Микромеханический гироскоп вибрационного типа

Изобретение относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности, к микромеханическим гироскопам (ММГ). ММГ вибрационного типа содержит две пары электродов по оси вторичных колебаний, одна из которых является измерительной, другая - силовой, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между емкостными датчиками по оси первичных колебаний и электродами гребенчатого двигателя, последовательно соединенные усилитель и дифференцирующее звено, включенные между парами электродов по оси вторичных колебаний, последовательно соединенные фазовращательное звено, демодулятор и фильтр низкой частоты, при этом вход фазовращательного звена подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний. Между выходом дифференцирующего звена и входом демодулятора введено устройство подавления квадратуры, второй вход которого подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний. Техническим результатом является повышение чувствительности, линейности и точности. 2 ил.

 

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

Известны микромеханические гироскопы и устройства преобразования электрических сигналов в них (см. патенты США №6571630, 6715353, 5992233, 6370937, 5672949). Выходной сигнал по выходной координате гироскопа может содержать помимо полезного сигнала квадратурную помеху (так называют составляющую сигнала, фаза которой сдвинута на 90° по отношению к полезной составляющей). Под действием силы, обусловленной наличием квадратурной помехи, которая может превосходить максимальный полезный сигнал, амплитуда колебаний ротора может подойти к предельным допустимым значениям, которые определяются зазором между ротором и основанием, что в конечном счете приводит к уменьшению динамического диапазона работы ММГ. Разные методы подавления квадратурной помехи используются в технике: так в гироскопе по пат. США №6715353 используют параметрический резонанс, в устройстве по пат. США №6067858 (фиг.17а, 18) формируют постоянное напряжение на специальных электродах, в статье Андреевой Т.А., Некрасова Я.А. "Адаптивная система подавления квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе". - Гироскопия и навигация, 2005 г., №3 (50), стр 79, СПб.: ЦНИИ "Электроприбор"; и на сайте: http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu7/dokl/s3-7.zip применяется компенсационный метод. Другим способом уменьшения влияния квадратурной помехи на динамический диапазон работы ММГ является введение отрицательной обратной связи по перемещению подвижной массы по оси вторичных колебаний (В.Я.Распопов Микромеханические приборы, рис.5.58). В статье Woon-Tahk Sung и др. "Н_∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test" (№0-7803-8416-4/04/$20.00©2004 IEEE) описывается ММГ, включающий в себя подвижный механический элемент, измерительные электроды, к которым подключен вход пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора (см. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. - М., Наука, 1970, стр.329), и силовые электроды, на которых формируется напряжение с выхода ПИД-регулятора и ротор на резонансном подвесе, образующие систему, в которой измеряются силы, действующие на ротор и стабилизирующие его положение. В случае, когда в ММГ отсутствует квадратурная помеха, то сформированное напряжение пропорционально Кориолисову ускорению. При наличии квадратурной помехи в напряжении будет присутствовать составляющая, пропорциональная этой помехе, что является недостатком данного ММГ, в результате которого ухудшается точность гироскопа. Таким образом описанный ММГ может использоваться только в случае отсутствия квадратурной помехи.

Известны ММГ, описанные в статье Андреевой Т.А., Некрасова Я.А. Адаптивная система подавления квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе. - Гироскопия и навигация, 2005 г., №3 (50), стр 79, СПб.: ЦНИИ "Электроприбор"; и на сайте: http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu7/dokl/s3-7.zip, в которых при малом уровне квадратурной помехи ротор совершает перемещения под действием Кориолисовой силы и силы, обусловленной наличием квадратурной помехи. Эти перемещения, измеряемые емкостными датчиками, содержат информацию как о полезной составляющей, так и о квадратурной помехе. Последняя подавляется в описанном ММГ в канале обработки выходных сигналов за счет формирования напряжения, компенсирующего помеху. Этот ММГ обладает невысокой чувствительностью в результате работы на малом коэффициенте усиления, так как увеличение коэффициента в данном ММГ приводит к большой нелинейности.

Устройство, описанное в статье Woon-Tahk Sung, Jang Gyu Lee "H_∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test" (№0-7803-8416-4/04/$20.00©2004), является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение чувствительности, линейности и точности ММГ.

Решение указанной задачи достигается тем, что в микромеханический гироскоп вибрационного типа введены последовательно соединенные усилитель и дифференцирующее звено, включенные между парами электродов по оси вторичных колебаний, последовательно соединенные фазовращательное звено и демодулятор, при этом вход фазовращательного звена подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний, отличающееся тем, что между выходом дифференцирующего звена и входом демодулятора введено устройство подавления квадратуры, второй вход которого подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний.

Кроме того, решение указанной задачи достигается тем, что устройство подавления квадратуры выполнено в виде последовательно соединенных первого умножителя, интегратора, второго умножителя, демодулятора, фильтра низкой частоты, сумматора и усилителя, первый вход сумматора соединен с выходом дифференцирующего звена, второй вход - с выходом второго умножителя, вторые входы умножителей подключены к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний. Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено заявленной совокупностью признаков.

Заявленное устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - чувствительный элемент микромеханического гироскопа;

2 - измерительные электроды;

3 - силовые электроды;

5, 7 - емкостные датчики;

6 - фазовращатель;

8 - усилитель;

9 - дифференцирующее звено;

10 - устройство подавления квадратуры;

11 - демодулятор.

12 - фильтр низких частот;

13 - сумматор;

14 - усилитель;

15, 17 - второй и первый умножители соответственно.

16 - интегратор.

На фиг.2 приведены графики сигналов в предложенном устройстве.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

А - изменение во времени сигнала на выходе элемента 16 при скачке на входе элемента 13 сигнала, с квадратурной помехой и полезной составляющей;

Б - сигнал на выходе элемента 15.

Чувствительный элемент 1 состоит из подвижного элемента 2, измерительных электродов по осям первичных и вторичных колебаний 3 и силовых электродов 4. К измерительным электродам 3 подключены емкостные датчики 5 и 7, преобразующие емкость в напряжение. К выходу емкостного датчика 7 по оси вторичных колебаний последовательно подключены усилитель 8 и дифференцирующее звено 9. Выход дифференцирующего звена соединен с силовыми электродами 4 ЧЭ 1 и с входом устройства подавления квадратуры 10, выход которого соединен с входом демодулятора 11. Второй вход устройства 10 соединен с входом фазовращателя 6 и выходом емкостного датчика 5 по первичной оси. Выход фазовращателя соединен со вторым входом демодулятора 11, выход которого соединен с входом ФНЧ 12.

Устройство работает следующим образом.

Под действием силы Кориолиса и сил, возникающих из-за не- жесткости торсионов, ротор начинает отклоняться. Сигнал, преобразованный в напряжение при помощи емкостного датчика 7, пропорциональный отклонениям ротора, через усилитель 8 поступает на дифференцирующее звено 9, обеспечивающее устойчивость замкнутой системы. Сигнал с выхода дифференцирующего звена 9 подается на силовые электроды 3. При глубокой обратной связи ротор будет находиться в неподвижном состоянии. Сигнал на выходе дифференцирующего звена 9 содержит полезную и квадратурную составляющие. Он поступает на устройство подавления квадратуры 10, где усиливается элементом 14 и поступает на вход первого умножителя 17. Поскольку на второй вход умножителя 17 поступает напряжение той же частоты, что и на первый вход, элемент 17 осуществляет фазочувствительное детектирование входного сигнала и выделяет сигнал, синфазный с сигналом, поступающим от усилителя 14, т.е. квадратурную помеху. Выделенный сигнал интегрируется элементом 16 и модулирует сигнал с выхода фазовращателя с помощью второго умножителя 15. Выходной сигнал второго умножителя 15 суммируется сумматором 13 с сигналом с выхода дифференцирующего звена 9. Поскольку квадратурная помеха и выходной сигнал второго умножителя 15 находятся в противофазе, происходит подавление квадратурной помехи. Выходной сигнал с устройства подавления квадратуры с уже скомпенсированной квадратурной помехой поступает на демодулятор 11, где перемножается с сигналом, сдвинутым фазовращателем 6 на 90° по отношению к напряжению на выходе емкостного датчика по оси первичных колебаний, т.е. с синфазным сигналом. Затем сигнал, содержащий только полезную составляющую, фильтруется на ФНЧ 12. Таким образом, на выходе получаем напряжение, содержащее только информацию об угловой скорости основания ММГ.

Сигналы, приведенные на фиг.2, получены в результате моделирования предложенного устройства. Сигнал на выходе интегратора 16 изменяется до тех пор, пока сигнал с выхода элемента 15 не сравняется с квадратурной помехой на выходе дифференцирующего звена 9. До тех пор пока квадратурная помеха не скомпенсирована, полезная составляющая сигнала практически не выделяется.

Микромеханический гироскоп вибрационного типа, содержащий подвижный механический элемент, две пары электродов по оси вторичных колебаний, одна из которых является измерительной, другая - силовой, последовательно соединенные усилитель и дифференцирующее звено, включенные между парами электродов по оси вторичных колебаний, последовательно соединенные фазовращательное звено, демодулятор и фильтр низкой частоты, при этом вход фазовращательного звена подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний, отличающийся тем, что между выходом дифференцирующего звена и входом демодулятора введено устройство подавления квадратуры, выполненное в виде последовательно соединенных первого умножителя, интегратора и второго умножителя, а также сумматора, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующего звена, второй вход - с выходом второго умножителя, и усилителя, который усиливает выходной сигнал дифференцирующего звена и сигнал с выхода которого поступает на вход первого умножителя, вторые входы умножителей подключены к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний.