Двухканальное устройство измерения перемещений подвижного проводящего тела

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в микромеханических гироскопах. Технический результат - упрощение конструкции и технологии изготовления микромеханических гироскопов вибрационного типа. Для достижения данного результата выходы каждого источника возбуждения соединены с неподвижными электродами соответствующего канала. При этом между инвертирующим входом усилителя каждого канала и проводящим телом введен конденсатор. Частоты напряжений источников возбуждения различаются не менее чем на удвоенную полосу пропускания каждого из каналов. 6 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к устройствам для измерения перемещения подвижного проводящего тела или подвижной массы (например, ротора микромеханического гироскопа с датчиками перемещения емкостного типа) и может использоваться в многоканальных микромеханических системах.

В настоящее время разработаны и широко используются микромеханические гироскопы вибрационного типа. Они включают в себя подвижную массу (ПМ), систему измерения перемещений (ПМ) по двум осям, систему возбуждения колебаний на резонансной частоте подвеса (Fрез) по одной оси, которые иногда называют первичными. При действии кориолисового ускорения по другой оси (ортогональной к первой) возникают колебания ПМ, называемые вторичными [Распопов В.Я. Микромеханические приборы, Тул. Гос. Университет. Тула, 2002, 392 с]. По осям движения ПМ располагают неподвижные электроды (или статоры). Эти статоры с проводящей ПМ образуют конденсаторы, емкости которых зависят от положения ПМ.

Известны микромеханические гироскопы с различными схемами измерения перемещения ПМ (одной или нескольких) или ротора, построенных на основе преобразователей емкость - напряжение. Один из примеров реализации преобразователя емкость - напряжение приведен в книге Распопова на рис.6.31.

В гироскопе ADXRS150 на ПМ подается постоянное напряжение, а статоры оси первичных колебаний подключены ко входам усилителя тока, статоры оси вторичных колебаний подключены ко входам усилителя заряда [J.А. Geen et al. Single-chip surface - micromachined Integrated Gyroscope with 50/hour root Allan Variance IEEE Journal of Solid-State Circuits, v.37, №12, December 2002, pp. 1860-1868, fig.2].

В гироскопе, описанном в патенте США №5672949, используются по одному зарядовому усилителю, каждый из которых подключен к статорам, расположенным по разным осям, при этом между ПМ и статорами действует постоянное напряжение.

Варианты построения преобразователей емкость - напряжение приведены в патенте США №6253612, fig 3. Эти преобразователи могут быть построены с напряжением возбуждения постоянного или переменного (частоты f) тока, на усилителе с одним входом, усилителях с двумя входами или двух усилителях. Отметим здесь, что схемы с возбуждением на постоянном токе проще, однако имеют значительно меньший коэффициент преобразования емкости в напряжение, чем схемы с возбуждением на переменном токе. Он меньше в f/Fрез (f - частота напряжения возбуждения, Fрез - резонансная частота подвеса ПМ) раз. При типичных значениях Fрез=10 кГц и f=0,1-1 МГц получаем различие на 1-2 порядка. Однако и схемы с возбуждением на переменном напряжении имеют значительный недостаток, если используются два усилителя в одном канале. В этом случае требование к стабильности коэффициента усиления и вносимому фазовому сдвигу значительно выше, чем для схем, в которых электроды подключены к одному (как правило инвертирующему) входу усилителя (см. патент США №6253612; fig 3b). Пример электронной части микромеханического гироскопа со схемами преобразования, выполненными на одном инвертирующем усилителе, приведен в патенте США №6253612, fig 8. Здесь к электродам каждого канала подключен инвертирующий вход дифференциального усилителя, охваченного отрицательной обратной связью по выходному напряжению. При таком включении дифференциального усилителя вносимые им фазовый сдвиг, его нестабильность могут влиять только на коэффициент передачи преобразователя емкость - напряжение, но не вносят смещение нуля. Допустимой оказывается нестабильность фазового сдвига на уровне 0,5°, при которой нестабильность коэффициента передачи преобразователя емкость - напряжение не превосходит 1%. Однако включение двух таких схем в случае наличие гальванической связи между ними недопустимо, т.к. входы двух дифференциальных усилителей окажутся соединенными. Для исключения электрических связей между входами дифференциальных усилителей разных каналов в микромеханическом гироскопе вводятся специально изолирующие канавки (как это показано в патенте США №6253612, fig 9), что, конечно, усложняет изготовление датчика. Однако это позволяет исключить гальванические связи между разными каналами измерения и управления в гироскопе [см. патент США №6253612, fig 13] и применить более точные преобразователи емкость - напряжение.

Можно отметить, что разрешающая способность серийно выпускаемых таких преобразователей очень высокая, например у микросхемы ХЕ2004 фирмы Xemics (www.xemics.com) эта величина составляет 0.25*10^-18 Ф/√ (Hz), а для микросхемы MS3110 фирмы MicroSensors (www. microsensors.com) эта величина равна 4*10^-18 Ф/√ (Hz).

Поэтому целесообразно применение именно этого типа преобразователей в качестве устройства измерения перемещений ПМ в ММГ, однако в описании микросхемы ХЕ2004 есть указание о невозможности ее использования при отсутствии гальванической развязки между входами.

За прототип принято двухканальное устройство измерения перемещений ПМ микромеханического гироскопа, описанного в патенте США №6253612, которое включает в себя емкостные датчики перемещения, образованные подвижным проводящим телом и неподвижными электродами, инвертирующий усилитель и источник возбуждения с противофазными выходами в каждом канале, при этом выходы каждого источника возбуждения соединены с неподвижными электродами соответствующего канала.

Недостатком прототипа является сложность технологии изготовления и конструкции, т.к. возможность работы двух преобразователей емкость - напряжение, выполненных на инвертирующих операционных усилителях, обеспечена в нем за счет усложнения конструкции ММГ: за счет введения изолирующих канавок.

Задачей изобретения является снижение стоимости, упрощение конструкции и технологии изготовления микромеханического гироскопа вибрационного типа или микромеханических устройств другого типа, для работы которых необходимы двух- или многоканальные устройства измерения перемещений подвижного проводящего тела.

Поставленная задача решается тем, что в двухканальное устройство измерения перемещений подвижного проводящего тела с емкостными датчиками перемещения, образованными подвижным проводящим телом и неподвижными электродами, содержащее в каждом канале инвертирующий усилитель, источник возбуждения с противофазными выходами, при этом выходы каждого источника возбуждения соединены с неподвижными электродами соответствующего канала, в него между инвертирующим входом усилителя каждого канала и проводящим телом введен конденсатор, при этом частоты напряжений источников возбуждения различаются не менее чем на удвоенную полосу пропускания каждого из каналов.

По существу в предлагаемом устройстве предложено за счет введения конденсаторов обеспечить гальваническую развязку входов инвертирующих усилителей, а за счет применения разных частот источников возбуждения осуществлять частотное разделение сигналов двух каналов.

Заявляемое устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор)

2 - основание,

3 - группа электродов, расположенных в плоскости вторичных колебаний на основании 2,

4 - группа электродов, расположенных в плоскости первичных колебаний,

На фиг.2 приведен вариант выполнения группы электродов 4.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор с гребенками).

5 - группа статоров, расположенных в плоскости первичных колебаний.

6 - торсионы подвеса ПМ1,

7 - опора, закрепленная на основании 2.

На фиг.3 приведена эквивалентная электрическая схема, образованная группой электродов 4, ПМ1 и группой статоров 5.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

8 - проводник электрического тока, в виде которого изображен проводящий ротор (ПМ1),

9 - один из электродов группы 3,

10 - второй из электродов группы 3,

11, 12 - электроды, образованные парой рядом расположенных статоров группы 5,

13, 14 - электроды, образованные другой парой рядом расположенных статоров группы 5.

На фиг.4 показана упрощенная схема двухканального преобразователя емкость - напряжение.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:

8 - проводник электрического тока,

15 - конденсатор, образованный электродом 9 и ПМ1,

16 - конденсатор, образованный электродом 10 и ПМ1,

17 - конденсатор, образованный электродом 13 и ПМ1,

18 - конденсатор, образованный электродом 14 и ПМ1,

19 - источник постоянного напряжения,

20, 21 - соответственно первый и второй инвертирующие усилители,

22 - элемент обратной связи, включенный между выходом усилителя 20 и его инвертирующим входом,

23 - элемент обратной связи, включенный между выходом усилителя 21 и его инвертирующим входом,

24, 25 - источники переменного напряжения одинаковой частоты с противофазными выходами,

26, 27 - источники переменного напряжения одинаковой частоты с противофазными выходами,

28 - конденсатор, подключенный к инвертирующему входу усилителя 20,

29 - конденсатор, подключенный к инвертирующему входу усилителя 21.

На фиг.5 приведены экспериментально полученные напряжения на выходе двух интегральных микросхем (ИС) MS3110, включенных по схеме аналогичной на фиг.4 при изменении емкости конденсаторов в одном из каналов.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

Uout1 и Uout2 - напряжения на выходе первой и второй ИС соответственно.

На фиг.6 приведены экспериментально полученные спектры напряжений на выходе двух микросхем MS3110, включенных по схеме аналогичной на фиг.4 при подключении этих микросхем к ММГ.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:

Uout1 и Uout2 - напряжения на выходе первой и второй ИС соответственно, полученные после возбуждении колебаний из-за удара по ММГ в канале первичных колебаний (или в канале драйва) и выходном канале ММГ.

Предлагаемое устройство в составе ММГ работает следующим образом.

Микромеханический гироскоп вибрационного типа в простейшем случае представляет собой ПМ 1 (на фиг.1 показан диск), подвешенную над основанием 2, под диском на основании сформирована группа электродов 3. ПМ 1 с помощью группы электродов 4 за счет действия электростатических сил начинает колебаться на резонансной частоте подвеса. Колебания происходят в плоскости, параллельной основанию 2. При вращении основания вокруг оси чувствительности гироскопа ПМ 1 совершает колебательные движения вокруг оси, ортогональной к первым двум осям, приближаясь и удаляясь поочередно от электродов группы 3.

Вариант выполнения группы электродов 4, необходимой для возбуждения первичных колебаний, показан на фиг.2. Несколько однотипных статоров группы статоров 5 с гребенками размещены на основании (через изолирующий слой). На ПМ 1 также имеются гребенки. ПМ 1 на торсионах 6 подвешена на опоре 7, установленной на основании 2. ПМ 1 является проводником и от нее сделан вывод для подключения электрических цепей. Более подробное описание конструкции на фиг.2 можно найти в патенте США №5025346.

На фиг.3 приведена эквивалентная электрическая схема электродной структуры. Проводящая ПМ1, показанная на фиг.4 как проводник, вместе с электродами 9-14 образует конденсаторы, емкость которых изменяется в зависимости от перемещений ПМ1 в двух ортогональных направлениях, которые на фиг.3 условно обозначены Δх и Δу. При подаче переменного напряжения на электроды 11, 12 ПМ1 совершает перемещения Δx (колебания), которые могут быть измерены путем измерения изменений емкости конденсаторов, образованных ПМ1 и электродами 13 и 14. Аналогично перемещения Δу могут быть измерены путем измерения изменений емкости конденсаторов, образованных ПМ1 и электродами 9, 10.

Предлагаемый двухканальный преобразователя емкость - напряжение (см. фиг.4) включает в себя первый емкостный датчик, состоящий из конденсаторов 15, 16, и второй емкостный датчик, состоящий из конденсаторов 17, 18, инвертирующие усилители 20, 21 с соответственно элементами обратной связи 22, 23, включенными между инвертирующими входами усилителей и выходами, источник питания 19, подключенный к соответствующим выводам усилителей 20, 21, две пары источников переменного напряжения 24, 25 и 26, 27, включенные соответственно между выводами элементов 15-18 и общим выводом источника 19, и конденсаторы 28, 29, выводы которых соединены с ПМ1. Частоты напряжений источников 24, 25 отличаются от частот напряжений источников 26, 27.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении ПМ1 по оси х емкости конденсаторов 15, 16 изменяются дифференциально. При разных величинах емкостей конденсаторов 15, 16 и одинаковой величине напряжений источников 24, 25 через них протекают разные по величине токи. Часть разностного тока поступает на входы усилителей 20, 21 и преобразуется в напряжение. Аналогично при перемещениях ПМ1 по оси у разность токов, протекающих через конденсаторы 17, 18, преобразуется в выходные напряжения усилителей 20, 21. Выходные напряжения усилителей, обусловленные перемещениями ПМ1 по разным осям, различаются по частоте. При выборе разности частот источников напряжения 24, 25 и 26, 27 больше, чем удвоенная частота возможных колебаний ПМ1, спектры напряжений, обусловленных перемещениями ПМ1 по разным осям, не пересекаются и поэтому могут быть разделены известными средствами, например синхронными детекторами или полосовыми фильтрами и последующей демодуляцией. Отметим, что серийно выпускаемые одноканальные преобразователи емкость - напряжение содержат в своем составе синхронный детектор, с помощью которого в них осуществляется преобразование сигнала на несущей в сигнал постоянного тока и подавление высокочастотных сигналов, частота которых отличается от несущей частоты. При значениях емкостей 15-18, 28, 29 равными или близкими к друг другу величина тока, поступающего на входы усилителей 20, 21, ниже примерно в 6 раз, чем в прототипе, что может привести и к соответствующему уменьшению разрешающей способности преобразователя емкость - напряжение. Однако и в этом случае она остается достаточно высокой.

Из приведенных на фиг.5 графиках видно, что изменение емкости в одном из каналов не вызывает изменение постоянной составляющей напряжения в другом канале. Это обусловлено тем, что несущая частота в одной из ИС установлена 120 кГц, а во второй - 100 кГц. Соответственно и синхронное детектирование в каждой из микросхем обеспечивает подавление сигналов, частота которых отличается от установленной несущей. Таким образом, экспериментально показана работоспособность предложенного устройства в статическом режиме.

Из приведенных на фиг.6 графиков, полученных экспериментально, видны спектры сигнала на резонансной частоте первичных колебаний (или в канале драйва, фиг.6а) и две составляющие на резонансной частоте драйва (так называемая квадратурная помеха) и на резонансной частоте подвеса ПМ1 канала вторичных колебаний (или выходного канала ММГ). Полученные графики подтверждают возможность работы предложенного устройства и в динамическом режиме.

Двухканальное устройство измерения перемещений подвижного проводящего тела с емкостными датчиками перемещения, образованными подвижным проводящим телом и неподвижными электродами, содержащее в каждом канале инвертирующий усилитель, источник возбуждения с противофазными выходами, при этом выходы каждого источника возбуждения соединены с неподвижными электродами соответствующего канала, отличающаяся тем, что в него между инвертирующим входом усилителя каждого канала и проводящим телом введен конденсатор, при этом частоты напряжений источников возбуждения различаются не менее чем на удвоенную полосу пропускания каждого из каналов.