Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе rr-типа

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в частности к устройству для измерения зазора между неподвижными электродами и подвижной массой (ПМ). Устройство для измерения зазора между неподвижными электродами канала вторичных колебаний и ПМ в микромеханическом гироскопе RR-типа включает в себя ПМ, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и ПМ, два преобразователя емкость-напряжение (код), входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, и дополнительно введенное вычислительное устройство, реализующее функцию вида , входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код), где V1, V2 - сигналы на выходе соответственно первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код). Технический результат – повышение точности работы ММГ при работе в жестких условиях. 2 ил.

 

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к вибрационным микромеханическим гироскопам (ММГ) RR-типа.

ММГ этого типа содержат подвижную массу (ПМ) и электроды, которые образуют электростатический задатчик силы и датчик перемещения, систему возбуждения колебаний ПМ чувствительного элемента (ЧЭ) по оси первичных колебаний и систему измерения перемещения ПМ по оси вторичных колебаний.

Подробно работа вибрационных ММГ описана в литературе [1, 2].

На точность измерения угловой скорости ММГ RR-типа влияет изменение зазора между ПМ и электродами, от которого зависит величина масштабного коэффициента ММГ. При работе ММГ в жестких условиях, т.е. при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне (100-150°С), вибрациях и ударах, может происходить изменение величины зазора.

В общем виде текущая величина зазора d определяется:

d=d0+Δd,

где d0 - номинальный зазор между ПМ и неподвижными электродами емкостного датчика по оси вторичных колебаний; Δd - величина изменения зазора при внешних воздействиях.

Существуют различные способы и устройства для определения зазора между электродами и ПМ ММГ, которые в совокупности образуют дифференциальный датчик по оси вторичных колебаний.

Один из способов измерения зазора между электродами и ПМ ММГ описан в [3] и заключается в первоначальном измерении величины электрической емкости между ПМ и одним из электродов; перемещении ПМ до ее касания с основанием, на котором расположен электрод; измерении величины указанной емкости в этом положении; вычислении рабочего зазора по соотношению (1) из [3].

Недостатком этого способа является то, что величина зазора определяется на этапе сборки ММГ и не учитывает изменение зазора при функционировании ММГ.

Известно устройство, описанное в работе [4], которое близко по своему составу к предложенному и содержит: генератор переменного напряжения, соединенный с проводящей ПМ; электроды емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний; преобразователи ток-напряжение в виде трансрезистивных усилителей на операционных усилителях с резисторами, включенными между выходом и инвертирующим входом операционных усилителей; аналого-цифровой преобразователь и процессор.

Данное устройство позволяет измерять перемещение ПМ, но не решает задачу определения зазора.

В качестве прототипа выбрано устройство, описанное в работе [5]

Этот ММГ содержит подвижную массу на резонансном подвесе; дифференциальный емкостный датчик, образованный электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, и подвижной массой; дополнительные электроды, расположенные по оси вторичных колебаний; источник напряжения, соединенный с одним из дополнительных электродов; преобразователь емкость-напряжение, вход которого соединен с электродами дифференциального емкостного датчика. В ММГ введено вычислительное устройство, входы которого соединены с выходами источника напряжения и преобразователя емкость-напряжение. Это вычислительное устройство формирует напряжение, поступающее к электроду задатчика силы, измеряет напряжение с выхода преобразователя емкость-напряжение и преобразует его в сигнал, пропорциональный величине зазора.

Недостатком прототипа является то, что величина зазора определяется при отсутствии внешних воздействий, и при определении зазора ММГ не функционирует по своему прямому назначению. Поэтому оно не может быть использовано для диагностики изменения характеристик ММГ в процессе работы, реализации алгоритмов управления положением ПМ и преобразования сигналов в ММГ для повышения точности ММГ при работе последнего в жестких условиях.

Задачей изобретения является повышение точности устройства для измерения зазора между неподвижными электродами емкостного датчика по оси вторичных колебаний и ПМ (далее - зазора) в микромеханическом гироскопе RR-типа.

Техническим результатом предлагаемого устройства является возможность измерения текущей величины зазора с учетом его изменения при внешних воздействиях (ускорениях, вибрациях, температурных изменениях).

Это позволяет формировать путем преобразования сигнала с выхода предлагаемого устройства поправки к выходному сигналу ММГ, повышающие его точность, контролировать изменения зазора, вызванные внешними воздействиями, и в определенной степени получать информацию о внешних воздействиях на ММГ.

В качестве возможного использования предлагаемого устройства, в котором измеряется текущее значение зазора, можно указать системы подстройки резонансной частоты (см. [2] стр. 220-221, выражение 8.7 и выражение 5.8 на стр. 114). Измерение текущего зазора позволяет вводить поправки в сигналы управления и измерения соответствующих систем ММГ для повышения точности работы ММГ при работе в жестких условиях.

Технический результат достигается тем, что в ММГ RR-типа, включающем в себя ПМ на резонансном подвесе, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и ПМ, два преобразователя емкость-напряжение (код), входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, введено вычислительное устройство, реализующее функцию вида , входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователя емкость-напряжение (код). Функция вида получена из приведенных ниже выражений 1-4.

Более подробно электродная структура ММГ RR-типа описана в [6].

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 - основание;

2 - упругий подвес;

3 - проводящая ПМ на резонансном подвесе (далее - ПМ);

4 - источник напряжения переменного тока, подаваемого на ПМ;

5, 6 - неподвижные электроды емкостного датчика по оси вторичных колебаний, расположенные на крышке ММГ над ПМ (далее - неподвижные электроды);

7, 8 - преобразователи емкость-напряжение (код) (далее - ПЕН);

9 - вычислительное устройство, реализующее функцию вида , где V1, V2 - сигналы на выходе, соответственно, первого и второго ПЕН.

Источник переменного тока 4 соединен с основанием 1, к которому с помощью упругих подвесов 2 подвешена ПМ 3, являющаяся подвижным электродом. На крышке ММГ расположены неподвижные электроды 5, 6, которые соединены с соответствующими ПЕН 7, 8. Выходы с ПЕН соединены с вычислительным устройством 9, реализующим функцию вида .

На неподвижных электродах 5, 6 формируют напряжения переменного тока с амплитудой V, полученные емкости C1 конденсатора, образованного ПМ и одним из неподвижных электродов датчика, и С2 конденсатора, образованного ПМ и вторым неподвижным электродом датчика, преобразуют в напряжение (код).

Выходной сигнал с ПЕН 7 будет пропорционален значению емкости C1 и в соответствии с формулой 8 [7] будет зависеть от угла поворота α ПМ вокруг оси вторичных колебаний под действием сил Кориолиса и величины зазора d:

где - V1 - сигнал на выходе первого ПЕН; V и ω - амплитуда и угловая частота соответственно напряжения тока, подаваемого на ПМ; R - сопротивление резистора ПЕН; ε - диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме ε=1); ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума, равная 8,85⋅10-12; S1 - площадь первого неподвижного электрода; r - радиус электрода.

Для второго преобразователя ПЕН 8 аналогично в соответствии с формулой 9 [7]:

где - V2 - сигнал на выходе второго ПЕН; S2 - площадь второго неподвижного электрода;

Исходя из предположения, что S1=S2=S, дальнейшее сложение и умножение выходных сигналов V1, V2 и последующее деление суммы на произведение приведет к следующему выражению:

Из выражения (3) получаем формулу для определения текущей величины зазора d:

Таким образом, в предложенном устройстве текущая величина зазора определяется с помощью вычислительного устройства 9.

Пример структуры ПЕН может быть представлен в виде схемы, приведенной на фиг. 2, где приняты следующие обозначения:

4 - источник напряжения переменного тока V, подаваемого на ПМ;

10 - конденсатор С1, образованный ПМ и одним из неподвижных электродов емкостного датчика по оси вторичных колебаний;

11 - резистор R1;

12 - операционный усилитель ОУ;

13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Другие варианты ПЕН могут быть выполнены в соответствии с [8].

Техническая реализация ПЕН не влияет на суть работы предлагаемого устройства.

Достижение технического результата изобретения подтверждено математическим моделированием.

Литература

1. В.Я. Распопов. Микромеханические приборы. // Учебное пособие. Тул. гос. университет. Тула, 2002, 392 с.

2. Cenk Acar, Andrei Shkel. MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness. Springer Science+Business Media, LLC, 2009, 256 c.

3. Патент РФ №2324894.

4. Патент РФ №229630.

5. Патент РФ №2338997.

6. Некрасов Я.А., Павлова С.В., Моисеев Н.В. Оптимизация электродной структуры микромеханического гироскопа RR-типа. // Материалы 20-й Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам, 2015, с. 294-298.

7. Евстифеев М.И., Ковалев А.С., Елисеев Д.П. Исследование электромеханической модели микромеханического гироскопа RR-типа с учетом вибраций основания. //Гироскопия и навигация, №3 (82), 2013.

8. Arashk Norouzpour-Shirazi. Interface Circuits and Systems for Inertial Sensors. //Tutorials of IEEE Sensors, 2013.

Устройство для измерения зазора между электродами канала вторичных колебаний и подвижной массой в микромеханическом гироскопе RR-типа, включающее в себя подвижную массу (ПМ) на резонансном подвесе, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и подвижной массой, два преобразователя емкость-напряжение (код), входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, отличающееся тем, что дополнительно введено вычислительное устройство, реализующее функцию вида , входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код), где V1, V2 - сигналы на выходе соответственно первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим арретирование ротора электродвигателя-маховика в магнитном подвесе и может быть использовано в космической технике.

Предложен способ для определения факта выхода гироскопа на установившийся режим работы, позволяющий его использовать для достоверных измерений, и устройство для реализации данного способа.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к высокоточным комплексным навигационным системам с использованием астроизмерений, и может найти применение в составе бортового оборудования авиационно-космических объектов.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных поплавковых гироскопов. Сущность изобретения заключается в том, что электроды на внутренней поверхности цилиндра двухстепенного поплавкового гироскопа устанавливают таким образом, что плоскость симметрии i-той пары электродов в каждой системе, проходящая через продольную ось корпуса, составляет с плоскостью, проходящей через ось вращения ротора гиромотора и продольную ось корпуса, угол, равный α=180⋅(2i+1)/m, где m - количество электродов в одной системе, i=0, 1, 2… - порядковый номер плоскости симметрии пары электродов.

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. Сущность изобретения заключается в том, что в ММГ с квадратурными электродами и источниками напряжения, соединенными с ними, введены последовательно сумматор и делитель, обеспечивающие компенсацию изменений зазора, и источники напряжения выполнены управляемыми, при этом вход их управления соединен с выходом делителя.

Изобретение относится к гироскопической технике, а конкретно к двухосным гироскопическим стабилизаторам оптических элементов, работающим на подвижных объектах и предназначенным для стабилизации и управления оптическими элементами, и может найти применение в создании систем типа бинокль, перископ, лазерный дальномер.

Изобретение относится к точному приборостроению, а именно к гироскопической технике, и может быть использовано в индикаторных гиростабилизаторах. Технический результат - выравнивание скоростей управления платформой.

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам (ТВГ), работающим в режиме датчика углового положения. Способ компенсации дрейфа ТВГ включает предварительное определение математических параметров модели температурной скорости дрейфа ТВГ, определение углового положения волны резонатора в рабочем режиме и алгоритмическую компенсацию его температурной скорости дрейфа в соответствии с этой моделью, рассчитывают значения производной частоты резонатора, при этом модель дрейфа использует значения углового положения волны, частоту резонатора и производную частоты и рассчитывается в виде функции где Ak, Bk - полиномы степени N по члену f и степени M по члену g; θ - значение углового положения волны; - резонансная частота твердотельного волнового гироскопа; g - значение производной резонансной частоты; N - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от частоты; M - максимальная степень в функциональной зависимости величины дрейфа от производной частоты; K - количество гармоник в функциональной зависимости дрейфа от угла; параметры ak,i,j, bk,i,j находят для конкретного прибора путем проведения съемов значений электрического угла θ, скорости изменения электрического угла, резонансной частоты производной резонансной частоты g для различных температур и скоростей изменения температур на неподвижном основании.

Изобретение относится к трехосным гироскопам средней и повышенной точности, а конкретно к способу оценки их систематических погрешностей. Технический результат заключается в повышении точностных характеристик трехосного гироскопа за счет повышения достоверности оценки систематических погрешностей трехосного гироскопа, с одновременным уменьшением трудоемкости процесса измерений.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при создании и эксплуатации навигационных систем на базе гироскопических устройств (ГУ).

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано в одноосных и трехосных измерителях угловых скоростей и линейных ускорений, используемых в инерциальных навигационных системах и в пилотажных системах управления подвижными объектами в качестве датчиков первичной информации.

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к датчикам угловой скорости, основанным на Кориолисовых силах, и может быть использовано для измерения угловой скорости.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к гироскопии, и может быть использовано в системах управления. Твердотельный волновой гироскоп содержит герметичный корпус, состоящий из кожуха и основания с выводами, во внутренней полости которого установлен центрирующий элемент, обеспечивающий соосное расположение резонатора, емкостной системы регистрации колебаний оболочки резонатора и электромагнитной системы возбуждения и поддержания колебаний оболочки резонатора, при этом электромагнитная система возбуждения и поддержания колебаний оболочки резонатора выполнена в виде электромагнитов, сердечники которых имеют П-образную форму, равномерно расположенных по окружности оболочки резонатора, причем плоскость симметрии каждого электромагнита, проходящая через полюса, параллельна оси симметрии резонатора и проходит через нее.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерительной технике, и предназначено для измерения угловой скорости, например, в системах управления, навигации, стабилизации и наведения.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении одноосных и трехосных измерителей параметров движения - угловых скоростей и линейных ускорений для инерциальных навигационных систем и пилотажных систем управления подвижных объектов.

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что на внешней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, размещенный зеркально трапецеидальному выступу на внутренней поверхности несущего основания и совпадающий с ним по форме и размерам, тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленной на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания установлены на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внутренней поверхности несущего основания, дополнительно установлены тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленной на ней регулярной структурой инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом на боковых поверхностях трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, дополнительно симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи, которые обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом, заданным положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внутренней поверхности несущего основания, и в противофазе по отношению к активным пьезоэлектрическим преобразователям, размещенным на боковых поверхностях трапецеидального выступа на внутренней поверхности несущего основания, выходы измерительных встречно-штыревых преобразователей, размещенных на поверхности малых оснований трапецеидальных выступов, расположенных по обе стороны несущего основания, попарно электрически соединены со входами сумматоров, а выходы последних электрически соединены со входами сумматоров, соответственно для каждого из направлений вращения несущего основания.

Изобретение относится к измерениям угловой скорости, а именно к микроэлектромеханической системе (МЭМС) для датчика угловой скорости. МЭМС помещена между первой и второй композитными пластинами типа кремний-изолятор, состоящими из множества структурированных кремниевых элементов, электрически изолированных друг от друга изоляционным материалом.

Изобретение относится к микросистемным гироскопам камертонного типа. Предложенный камертонный микрогироскоп содержит корпусную монокремниевую пластину и две чувствительные массы, каждая из которых подвешена с помощью упругих растяжек на консолях, которые, в свою очередь, жестко закреплены на центральной балке.

Изобретение относится к балансировке кварцевых полусферических резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов различного назначения.

Изобретение относится к области навигационной техники, а именно к конструкции микромеханических вибрационных гироскопов. Вибрационный гироскоп содержит дисковый ротор в упругом подвесе в виде пружины, связывающей ротор с неподвижной опорой, и статоры с электродами привода крутильных колебаний ротора и емкостных датчиков для определения его угловых смещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, ортогональных к оси крутильных колебаний ротора.

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а более конкретно к интегральным измерительным элементам величин угловой скорости и ускорения. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный микромеханический гироскоп-акселерометр дополнительно содержит четыре подвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, восемь дополнительных неподвижных электрода емкостных преобразователей перемещений, четыре дополнительных подвижных электрода электростатических приводов, девять дополнительных неподвижных электрода электростатических приводов, восемь «S»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, восемь «П»-образных систем упругих балок, выполненные из полупроводникового материала и расположенные с зазором относительно подложки, и двадцать одна дополнительная опора, выполненная из полупроводникового материала и расположенная непосредственно на подложке, причем две инерционные массы выполнены с перфорацией, а подложка и неподвижные электроды емкостных преобразователей перемещений выполнены из полупроводникового материала. Технический результат – измерение величин угловых скоростей вдоль осей X и Y, расположенных в плоскости подложки, и Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки и величин линейных ускорений вдоль осей X, Y, Z. 2 ил.

Изобретение относится к микромеханическим гироскопам вибрационного типа, в частности к устройству для измерения зазора между неподвижными электродами и подвижной массой. Устройство для измерения зазора между неподвижными электродами канала вторичных колебаний и ПМ в микромеханическом гироскопе RR-типа включает в себя ПМ, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и ПМ, два преобразователя емкость-напряжение, входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, и дополнительно введенное вычислительное устройство, реализующее функцию вида, входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователей емкость-напряжение, где V1, V2 - сигналы на выходе соответственно первого и второго преобразователей емкость-напряжение. Технический результат – повышение точности работы ММГ при работе в жестких условиях. 2 ил.

Наверх