Микромеханический гироскоп

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания. Сущность изобретения заключается в том, что в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, вторым, третьим и четвертым цифроаналоговыми преобразователями. Технический результат – повышение быстродействия микромеханического гироскопа. 2 ил.

 

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Известен микромеханический гироскоп [RU №2279634, МПК G01C 19/56, опубл. 10.07.2006], с непрерывной стабилизацией первичных колебаний за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты, длительными переходными процессами и как следствие обладающий невысоким быстродействием. Термозависимые характеристики системы фазовой автоподстройки частоты уменьшают стабильность амплитуды, частоты первичных колебаний и, как следствие, стабильность масштабного коэффициента микромеханического гироскопа.

Из патента RU №2656119 [МПК G01C 19/56 опубл. 30.05.2018], известен микромеханический гироскоп (прототип) который содержит подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний. Система возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа содержит подвижные электроды двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенные в общей точке, к которой последовательно подключены преобразователь ток-напряжение, синхронный детектор, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, который соединен с первым, вторым и третьим цифро-аналоговыми преобразователями. Выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом синхронного детектора. Выход второго цифро-аналогового преобразователя через первый усилитель подключен к неподвижным электродам первого конденсатора гребенчатого двигателя. Выход третьего цифро-аналогового преобразователя подсоединен через второй усилитель к неподвижным электродам второго конденсатора гребенчатого двигателя.

К достоинствам прототипа следует отнести стабильность масштабного коэффициента, увеличенную за счет использования в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний синхронного детектирования синфазной и квадратурной составляющих в суммарном токе, протекающем через электроды гребенчатого двигателя, с последующим расчетом собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа. Существенным недостатком прототипа является двухтактная реализация возбуждения и стабилизации первичных колебаний, следствием чего является недостаточно высокое быстродействие и точность стабилизации частоты первичных колебаний.

Технической проблемой, которую решает данное изобретение, является повышение быстродействия микромеханического гироскопа.

Технический результат достигается тем что, в микромеханическом гироскопе, содержащем подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний, состоящую из подвижных электродов двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенных в общей точке, и последовательно подключенного к ним преобразователя ток-напряжение, а также синхронного детектора, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и усилителя, в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, и второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, со вторым, с третьим и с четвертым цифро-аналоговыми преобразователями, при этом выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом первого синхронного детектора, выход второго цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом второго синхронного детектора, выход третьего цифро-аналогового преобразователя соединен через первый усилитель с неподвижным электродом первого конденсатора гребенчатого двигателя, выход четвертого цифро-аналогового преобразователя соединен через второй усилитель с неподвижным электродом второго конденсатора гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.

Использование в микромеханическом гироскопе в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний двух ветвей: синхронный детектор - фильтр нижних частот - аналого-цифровой преобразователь для синхронного детектирования синфазной и квадратурной составляющих в суммарном токе, протекающем через электроды гребенчатого двигателя, с последующим расчетом собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа, позволяет за один такт измерений реализовать возбуждение и стабилизацию первичных колебаний, что увеличивает быстродействие работы микромеханического гироскопа в два раза.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На Фиг. 1 изображена конструкция микромеханического гироскопа. На Фиг. 2 представлена структурная схема системы возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит подвижную массу 1, выполненную в виде диска, который подвижен относительно основания 2. Подвижная масса 1 установлена на основании с помощью упругих элементов 3. Упругие элементы 3 жестко прикреплены одними концами к подвижной массе 1, а другими концами - к основанию 2. Упругие элементы 3 размещены в микромеханическом гироскопе с возможностью совершения угловых первичных колебаний подвижной массы 1 вокруг оси Z, перпендикулярной плоскости подвижной массы и вторичных колебаний подвижной массы вокруг осей X и Y в плоскости подвижной массы. На основании 2 с противоположных сторон закреплены неподвижные электроды 4, образующие с электродами, закрепленными на нижней поверхности подвижной массы 1, плоские конденсаторы, которые являются емкостными датчиками вторичных угловых колебаний подвижной массы 1 относительно основания 2. К выходу емкостного датчика подключена система съема выходной информации.

На подвижной массе 1 с двух противоположных сторон выполнены подвижные гребенчатые электроды 5, 6, образующие с неподвижными гребенчатыми электродами 7, 8 соответственно конденсаторы 9, 10 (Фиг. 2) электростатического гребенчатого двигателя.

Подвижные электроды 5, 6 конденсаторов 9, 10 гребенчатого двигателя соединены между собой в общей точке, к которой последовательно подключен преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН). Преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) последовательно через первый синхронный детектор 12 (СД1), первый фильтр нижних частот 13 (ФНЧ1), первый аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП1) соединен с микроконтроллером 15 (МК), так же преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) последовательно через второй синхронный детектор 16 (СД2), второй фильтр нижних частот 17 (ФНЧ2), второй аналого-цифровой преобразователь 18 (АЦП2) соединен с микроконтроллером 15 (МК). Микроконтроллер 15 (МК) соединен с первым цифро-аналоговым преобразователем 19 (ЦАП1), со вторым цифро-аналоговым преобразователем 20 (ЦАП2), с третьим цифро-аналоговым преобразователем 21 (ЦАП3) и с четвертым цифро-аналоговым преобразователем 22 (ЦАП4). Выход первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1) соединен со вторым входом первого синхронного детектора 12 (СД1). Выход второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2) соединен со вторым входом второго синхронного детектора 16 (СД2). Выход третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) подсоединен через первый усилитель 23 (У1) к неподвижным электродам 7 конденсатора 9 гребенчатого двигателя. Выход четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) подсоединен через второй усилитель 24 (У2) неподвижным электродам 8 конденсатора 10 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.

Преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) может быть выполнен по типовой схеме преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе. В качестве синхронных детекторов 12 (СД1) и 16 (СД2) могут использоваться любые аналоговые перемножители, например, AD734. Фильтры нижних частот 13 (ФНЧ1) и 17 (ФНЧ2) могут быть выполнены по схеме активного фильтра Бесселя нижних частот третьего порядка на частоту среза 0,1 Гц. В качестве аналого-цифровых преобразователей 14 (АЦП1) и 18 (АЦП2) могут быть использованы любые сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи. Может быть использован любой 32-битный микроконтроллер 15 (МК). В качестве цифро-аналоговых преобразователей 19 (ЦАП1), 20 (ЦАП2), 21 (ЦАП3) и 22 (ЦАП4) могут быть использованы любые 14-битный цифро-аналоговые преобразователи с частотой дискретизации не менее, чем в 100 раз больше частоты возбуждения первичных колебаний микромеханического гироскопа. Усилители 23 (У1) и 24 (У2) могут выполнены на любых операционных усилителях, например, ОР270.

Устройство работает следующим образом.

Микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1) по закону:

где Urm - амплитуда напряжения на выходе первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1), В; ω - частота напряжения, рад/с.

Одновременно микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2) по закону:

третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) по закону:

четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) по закону:

где Um - амплитуда напряжения, В; U0 - постоянное напряжение смещения, В.

Напряжение U1(t) с выхода третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) поступает на вход первого усилителя 23 (У1) и усиливается. Усиленное напряжение U1(t) с выхода первого усилителя 23(У1) поступает на конденсатор 9 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа. На конденсатор 10 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа поступает напряжение с выхода четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4), усиленное вторым усилителем 24 (У2). В результате, через конденсаторы 9, 10 гребенчатого двигателя начинает протекать ток, который поступает на вход преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) и преобразуется в пропорциональное напряжение. Напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) поступает на первый вход первого синхронного детектора 12 (СД1), на второй вход которого поступает напряжение с первого цифро-аналогового преобразователя 9 (ЦАП1). Напряжение с выхода синхронного детектора 12 (СД) фильтруется первым фильтром нижних частот 13 (ФНЧ1) и оцифровывается первым аналого-цифровым преобразователем 14 (АЦП1). Оцифрованное напряжение Up, пропорциональное синфазной составляющей суммарного тока, протекающего через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, передается и запоминается в микроконтроллере 15 (МК).

Параллельно напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) поступает на первый вход второго синхронного детектора 16 (СД2), на второй вход которого поступает напряжение со второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2). Напряжение с выхода второго синхронного детектора 16 (СД2) фильтруется вторым фильтром нижних частот 17 (ФНЧ2) и оцифровывается вторым аналого-цифровым преобразователем 18 (АЦП2). Оцифрованное напряжение Uq, пропорциональное квадратурной составляющей суммарного тока, протекающего через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, передается и запоминается в микроконтроллере 15 (МК).

Микроконтроллер 15 (МК) рассчитывает фазовый сдвиг ϕ в суммарном токе, протекающем через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, по формуле:

где U1 - напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение, В; Е - значение деноминатора, В; Т - время интегрирования, с.

Если фазовый сдвиг не равен 90°, что соответствует максимальной амплитуде первичных колебаний микромеханического гироскопа, то микроконтроллер 15 (МК) рассчитывает собственную резонансную частоту сор первичных колебаний микромеханического гироскопа по формуле:

где Q - значение добротности канала первичных колебаний микромеханического гироскопа.

Затем микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс изменяет значение частоты со на выходе третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) и четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) на рассчитанное значение собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа.

Таким образом, за один такт измерений происходит возбуждение и стабилизация первичных колебаний микромеханического гироскопа вокруг оси Z.

При возникновении вращения (угловой скорости) основания 2 вокруг осей X и Y возникают силы Кориолиса, под действием которых подвижная масса 1 начинает совершать вторичные угловые колебания вокруг осей X и Y. Амплитуды этих колебаний, пропорциональные измеряемым угловым скоростям, преобразуются в электрические сигналы при помощи емкостных датчиков, образованных неподвижными пластинами 4, закрепленными на основании 2 и подвижными пластинами, закрепленными на нижней поверхности подвижной массы 1.

Микромеханический гироскоп, содержащий подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний, состоящую из подвижных электродов двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенных в общей точке, последовательно подключенного к ним преобразователя ток-напряжение, а также синхронного детектора, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и усилителя, отличающийся тем, что в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, вторым, третьим и четвертым цифроаналоговыми преобразователями, при этом выход первого цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом первого синхронного детектора, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом второго синхронного детектора, выход третьего цифроаналогового преобразователя соединен через первый усилитель с неподвижным электродом первого конденсатора гребенчатого двигателя, выход четвертого цифроаналогового преобразователя соединен через второй усилитель с неподвижным электродом второго конденсатора гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Группа изобретений относится к точному приборостроению и может быть использована для обследования нефтяных и газовых скважин. Сущность изобретений заключается в том, что осуществляют формирование управляющего воздействия на гироскоп по стабилизированной оси, компенсирующее дрейф одноосного гиростабилизатора, формирование управляющего воздействия на гироскоп по стабилизированной оси для сохранения положения вектора кинетического момента в плоскости горизонта с последующим определением углов поворота.

Изобретение относится к области навигационной техники и касается устройства для ориентирования подвижных объектов. Устройство для ориентирования подвижных объектов содержит замкнутый неметаллический корпус, в котором размещено симметричное твердое тело без точки подвеса, помещенное в объем, заполненный воздухом, с возможностью одновременно совершать перемещения вдоль вертикали места и в направлении Восток-Запад.

Система управления объектом в пространстве содержит не менее двух устройств управления и стабилизации объекта в пространстве. Устройство управления и стабилизации объекта в пространстве содержит два вращающихся элемента с одинаковыми массовыми моментами инерции и вращающимися в разные стороны и устройство их крепления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейной скорости на поверхности или внутри движущихся макрообъектов.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может найти применение в системах автоматического управления, например, летательными аппаратами.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем для высокоскоростного маневренного объекта.

Изобретение относится к фиксируемому карданову подвесу. Фиксируемый карданов подвес содержит первый объект, выполненный с возможностью поворота вокруг первой оси поворота, второй объект, выполненный с возможностью движения вдоль дуги с центром во второй оси, фиксирующий элемент и фиксирующую структуру.

Изобретение относится к области волоконной оптики и касается способа повышения стабильности масштабного коэффициента волоконно-оптического гироскопа. Гироскоп включает в себя интегрально-оптический фазовый модулятор, фотоприемник, усилитель тока фотоприемника, аналого-цифровые преобразователи, программируемую логическую интегральную схему и операционный усилитель.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем для высокоскоростного маневренного объекта.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в вибрационных кориолисовых гироскопических датчиках угловой скорости. Способ заключается в одновременном возбуждении автоколебаний первой и второй (ортогональной) мод, причем фаза возбуждающих сил при линейных колебаниях или моментов при угловых колебаниях соответствует фазе сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой моде и во второй (ортогональной) моде, а выходной сигнал формируется так, чтобы он был пропорционален разности амплитуд возбуждающих сил или моментов, отличающийся тем, что стабилизируют амплитуду составляющей скорости колебаний, которую выделяют путем фазочувствительного выпрямления с использованием фазы сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой и во второй (ортогональной) моде.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в вибрационных кориолисовых гироскопических датчиках угловой скорости. Способ заключается в одновременном возбуждении автоколебаний первой и второй (ортогональной) мод, причем фаза возбуждающих сил при линейных колебаниях или моментов при угловых колебаниях соответствует фазе сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой моде и во второй (ортогональной) моде, а выходной сигнал формируется так, чтобы он был пропорционален разности амплитуд возбуждающих сил или моментов, отличающийся тем, что стабилизируют амплитуду составляющей скорости колебаний, которую выделяют путем фазочувствительного выпрямления с использованием фазы сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой и во второй (ортогональной) моде.
Изобретение относится к кориолисовым вибрационным гироскопам (КВГ). Сущность изобретения заключается в том, что непрерывный съем навигационной информации с КВГ осуществляется путем приложения к резонатору через торсионы компенсирующего момента сил для обеспечения работы КВГ в заторможенном режиме и без отключения режима возбуждения резонатора.
Изобретение относится к кориолисовым вибрационным гироскопам (КВГ). Сущность изобретения заключается в том, что способ компенсации погрешности от углового ускорения основания для кориолисова вибрационного гироскопа с непрерывным съемом навигационной информации содержит этапы, на которых для непрерывного съема навигационной информации вибрирующая оболочка резонатора по узловым линиям колебаний и с помощью торсионов крепится к основанию, на котором установлены средства возбуждения колебаний резонатора, непрерывно взаимодействующие с резонатором, и средства детектирования, непрерывно взаимодействующие с торсионами, для обнаружения осевого момента инерционных сил, действующих на резонатор, и приложения через торсионы компенсирующего момента сил, противоположного моменту инерционных сил, действующих на резонатор, а для компенсации погрешности от углового ускорения основания соосно (параллельно) с резонатором кориолисова вибрационного гироскопа расположен специализированный измеритель углового ускорения поворота основания, инерционная масса которого выполнена в виде точной копии оболочки резонатора и крепится такими же, как у резонатора, торсионами к основанию, на котором установлены средства детектирования, взаимодействующие с торсионами специализированного измерителя углового ускорения.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания. Сущность изобретения заключается в том, что в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, вторым, третьим и четвертым цифроаналоговыми преобразователями. Технический результат – повышение быстродействия микромеханического гироскопа. 2 ил.

Наверх