Инерциальный датчик угловой скорости с компенсацией отклонения

Авторы патента:


Инерциальный датчик угловой скорости с компенсацией отклонения
Инерциальный датчик угловой скорости с компенсацией отклонения

 


Владельцы патента RU 2483278:

САЖЕМ ДЕФАНС СЕКЮРИТЕ (FR)

Изобретение предназначено для измерения угловой скорости. Инерциальный датчик содержит вибрирующий элемент (1) с расположенными друг против друга покрытыми металлом частями (2, 5), образующими конденсатор (6) переменной емкости, мультиплексор/демультиплексор, соединенный с конденсатором, и цепь нагрузки с низким импедансом, соединенную с мультиплексором/демультиплексором. Изобретение обеспечивает компенсацию отклонения, не зависящего от положения колебаний относительно корпуса прибора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к инерциальному датчику угловой скорости с компенсацией отклонения.

Уровень техники

Известно, что изотропный вибрационный гироскоп содержит осесимметричный резонатор с двумя степенями свободы.

Положение колебаний определяют при помощи двух электростатических датчиков, каждый из которых образован группой электродов, неподвижно соединенных с корпусом.

Команды, обеспечивающие управление колебаниями, подают при помощи двух электростатических приводов, каждый из которых образован группой электродов, неподвижно соединенных с корпусом.

Управление колебаниями состоит в компенсации затухания, устранении частотной анизотропии и при необходимости в изменении ориентации и/или частоты колебаний.

В режиме свободного гироскопа положение колебаний относительно корпуса частично определяется сообщаемой прибору угловой скоростью. В этом режиме работы отклонение, т.е. кажущееся вращение, которое возникает вследствие несовершенства прибора, зависит от положения колебаний относительно корпуса.

В основании, образованном двумя электродами, колебания можно характеризовать полярными координатами.

Полярный угол θ определен через π, т.е. отклонение гироскопа является периодической функцией θ с периодом π.

В этом случае отклонение гироскопа можно представить в виде ряда Фурье, образованного членами cos (2nθ) и sin (2nθ), где n - целое число.

Основной причиной среднего отклонения (постоянный член ряда Фурье) является совмещение точек отсчета датчиков и точек отсчета приводов.

В первом приближении использование одних и тех же электродов в качестве приводов и датчиков позволяет устранить среднее отклонение.

Для обеспечения эффективности способа необходимо, чтобы математическое выражение коэффициентов усиления датчиков и коэффициентов усиления приводов было подобным, чтобы дефекты изготовления датчиков естественным образом компенсировались приводами.

В известных устройствах измерение сигнала от датчика осуществляют путем соединения каждого электрода датчика с цепью нагрузки, имеющей высокий импеданс, т.е. входной импеданс этой цепи намного выше выходного импеданса соответствующего электрода датчика. В этом случае выдаваемый электродом датчика ток близок к нулю, а напряжение на контактах цепи нагрузки теоретически линейно зависит от изменения воздушного зазора. Однако паразитные импедансы, возникающие из-за дефектов изготовления, ухудшают линейность ответного сигнала датчика. Чтобы свести этот эффект к минимуму, как правило, сигналы от датчика направляют по очень дорогим и очень массивным экранированным каналам. Кроме того, обусловленные примесями изменения электрического поля в воздушном зазоре вызывают электрические потери, что приводит к различному гашению колебаний в зависимости от их ориентации и, следовательно, к отклонению, которое само по себе является функцией ориентации колебаний относительно корпуса.

Раскрытие изобретения.

Задача изобретения заключается в сведении к минимуму части отклонения, не зависящей от положения колебаний относительно корпуса прибора.

Поставленная задача решена в инерциальном датчике угловой скорости, содержащем вибрирующий элемент с находящимися друг против друга покрытыми металлом частями, образующими конденсатор переменной емкости, связанный через мультиплексор/демультиплексор со схемой управления. Схема управления выполнена с возможностью работы как в режиме привода, так и в режиме обнаружения и имеет низкий импеданс в этих двух режимах.

Мультиплексорная система позволяет поочередно использовать электроды в качестве приводов (режим привода) и датчиков (режим обнаружения). Комбинация мультиплексора/демультиплексора со схемой управления с низким импедансом как в режиме привода, так и в режиме обнаружения обеспечивает компенсацию отклонения, которая автоматически устраняет член отклонения, не зависящий от положения колебаний относительно корпуса прибора.

Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания варианта его осуществления со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично показан чувствительный элемент в виде полусферического вибрирующего резонатора в соответствии с настоящим изобретением, вид в разрезе;

на фиг.2 - схема системы обработки данных, связанной с указанным чувствительным элементом.

Показанный на фиг.1 вибрирующий чувствительный элемент содержит купол 1 из кремнийсодержащего материала, опирающийся на стержень 4, закрепленный на основании 3. Внутренняя поверхность купола 1, а также его кромка и стержень 4 покрыты слоем 2 металла. На основании 3 установлены электроды 5. Каждый электрод 5 образует вместе с находящейся напротив покрытой металлом кромкой купола 1 конденсатор 6 переменной емкости, который работает поочередно в режиме привода и в режиме обнаружения при помощи схемы обработки данных, обозначенной общей позицией 16. Схема 16 содержит мультиплексор/демультиплексор 7, связанный со схемой 8 управления, образуя цепь нагрузки. Схема 8 управления содержит первую и вторую ветви 9.1 и 9.2, соединяющие мультиплексор/демультиплексор 7 с блоком 10 обработки. Блок 10 обработки содержит другой вывод, соединенный с покрытой металлом кромкой купола 1. Блок 10 обработки выполнен с возможностью подачи напряжения смещения на один из выводов конденсатора, при этом другой вывод замкнут накоротко. Блок 10 обработки измеряет ток короткого замыкания электродов.

Первая ветвь 9.1 содержит резистор 11, последовательно соединенный с мультиплексором/демультиплексором 7 и с блоком 10 обработки. Параллельно резистору 11 подключен усилитель 12 так, что его инвертирующий вход соединен с мультиплексором/демультиплексором 7, прямой вход заземлен, а выход соединен с блоком 10 обработки.

Вторая ветвь 9.2 содержит резисторы 13 и 14, последовательно соединенные с мультиплексором/демультиплексором 7 и с блоком 10 обработки. Параллельно резистору 13 подключен усилитель 15 так, что его инвертирующий вход подсоединен между резисторами 13 и 14 для соединения с блоком 10 обработки через резистор 14, прямой вход заземлен, а выход соединен с мультиплексором/демультиплексором 7.

Электроды 5 разделены на две группы, каждая из которых соединена через каналы 17.1, 17.2 с мультиплексором/демультиплексором 7.

Согласно изобретению, схема 8 управления, т.е. каждая из ветвей 9.1, 9.2, является схемой с низким импедансом, т.е. имеет более низкий импеданс по сравнению с выходным импедансом конденсатора. В частности, схема удовлетворяет отношению

R/G<<1/(Cω0),

где R - сопротивление резистора 11, 13 (в зависимости от рассматриваемой ветви),

G - коэффициент усиления усилителя 12, 15 (в зависимости от рассматриваемой ветви),

С - емкость переменного конденсатора 6,

ω0 - круговая частота колебаний на резонансной частоте чувствительного. элемента.

Усилители 12 и 15 усиливают напряжение и, следовательно, имеют низкое сопротивление.

Таким образом, обнаружение осуществляют для двух каналов 17.1, 17.2, используя одну и ту же цепь, т.е. ветвь 9.1 схемы 8 управления, а приведение в действие (или «привод», как указано на фиг.2) реализуют для двух каналов 17.1 и 17.2, используя одну и ту же цепь, т.е. ветвь 9.2 схемы 8 управления.

Разумеется, изобретение не ограничивается представленным вариантом осуществления, специалист может предусматривать его версии, не выходя за рамки изобретения, определенные формулой изобретения.

В частности, несмотря на то, что изобретение описано в отношении инерциального датчика угловой скорости, содержащим вибрирующий купол, изобретение можно применять также для любого датчика угловой скорости, содержащего установленные напротив друг друга электроды для получения переменного конденсатора, поочередно выполняющего роль привода и датчика.

Несмотря на приведенные два примера, цепи нагрузки, изобретение можно применять также для любого устройства, использующего цепь нагрузки с низким импедансом, т.е. в котором входной импеданс намного ниже выходного импеданса переменного конденсатора.

Покрытая металлом кромка купола может быть непрерывной или прерывистой, образуя электроды, отделенные друг от друга по кромке (проводящий слой в виде паутины, начинающейся от полюса купола).

1. Инерциальный датчик угловой скорости, содержащий вибрирующий элемент (1) с расположенными друг против друга покрытыми металлом частями (2, 5), образующими конденсатор (6) переменной емкости, мультиплексор/демультиплексор (7), соединенный с указанным конденсатором (6) переменной емкости, и цепь нагрузки, соединенную с указанным мультиплексором/демультиплексором, при этом цепь нагрузки представляет собой цепь нагрузки с низким импедансом.

2. Инерциальный датчик по п.1, в котором цепь нагрузки имеет усилитель с коэффициентом усиления G и сопротивление резистора R, так чтобы R/G<<1/(Cω0), где С - емкость указанного конденсатора, а ω0 - круговая частота колебаний на резонансной частоте вибрирующего элемента (1) датчика.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к области навигационного приборостроения подвижных объектов и может найти применение во всех районах Мирового океана, включая высокие и приполюсные широты.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при разработке устройства, предназначенного для задания углов поворота изделия, например, датчика, закрепленного на его платформе, относительно двух горизонтальных осей.

Изобретение относится к горному делу - к технике контроля направленного горизонтального бурения, используется для определения горизонтального положения и поворота инструмента для формирования наклонных и горизонтальных скважин вокруг оси для последующего управления траекторией его движения.

Изобретение относится к автоматическому определению положения бурильной колонны при подземных горных работах, в которых скважины бурят буровыми станками с перфоратором.

Изобретение относится к определению параметров траекторий нефтяных, газовых, геотермальных, железорудных и др. .

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для подавления колебаний в системах, объекты которых содержат одно или несколько колебательных звеньев.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в гироскопическом приборостроении. .

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть использовано на средствах передвижения, в частности, содержащих гироскопы с массивными роторами. .

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов

Изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гиродатчиках

Изобретения относятся к управлению угловым движением космических аппаратов (КА) и, в частности, к гироскопическим системам ориентации КА, снабженным аппаратурой наблюдения (АН) наземных объектов, на околокруговой орбите. При работе таких КА требуется исключение бокового сдвига изображения наземных объектов, например, в фокальной плоскости АН, вызванного суточным вращением Земли. Для этого КА разворачивают на путевой курсовой угол по закону косинуса с круговой частотой, равной орбитальной угловой скорости. Согласно предлагаемому способу одновременно с поворотом КА по курсу поворачивают КА на путевой угол крена по закону синуса с той же частотой. В результате приборная путевая плоскость, образованная осями крена и курса, оказывается повернутой относительно линии узлов орбиты на постоянный угол, равный амплитуде путевого угла. Поэтому в установившемся режиме энергия затрачивается не на повороты по курсу и крену, а лишь на угловую стабилизацию КА для противодействия внешним возмущающим воздействиям. Поворот визирной оси АН по крену относительно орбитальной системы координат в сторону наблюдаемых наземных объектов выполняют с учетом текущего программного угла поворота по крену. Предлагаемое устройство включает в себя приборное обеспечение для реализации описанного выше способа. Техническим результатом изобретений является исключение колебательного движения КА по курсу относительно плоскости орбитальной системы координат, а также запаздывания отработки программного угла курса и снижение тем самым расхода энергии, потребного для работы КА на орбите. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано при создании гирокомпасной системы ориентации искусственного спутника Земли для околокруговой орбиты. Предложенное изобретение направлено на устранение влияния постоянной погрешности построителя местной вертикали (ПМВ) по крену и других погрешностей, действие которых эквивалентно погрешности ПМВ, на погрешности системы ориентации по крену и курсу без ухудшения динамики контуров коррекции системы. Заявленная гирокомпасная система ориентации искусственного спутника Земли содержит построитель местной вертикали по каналу крена, пять сумматоров, три усилительно-преобразующих устройства, блок датчиков угловых скоростей, три интегратора, три задатчика программной угловой скорости, блок формирования поправок по курсу и крену (БФП) и программно-временной задатчик режимов. Причем БФП выполнен в виде последовательно соединенных нормально разомкнутых контактов первого коммутатора, фильтра шумовых сигналов, например апериодического звена, цифрового арифметического устройства, масштабирующего устройства и нормально разомкнутых контактов второго коммутатора. 2 ил.

Изобретение относится к полусферическому резонатору, являющемуся элементом вибродачика угловой скорости. Полусферический резонатор (7) содержит колоколообразный элемент (4), закрепленный на основе (3), которая несет основные электроды (2), обращенные к кольцевому ободу (6.2) колоколообразного элемента, и, по меньшей мере, один охранный электрод (1), располагаемый рядом с основными электродами (2). По меньшей мере, часть внутренней поверхности (6.1) колоколообразного элемента и указанный кольцевой обод (6.2) покрыты электропроводящим слоем (6), который к тому же покрывает участок (6.3) наружной поверхности колоколообразного элемента, примыкающий к его кольцевому ободу. Изобретение обеспечивает минимизацию ошибок измерения угловой скорости и ограничивает демпфирование колебаний колоколообразного элемента, что повышает точность и надежность. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к навигации и может быть использовано, например, в качестве компаса и для определения севера. Способ определения курса осуществляется с помощью инерциального устройства (1), содержащего, как минимум, один вибрационный угловой датчик (3) с резонатором, связанным с детекторным устройством и устройством для ввода данного резонатора в состояние вибрации, соединенными с управляющим устройством, служащим для обеспечения первого режима работы, при котором вибрация может свободно изменяться в угловой системе координат резонатора, и второго режима работы, при котором поддерживается определенный угол колебаний вибратора в системе координат резонатора. Способ включает в себя управление указанным датчиком во втором режиме работы для сохранения заданного электрического угла поворота, соответствующего наименьшей величине погрешности датчика, и управление указанным датчиком в первом режиме работы для измерения курса и управления указанным датчиком во втором режиме работы после измерения курса и до следующего измерения с целью сохранения заданного электрического угла поворота. Изобретение позволяет ограничить нежелательное влияние режима прецессионного гироскопа на точность измерений. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Гироскоп содержит две инерционные массы, выполненные в виде пластин с гребенчатыми структурами, на которых расположены пластины электродов, образующие с пластинами электродов, закрепленных на гребенчатых структурах диэлектрической подложки, плоские конденсаторы, являющиеся датчиками колебаний инерционных масс относительно диэлектрической подложки. Каждая инерционная масса закреплена в раме с помощью упругих элементов, которые размещены с возможностью совершения поступательных колебаний инерционных масс вдоль двух взаимно перпендикулярных осей, расположенных в плоскости диэлектрической подложки. Рама закреплена на диэлектрической подложке через торсионы, которые одними концами жестко соединены с рамой, а другими - с диэлектрической подложкой. Инерционные массы, рама, упругие элементы и гребенчатые структуры, закрепленные на раме и двух инерционных массах, расположены с зазором относительно диэлектрической подложки. Изобретение обеспечивает возможность измерения величины угловой скорости вокруг осей X и Y, расположенных взаимно перпендикулярно в плоскости диэлектрической подложки гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ). Сущность изобретения заключается в том, что магнитная система содержит кольцевой магнитопровод с П-образным сечением из магнитомягкого материала, на внутреннем выступе которого закреплен магнит с радиальной намагниченностью, образующий с внешним выступом магнитопровода рабочий зазор, при этом кромки полюсного наконечника и магнита закруглены. Закругление кромок приводит к снижению энергии магнитного поля у кромок полюса. Техническим результатом является снижение потерь энергии магнитной системы ДНГ, вызванной концентрацией поля у кромок магнита в пользу энергии поля рабочего зазора. 2 н.п.ф-лы, 4 ил.
Наверх