Микромеханический гироскоп компенсационного типа

Изобретение относится к приборам, измеряющим угловую скорость. В микромеханический гироскоп компенсационного типа между усилителем, соединенным с дифференцирующим звеном, и силовыми электродами по оси вторичных колебаний введено устройство с изменяемым коэффициентом передачи, второй вход которого соединен со вторым выходом устройства измерения перемещения по оси вторичных колебаний. При этом устройство с изменяемым коэффициентом передачи реализует зависимость

где X, Y и Z - соответственно сигналы на первом и втором входах и выходе устройства с изменяемым коэффициентом передачи. Изобретение позволяет повысить точность гироскопа за счет компенсации изменений межэлектродного зазора чувствительного элемента, вызванных влиянием температуры и линейных воздействий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ).

Чувствительный элемент микромеханических датчиков представляет собой инерционную массу, подвешенную на упругих элементах, торсионах, соединенных с основанием. Электроды инерционной массы образуют с электродами основания конденсаторы. При воздействии угловой скорости изменяется зазор между электродами, что приводит к изменению емкости.

Из-за недостаточной жесткости торсионов и способности кремния расширяться под воздействием температуры зазор между электродами может меняться в отсутствие воздействия угловой скорости, при линейных ускорениях и изменении температуры. Изменение зазора приводит к изменению масштабного коэффициента устройства измерения перемещений инерционной массы и появлению ошибок измерений в выходном сигнале.

Для компенсации изменений зазора применяются различные схемы. В патенте США №6765305 описана схема компенсации изменения зазора в канале первичных колебаний. Информация о зазоре содержится в выходном сигнале регулятора 119 в обратной связи. Эта информация используется для изменения масштабного коэффициента усилителя 121, усиливающего разность выходных сигналов преобразователей 112 и 114. За счет введения глубокой обратной связи в выходных сигналах преобразователей 112 и 114 отсутствует информация о величине зазора. В устройстве, описанном в патенте РФ №2289789, величина зазора также определяется суммированием сигналов с усилителей 7 и 8. Величина амплитуды полученного сигнала, которая выделяется в выпрямителе 22, используется для изменения коэффициента передачи устройства с изменяемым коэффициентом передачи 16. При этом, на выходах трансрезистивных усилителей присутствует информация, как о перемещении инерционной массы, так и о величине зазора.

В гироскопах компенсационного типа при воздействии угловых скоростей инерционная масса остается в нейтральном положении. Это достигается за счет введения силовой глубокой обратной связи. Управляющие воздействия подаются на датчики момента (силы). Коэффициент передачи датчиков момента, так же как и датчиков перемещения, зависит от величины зазора. Поэтому компенсации коэффициента передачи устройства измерения перемещений для компенсационного гироскопа не достаточно.

В патенте WO 2007/105211 описан гироскоп, в котором осуществлена силовая компенсация изменений зазора за счет дополнительных силовых электродов. За счет обратной связи при отклонении инерционной массы на электродах формируются управляющие воздействия, возвращающие ее в нейтральное положение.

Недостатком такой реализации является необходимость формирования дополнительных электродов, что приводит к усложнению конструкции датчика либо использованию значительной доли диапазона напряжения, которое допустимо формировать на электродах, для компенсации изменения зазора под действием различных факторов. Это влечет снижение диапазона измеряемых угловых скоростей.

Известен микромеханический гироскоп компенсационного типа, описанный в патенте РФ №2393428. Микромеханический гироскоп содержит инерционную массу, гребенчатый двигатель, образованный гребенками статоров и ротора, устройство измерения перемещений инерционной массы по оси первичных колебаний, устройство измерения перемещений инерционной массы по оси вторичных колебаний, имеющее два выхода, две пары электродов по оси вторичных колебаний, одна из которых является измерительной, другая - силовой, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между устройством измерения перемещений по оси первичных колебаний и электродами гребенчатого двигателя, последовательно включенные дифференцирующее звено и усилитель, включенные между первым выходом устройства измерения перемещений по оси вторичных колебаний и парой силовых электродов по оси вторичных колебаний, последовательно включенные фазовращатель, умножитель и фильтр низкой частоты, вход фазовращателя подключен к выходу устройства измерения перемещений по оси первичных колебаний, а второй вход умножителя соединен с выходом усилителя, устройство подавления квадратуры, один вход которого подключен к выходу устройства измерения перемещений по оси первичных колебаний, второй вход которого подключен к первому выходу устройства измерения перемещений по оси вторичных колебаний, выход соединен с парой силовых электродов по оси вторичных колебаний, усилитель с постоянным коэффициентом усиления, включенный между устройством измерения перемещений по оси первичных колебаний и парой силовых электродов по оси вторичных колебаний.

Устройство, описанное в патенте РФ №2393428, является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является отсутствие компенсации изменений межэлектродного зазора, что приводит к ошибкам измерения угла отклонения инерционной массы, изменению коэффициента передачи силовых электродов по оси вторичных колебаний и, как следствие, к появлению ошибки измерений в выходном сигнале гироскопа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности гироскопа за счет уменьшения влияния температуры и линейных воздействий.

Решение указанной задачи достигается тем, что в микромеханический гироскоп компенсационного типа между усилителем, соединенным с дифференцирующим звеном, и силовыми электродами по оси вторичных колебаний введено устройство с изменяемым коэффициентом передачи, второй вход которого соединен со вторым выходом устройства измерения перемещения по оси вторичных колебаний. Кроме того, решение указанной задачи достигается тем, что устройство с изменяемым коэффициентом передачи реализует следующую зависимость

где X, Y и Z - соответственно сигналы на первом и втором входах и выходе устройства с изменяемым коэффициентом передачи.

Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено заявленной совокупностью признаков.

Заявленное устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На фиг.2 приведена блок-схема устройства измерения перемещений.

На фиг.1 и 2 приняты следующие обозначения:

1 - чувствительный элемент (ЧЭ) микромеханического гироскопа;

2 - инерционная масса;

3 - измерительные электроды;

4 - силовые электроды;

5, 7 - устройство измерения перемещений;

6, 30 - фазовращатели;

8, - усилитель;

9 - дифференцирующее звено;

10 - устройство подавления квадратуры;

11 - умножитель;

12 - фильтр низких частот;

13 - усилитель с постоянным коэффициентом усиления;

14 - устройство с изменяемым коэффициентом передачи;

15 - устройство возбуждения первичных колебаний;

16, 17 - конденсаторы, образованные инерционной массой 2 и измерительными электродами;

18, 19, 26-28 - резисторы;

20, 21, 25 - операционные усилители;

22, 23 - трансрезистивные усилители;

24 - дифференциальный усилитель;

29 - суммирующее устройство;

31 - демодулятор;

32 - устройство с изменяемым коэффициентом передачи;

33 - выпрямитель;

34 - устройство возбуждения первичных колебаний.

Чувствительный элемент 1 состоит из инерционной массы 2, измерительных электродов по осям первичных и вторичных колебаний 3 и силовых электродов 4, которые вместе с инерционной массой 2 по оси первичных колебаний образуют гребенчатый двигатель. К измерительным электродам 3 подключены устройства измерения перемещений 5 и 7, преобразующие емкость в напряжение. К первому выходу емкостного датчика 7 по оси вторичных колебаний последовательно подключены дифференцирующее звено 9 и усилитель 13 и устройство с изменяемым коэффициентом передачи 14, первый вход устройства подавления квадратуры 10. Выход усилителя 13 соединен с силовыми электродами 4 ЧЭ 1. К выходу емкостного датчика 5 по оси первичных колебаний подключены фазовращатель 6, второй вход устройства подавления квадратуры 10 и усилитель с постоянным коэффициентом усиления 8. Выход устройства подавления квадратуры 10 и выход усилителя 8 соединены с силовыми электродами 4 ЧЭ 1. Второй вход умножителя 11 соединен с выходом фазовращателя 6 и выходом усилителя 13. Выход умножителя 11 соединен с входом фильтра низкой частоты 12.

Устройство работает следующим образом.

Под действием угловой скорости основания инерционная масса 2 стремится отклониться от нейтрального положения. В контуре обратной связи, образованном дифференцирующим звеном 9, усилителем 13 и устройством с изменяемым коэффициентом передачи 14, формируется сигнал управления, который возвращает инерционную массу в нейтральное положение.

Момент, формируемый парой силовых электродов, при дифференциальном управлении определяется по формуле

где ε - диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между электродами, S - площадь перекрытия между электродами, d - зазор между электродами, V₀ - постоянное напряжение смещения на электродах, ΔV - напряжение управления, V_1,2=V₀±ΔV.

Можно видеть, что изменение зазора d₀ при неизменном входном воздействии, приведет к такому изменению сигнала управления ΔV, чтобы значение компенсационного момента не изменилось. А это, в свою очередь, приведет к появлению ошибки на выходе ФНЧ 12.

Необходимым условием компенсации является обеспечение постоянства коэффициента передачи в обратной связи, общего коэффициента передачи последовательно соединенных устройства с изменяемым коэффициентом передачи 14 и силовых электродов 4. Для изменения коэффициента передачи устройства 14 используется дополнительный сигнал от устройства измерения перемещения 7. Блок-схема устройства измерения перемещения 7 приведена на Фиг.2

Принцип работы устройства измерения перемещений 7 известен из литературы и описан в патенте РФ №2289789. Для измерительных электродов 3 по оси вторичных колебаний, которые образуют с электродами инерционной массы 2 конденсаторы 16 и 17, имеющие плоско-параллельную структуру, выражения напряжений на выходах трансрезистивных усилителей 22, 23 (U22,U23) будут иметь следующий вид:

где U=Esin(ωt) - напряжение источника 34, ω - угловая частота напряжения, d₀ - зазор между электродами, Δd - приращения зазора относительно начального зазора d₀.

После суммирования этих сигналов напряжение на выходе сумматора 29 имеет вид:

Сигнал на выходе выпрямителя 33 (U33) пропорционален величине

С учетом выражений (1), (2) и (6) можно показать, что момент, формируемый парой силовых электродов, равен

Откуда коэффициент передачи в обратной связи равен

и не зависит от величины зазора между электродами d₀.

Устройство 14 может быть выполнено на основе аналоговых умножителей или с использованием цифровых процессоров. Суть изобретения не меняется при реализации отдельных элементов предложенного устройства на другой, кроме приводимой в качестве примера, элементной базе.

1. Микромеханический гироскоп компенсационного типа, содержащий инерционную массу, гребенчатый двигатель, образованный гребенками статоров и ротора, устройство измерения перемещений инерционной массы по оси первичных колебаний, устройство измерения перемещений инерционной массы по оси вторичных колебаний, имеющее два выхода, две пары электродов по оси вторичных колебаний, одна из которых является измерительной, другая - силовой, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между устройством измерения перемещений по оси первичных колебаний и электродами гребенчатого двигателя, последовательно включенные дифференцирующее звено и усилитель, включенные между первым выходом устройства измерения перемещений по оси вторичных колебаний и парой силовых электродов по оси вторичных колебаний, последовательно включенные фазовращатель, умножитель и фильтр низкой частоты, вход фазовращателя подключен к выходу устройства измерения перемещений по оси первичных колебаний, а второй вход умножителя соединен с выходом усилителя, устройство подавления квадратуры, один вход которого подключен к выходу устройства измерения перемещений по оси первичных колебаний, второй вход которого подключен к первому выходу устройства измерения перемещений по оси вторичных колебаний, выход соединен с парой силовых электродов по оси вторичных колебаний, усилитель с постоянным коэффициентом усиления, включенный между устройством измерения перемещений по оси первичных колебаний и парой силовых электродов по оси вторичных колебаний, отличающийся тем, что между усилителем, соединенным с дифференцирующим звеном и силовыми электродами по оси вторичных колебаний, введено устройство с изменяемым коэффициентом передачи, второй вход которого соединен со вторым выходом устройства измерения перемещения по оси вторичных колебаний.

2. Микромеханический гироскоп компенсационного типа по п.1, отличающийся тем, что устройство с изменяемым коэффициентом передачи реализует следующую зависимость
, где X, Y и Z - соответственно сигналы на первом и втором входах и выходе устройства с изменяемым коэффициентом передачи.