена как общая точка конденсаторов 2, 3. Другие выводы конденсаторов 2, 3 - это статоры емкостных датчиков, расположенных по оси вторичных колебаний. Эти выводы соединены с инвертирующими входами усилителей 9, 11 с резисторами 10, 12 между выходами этих усилителей и их инвертирующими входами. Выходы усилителей 9, 11 соединены с входами инструментального усилителя 26 и аналогового умножителя 29. Выход инструментального усилителя 26 соединен с входом демодулятора 27, другой вход которого соединен с генератором 1 через устройство сдвига фазы 28. Выход демодулятора 27 соединен с входом делителя 31, другой вход которого через ФНЧ 30 соединен с выходом аналогового умножителя 29.

Устройство измерения перемещения ПМ работает следующим образом. Поскольку напряжение на инвертирующих входах усилителей 9, 11 близко к 0 (как известно, инвертирующий вход операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, может быть принято нулевым (т.н. виртуальная земля), можно считать, что напряжение генератора 1 приложено к конденсаторам 2, 3.

Поэтому при напряжении генератора 1 (U1):

где Е - амплитуда, а ω - угловая частота

Токи, протекающие через эти конденсаторы (через электроды емкостного датчика), могут быть представлены выражениями:

где I₂ - ток, протекающий через конденсатор 2, I₃ - ток, протекающий через конденсатор 3.

Выходные напряжения усилителей 9, 11 могут быть представлены соответственно выражениями:

где R - сопротивления резисторов 10, 12 (их сопротивления выбираются одинаковыми).

Напряжение на выходе инструментального усилителя 26 (U₂₆) имеет вид:

Напряжение на выходе аналогового умножителя 29 (U29):

где К₂₉ - коэффициент передачи аналогового умножителя 29.

ФНЧ 30 подавляет высокочастотную составляющую (на частоте 2ω) напряжения 29, поэтому напряжение на его выходе U₃₀:

Демодулятор может быть также выполнен как последовательно включенные аналоговые перемножители ФНЧ. При такой реализации напряжение на выходе демодулятора 27 (U₂₇) будет содержать только низкочастотную составляющую произведения напряжений U₂₆ и U₁:

Напряжение на выходе делителя 31 (U₃₁) имеет вид:

Как видно из выражения (19), выходной сигнал предложенного устройства не зависит от величины зазора. Таким образом, цель изобретения в предложенном устройстве можно считать достигнутой.

1. Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний, заключающийся в формировании переменных напряжений на электродах дифференциального емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний, и измерении разности токов, протекающих через эти электроды, отличающийся тем, что дополнительно измеряют произведение токов, протекающих через эти электроды, и определяют перемещение подвижной массы микромеханического гироскопа по формуле

где ΔI, ПI - соответственно разность и произведения токов; U, ω - соответственно амплитуда и угловая частота напряжения на электродах; ε - диэлектрическая постоянная среды между электродами; S - площадь электродов.

2. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа, содержащее дифференциальный емкостный датчик, первый и второй трансрезистивные усилители, входы которых соединены с выходами дифференциального емкостного датчика, инструментальный усилитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, генератор переменного напряжения, выход которого соединен с подвижной массой, демодулятор, первый вход которого соединен с выходом инструментального усилителя, отличающееся тем, что в него введены устройство сдвига фазы, вход которого соединен с генератором переменного напряжения, а выход соединен со вторым входом демодулятора, дополнительный умножитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, фильтр низкой частоты, вход которого соединен с выходом умножителя, и делитель, один вход которого соединен с выходом демодулятора, а другой вход соединен с выходом фильтра низкой частоты, при этом трансрезистивный усилитель выполнен на операционном усилителе с резистором, включенным между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя.