Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний

Изобретение относится к емкостным датчикам положения и перемещения, в частности к датчикам, используемым в микромеханических гироскопам вибрационного типа. Устройство содержит дифференциальный емкостной датчик, имеющий гребенчатую структуру, два трансрезистивных усилителя, входы которых соединены с выходами дифференциального емкостного датчика, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходами трансрезистивных усилителей, генератор переменного напряжения, выход которого соединен с подвижной массой, демодулятор, первый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а второй - через устройство сдвига фазы с генератором переменного напряжения, суммирующее устройство, устройство с изменяемым коэффициентом передачи, а также выпрямитель, вход которого соединен с выходом устройства суммирования, при этом входы устройства суммирования соединены с выходами трансрезистивных усилителей, а выход выпрямителя с входом для изменения коэффициента передачи устройства с изменяемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с выходом демодулятора. В устройстве осуществляется нормирование выходного сигнала измерителя разности токов, протекающих через электроды, сигналом, пропорциональным сумме токов через эти электроды, что уменьшает зависимость выходного сигнала устройства измерения перемещений подвижной массы от зазора между гребенками емкостного датчика. Техническим результатом является упрощение конструкции и технологии изготовления микромеханического гироскопа вибрационного типа. 1 з.п. ф-лы, 2 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.

Известно устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний или драйва (drive axis), содержащее источник переменного напряжения с противофазными выходами, емкостной дифференциальный датчик, расположенный по оси первичных колебаний и имеющий гребенчатую структуру, при этом подвижным электродом датчика является ПМ, а неподвижные электроды датчика образованы статорами, расположенными на основании на оси первичных колебаний, усилитель, охваченный отрицательной обратной связью, инвертирующий вход которого соединен с ПМ [Пат. США 6626039, fig 8, элементы 51, 52, 58, С_d1 С_2d,R_f, C_f].

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

По сути своей работы усилитель 58, между выходом и инвертирующим входом которого включен резистор, представляет собой так называемый в англоязычной литературе трансрезистивный усилитель (transresistance amplifier), описанный, в частности, 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.

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

где U=ESin(ωt) - напряжение источника 51, ω - угловая частота напряжения.

Емкости конденсаторов дифференциального емкостного датчика с гребенчатой структурой могут быть представлены выражениями:

где C_d1, C_2d - емкости конденсаторов дифференциального емкостного датчика, В - высота зубца гребенки, ε - диэлектрическая проницаемость среды в зазоре между электродами, L₀ - начальное перекрытие между зубцами гребенок статора и ротора, ΔL - величина смещения ПМ по оси первичных колебаний от начального положения ПМ по этой оси, x₀ - зазор между зубцами гребенок статора и ПМ.

Из выражений (1-3) можно получить следующее выражение:

Т.е. измеренная разность токов пропорциональна перемещению ПМ (ΔL) и обратно пропорциональна величине х₀, которая может изменяться от партии к партии и от образца к образцу, т.е. коэффициент передачи между величинами ΔL и измеряемой величиной ΔI зависит от величины зазора х₀.

Из-за технологических погрешностей изготовления величина может иметь значительный разброс х₀, что приводит к необходимости индивидуальной подстройки коэффициента передачи устройства измерения перемещения ПМ в каждом датчике.

Проблемы, обусловленные зависимостью ΔI от х₀, изложены подробно в пат. США №6765305. Устройство измерения перемещения ПМ по этому патенту принято в качестве прототипа.

Это устройство содержит дифференциальный емкостной датчик 101 (Пат. США №6765305, fig 1) с двумя конденсаторами 102, 103, к объединенным выводам которых подключен источник переменного напряжения 105. Другие выводы конденсаторов соединены с выходами преобразователей емкость - напряжение 112, 114. Выходные сигналы преобразователей 112, 114 суммируются в устройстве 120, преобразуются ПИ - регулятором 119, выходной сигнал которого используется для изменения коэффициента передачи усилителя 121, усиливающего разность выходных сигналов преобразователей 112,114. Выходной сигнал регулятора 119 модулируется с частотой источника 105. Этот сигнал через конденсаторы одинаковой емкости С_i поступает на входы преобразователей 112, 114.

Из описания устройства-прототипа можно сделать вывод, что уменьшение зависимости выходного сигнала устройства измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний от зазора между зубцами гребенок емкостного датчика достигается за счет того, что 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 и скомпенсировать изменение масштабного коэффициента в канале драйва, обеспечив тем самым постоянную величину амплитуды первичных колебаний.

Можно показать, что введение этой обратной связи по сумме сигналов через элементы С_i (при достаточно глубокой связи или большом контурном усилении) исключает зависимость от х_о. Однако эта же связь приводит к возникновению зависимости ΔI от С_i.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

- в нем взамен нестабильности коэффициента передачи, обусловленной зазором, появляется нестабильность этого коэффициента, обусловленная нестабильностью емкостей обратной связи 116, 117. Отметим, что формирование стабильных емкостей малой емкости и в малых габаритах сопряжено с технологическими трудностями;

- устройство-прототип значительно сложнее устройства-аналога по Пат. США №6626039.

Это можно обосновать следующим.

У преобразователей емкость - напряжение 112, 114 входной сигнал - сигнал переменного тока, а выходной сигнал - на постоянном. Поэтому в их составе должен быть демодулятор. Демодуляция является нелинейной операцией, выполнение которой может быть значительно сложнее, чем линейной при одинаковых требованиях по точности. Поэтому выделение разности сигналов после выполнения демодуляции может вносить большую погрешность.

В состав прототипа входят такие дополнительные устройства, как сумматор 120, регулятор 119, модуляторы 118 и 111, устройство с изменяемым коэффициентом передачи 121, которые отсутствуют в аналоге.

Задачей изобретения является уменьшение сложности конструкции и повышение точности (за счет уменьшения влияния на коэффициент передачи величины зазора х₀) устройства измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний.

Поставленная задача решается тем, что в устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний, содержащее дифференциальный емкостной датчик, имеющий гребенчатую структуру, первый и второй усилители, входы которых соединены с выходами дифференциального емкостного датчика, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, генератор переменного напряжения, выход которого соединен с подвижной массой, демодулятор, первый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а второй через устройство сдвига фазы соединен с генератором переменного напряжения, суммирующее устройство и устройство с изменяемым коэффициентом передачи, в него введен выпрямитель, вход которого соединен с выходом суммирующего устройства, при этом входы суммирующего устройства соединены с выходами первого и второго усилителей, а выход выпрямителя - с входом для изменения коэффициента передачи устройства с изменяемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с выходом демодулятора, при этом первый и второй усилители выполнены как трансрезистивные.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что трансрезистивный усилитель выполнен на операционном усилителе с резистором, включенным между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя, неивертирующий вход которого соединен с общим проводом источника питания операционного усилителя.

Основное преимущество предлагаемого устройства обусловлено тем, что в нем вместо суммирования, введения обратной связи по сумме сигналов, выделения сигнала обратной связи и деления выполняются только операции суммирования и деления, благодаря чему в нем исключены элементы, ухудшающие точность преобразования перемещения ПМ в электрический сигнал.

Заявленная совокупность признаков позволяет упростить конструкцию устройства, уменьшить его сложность, повысить точность, надежность и снизить стоимость.

Заявленное устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен подвес ПМ с дифференциальным емкостным датчиком на оси первичных колебаний.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ на двухосном торсионном подвесе,

2, 3 - статоры дифференциального емкостного датчика на оси первичных колебаний.

На фиг.2 приведена блок-схема устройства измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

4 - генератор переменного напряжения,

5, 6 - конденсаторы, образованные ПМ1 и статорами 2, 3 соответственно,

7, 8 - трансрезистивные усилители,

9, 10, 18 - операционные усилители,

10, 12, 19-21 - резисторы,

13 - дифференциальный усилитель,

14 - демодулятор,

15 - фазосдвигающее устройство,

16 - устройство с изменяемым коэффициентом передачи,

17 - суммирующее устройство,

22 - выпрямитель.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При перемещениях ПМ1 по оси первичных колебаний в ММГ влево перекрытие между зубцами статора 2 и зубцами гребенки, расположенными на ПМ1 слева, уменьшается, а перекрытие между зубцами статора 3 и зубцами гребенки, расположенными на ПМ1 справа, увеличивается. Соответственно, первая емкость увеличивается, а вторая уменьшается. При перемещениях ПМ1 в другую сторону соответственно емкость между электродами, образованными ПМ1 и статором 2, уменьшается, емкость между электродами, образованными ПМ1 и статором 3, увеличивается.

В предложенном устройстве (фиг.2) генератор переменного напряжения 4 соединен с объединенными выводами конденсаторов 5, 6. Этот общий вывод является выводом от ПМ1. Другие выводы конденсаторов 5, 6 соединены соответственно с входами трансрезистивных усилителей 7, 8, которые выполнены на операционных усилителях 9, 10 соответственно с резисторами 11, 12, включенными между выходами и инвертирующими входами этих операционных усилителей. Выходы трансрезистивных усилителей 7, 8 соединены с входами дифференциального усилителя 13 и через резисторы 19, 20 - с инвертирующим входом операционного усилителя 18, который с резистором 21 между выходом и инвертирующим входом и резисторами 19, 20 образует суммирующее устройство 17. Выход дифференциального усилителя 13 соединен с входом демодулятора 14, другой вход которого через фазосдвигающее устройство 15 соединен с генератором переменного напряжения 4. Выход демодулятора 14 соединен с входом устройства с изменяемым коэффициентом передачи 16, вход для изменения коэффициента передачи которого соединен с выходом выпрямителя 22. Вход выпрямителя 22 соединен с выходом суммирующего устройства 17.

Устройство на фиг.2 работает следующим образом. Обозначая емкости конденсаторов 5, 6 соответственно С_d1 C_2d и полагая, что сопротивления резисторов 10, 12, 19-21 одинаковы и равны R, можно для выходного сигнала усилителя 13 (U₁₃) получить выражение (аналогичное выражению (4) после преобразований выражений (1)-(3),)

Для выходных сигналов трансрезистивных усилителей 7, 8 (U₇, U₈) можно получить (при тех же обозначениях, что и при выводе выражений (1)-(4)), выражения:

После суммирования этих сигналов напряжение на выходе усилителя 18 (U₁₈) имеет вид:

Сигнал на выходе выпрямителя 22 (U₂₂) пропорционален величине

Сигнал на выходе демодулятора 14 (U₁₄) пропорционален величине

Отметим, что демодулятор 14 может быть выполнен на последовательно соединенных аналоговом умножителе и фильтре низкой частоты, с помощью которых выделяется низкочастотная составляющая произведения входных сигналов демодулятора 14, т.е. величина, пропорциональная

Устройство с изменяемым коэффициентом передачи 16 может быть выполнено на основе аналогового умножителя, включенного по схеме делителя (см. Шейнголд Д. Справочник по нелинейным схемам. М.: Мир, 1977 г. Стр.281-337, фиг.3.3.10). В этом случае коэффициент передачи обратно пропорционален сигналу на его входе, соединенном с выходом выпрямителя 22.

С учетом выражений (8), (9) можно показать, что сигнал на выходе устройства с изменяемым коэффициентом передачи 16 (U₁₆) не зависит от величины x₀:

где k - постоянный коэффициент.

Таким образом, как и в прототипе, в предложенном устройстве выходной сигнал не зависит от величины зазора между зубцами гребенок и определяется только перемещениями ПМ1 и стабильными параметрами емкостного датчика и электрической схемы. Отметим, что размер L₀ может быть выдержан со значительно меньшей относительной погрешностью, чем х₀.

Однако в отличие от прототипа в предложенном устройстве отсутствуют дополнительные модуляторы и демодуляторы, которые могут вызывать значительные искажения сигналов (эти искажения могут усиливаться, т.к. в прототипе вычитаются преобразованные демодуляторами преобразователей емкость - напряжение близкие по величине сигналы), регуляторы и прецизионные конденсаторы. Коэффициент передачи в предложенном устройстве зависит от сопротивлений резисторов, которые могут быть значительно стабильней емкостей конденсаторов. Это позволяет утверждать, что в предложенном устройстве достигается более высокая точность.

Дополнительно можно отметить, что суть изобретения не меняется при реализации отдельных элементов предложенного устройства на другой, кроме приводимой в качестве примера, элементной базе, например, с использованием цифровых процессоров, программируемых аналоговых схем (Field Programmable Analog Arrays - FPAA) и т.д.

1. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний, содержащее дифференциальный емкостной датчик, имеющий гребенчатую структуру, первый и второй усилители, входы которых соединены с выходами дифференциального емкостного датчика, дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходами первого и второго усилителей, генератор переменного напряжения, выход которого соединен с подвижной массой, демодулятор, первый вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а второй - через устройство сдвига фазы соединен с генератором переменного напряжения, суммирующее устройство и устройство с изменяемым коэффициентом передачи, отличающееся тем, что в него введен выпрямитель, вход которого соединен с выходом суммирующего устройства, при этом входы суммирующего устройства соединены с выходами первого и второго усилителей, а выход выпрямителя - с входом для изменения коэффициента передачи устройства с изменяемым коэффициентом передачи, вход которого соединен с выходом демодулятора, при этом первый и второй усилители выполнены как трансрезистивные.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый трансрезистивный усилитель выполнен на операционном усилителе с резистором, включенным между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя.