Устройство для измерения параметров движения на основе микромеханического и молекулярно-электронного чувствительных элементов

Среди возможных применений полезной модели системы инерциальной навигации, интеллектуальные системы безопасности, системы стабилизации, персональные измерители параметров движения и автоматизированные системы управления различного назначения. Технический результат: объединение микромеханического и молекулярно-электронного датчиков позволит повысить информативность получаемых данных, расширить частотный и динамический диапазон измерений и максимально снизить уровень собственного шума. Заявленный технический результат достигается за счет того, что жидкостной молекулярно-электронный измеритель и микромеханический вибрационный гироскоп объединены с возможностью выдачи комплексированных сигналов при помощи фильтрации и сложения сигналов, причем жидкостной молекулярно-электронный измеритель выполнен в форме тороида и с возможностью формирования высокочастотной составляющей выходного сигнала, а микромеханический вибрационный гироскоп выполнен с возможностью формирования низкочастотной составляющей выходного сигнала.

Полезная модель относится к устройствам измерения параметров углового движения и, в силу своих высоких точностных характеристик, миниатюрных размеров, малого веса и низкого потребления энергии, способна найти применение в различных областях механики, техники и даже медицины. Среди них - системы инерциальной навигации, робототехника, системы стабилизации, и прочие автоматизированные системы управления различного назначения.

В настоящее время широчайшее распространение получили микромеханические вибрационные гироскопы. Большинство выпускаемых микрогироскопов используют принцип, основанный на измерении динамических деформаций некоторой вибрирующей с высокой частотой микроструктуры, вызываемых кориолисовыми силами инерции. Возбуждение колебаний микроструктуры производится электростатическим приводом. Колебания в одной плоскости являются вынужденными. Наведенные колебания в другой плоскости появляются тогда, когда микрогироскоп поворачивается. Наиболее распространена конструкция, где вибрирующая микроструктура выполнена в форме одной или нескольких U-образных вилок, концы которой вибрируют в плоскости вилки [1], [2], [3]. Под действием измеряемой угловой скорости происходит закручивание концов вилки в перпендикулярной плоскости. Величина закручивания детектируется посредством либо пьезоэлектрического, либо емкостного измерительных элементов. Существующий уровень технологий позволяет объединять подобные конструкции и всю необходимую электронику в одном малогабаритном чипе. К примеру, микромеханический гироскоп ADXRS614 кампании Analog Devices [4], имеет габариты 7×7×3 мм и вес менее 0.5 г. Основным недостатком микрогироскопов является низкое значение чувствительности, обусловленное, в первую очередь, высоким уровнем собственного шума микромеханической системы. Следствием этого является невысокий динамический диапазон, недостаточный для решения многих современных задач. Целый ряд устройств, предложенных для измерения угловых движений, используют инерционные свойства жидкости или газа, заключенных в тороидальном канале. Безусловным достоинством устройств такого рода является отсутствие подвижных механических деталей и устройств регистрации, чувствительных к точности изготовления микроэлементов конструкции. Среди запатентованных устройств такого типа отметим, например, измерители угловой скорости и ускорения, описанные в [5], [6], где в качестве чувствительного элемента предлагается использовать микроскопические датчики температуры. Между температурными датчиками располагают источник тепла, а о величине регистрируемого сигнала судят по разности температур, регистрируемых термодатчиками. В [7] предложена аналогичная схема измерения, где вместо температурных датчиков используются отрицательные электроды, а роль источника тепла играет центральный положительный электрод, ионизирующий частицы газа в тороиде. К сожалению, точность, динамический и частотный диапазон измерителей такого типа оставляют желать лучшего даже в сравнении с микромеханическими измерителями параметров вращательных движения. Лучших характеристик удалось получить при использовании электрокинетического принципа преобразования [8], [9]. В то же время запатентованные устройства имеют характерные размеры несколько сантиметров и более. Данное ограничение не устранимо принципиально, поскольку эффективность электрокинетического преобразования крайне мала и практически единственным путем повышения чувствительности до необходимого, при проведении инерциальных измерений уровня, является увеличение площади тороида преобразователя. Среди измерителей углового движения, использующих инерционные свойства жидкости в тороидальном канале, наиболее перспективными и динамично развивающимися являются молекулярно-электронные датчики угловых скоростей и ускорений [10], [11], [12]. В качестве инерциальной массы в таких устройствах используется концентрированный раствор йод-йодийного электролита, в который погружаются электроды. При приложении к электродам небольшой разности потенциалов на них начинает протекать обратимая электрохимическая реакция и происходит процесс переноса электронов между анодом и катодом, обусловленный, в отсутствии движения жидкости, диффузионным переносом активных ионов электролита. При наличии гидродинамических потоков к диффузионному переносу добавляется конвективный, что приводит, в зависимости от направления течения жидкости, к увеличению или уменьшению тока в системе. Вариации электрического тока, обусловленные возникающими гидродинамическими потоками, и являются выходным сигналом датчика. Передаточная функция описанного преобразования механического движения в ток характеризуется сложной частотной зависимостью, и неустранимой особенностью АЧХ является ее стремление к нулю в область низких частот. Другими словами, датчик не «чувствует» постоянных угловых скоростей. Эта особенность резко ограничивает область применения молекулярно-электронных измерителей и является основным фактором, препятствующим прямой конкуренции с микромеханическими вибрационными гироскопами. Конструкция микрогироскопов позволяет регистрировать постоянные угловые скорости, однако по таким параметрам, как уровень собственных шумов и чувствительность на частотах более 0,05 Гц, микромеханические приборы значительно уступают молекулярно-электронным аналогам. Именно молекулярно-электронный измеритель является прототипом данной полезной модели [13].

Технический результат: объединение микромеханического и молекулярно-электронного датчиков позволит повысить информативность получаемых данных, расширить частотный и динамический диапазон измерений и максимально снизить уровень собственного шума.

По отношению к прототипу частотный диапазон измерений устройства расширен в область низких частот вплоть до сигнала постоянной угловой скорости. Это значительно расширяет сферу применений гироскопа, открывая такие области как инерциальная навигация.

По отношению к распространенным в настоящее время микромеханическим гироскопам, полезная модель характеризуется значительно меньшим уровнем собственного шума на частотах выше 0,05 Гц и, как следствие, более высокой чувствительностью.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения параметров движения, содержащее жидкостной молекулярно-электронный измеритель и микромеханический вибрационный гироскоп, отличающееся тем, что последние объединены с возможностью выдачи комплектованных сигналов аналоговой обработки сложением двух отфильтрованных сигналов, причем жидкостной молекулярно-электронный измеритель выполнен в форме тороида и с возможностью формирования высокочастотной составляющей выходного сигнала, а микромеханический вибрационный гироскоп выполнен с возможностью формирования низкочастотной составляющей выходного сигнала. Кроме того, устройство содержит активные аналоговые фильтры и сумматор, функцией которых является фильтрация и сложение сигналов. Кроме того, устройство содержит цифровой процессор, функцией которого является цифровая фильтрация и сложение сигналов.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Структурная схема полезной модели на основе молекулярно-электронного преобразующего узла, где 1 - керамический корпус, 2 - рабочая жидкость, 3 -диэлектрические спейсоры, 4 - аноды, 5 - катоды.

Фиг.2. АЧХ МЭП в единицах углового ускорения.

Фиг.3.АЧХ МЭП в единицах угловой скорости.

Иллюстрация метода комплексирования сигналов с использованием простейших фильтров первого порядка показана для АЧХ на Фиг.4 и ФЧХ на Фиг.5 для фильтров высоких и низких частот с частотами среза 1 Гц. При сложении сигналов, обработанных такими фильтрами, восстанавливается плоская частотная характеристика.

Фиг.6. Коррекция частоты, определяющей границу частотных диапазонов микромеханического и молекулярно-электронного измерителей.

Фиг.7. Экспериментально измеренные шумовые характеристики микрогироскопа ADXRS614 и тороидального молекулярно-электронного измерителя диаметром ?9 мм в терминах Аллановской вариации.

Фиг.8. Структурная схема микрогироскопа ADXRS614.

Фиг.9. Структурная схема тороидального молекулярно-электронного измерителя. 6 -электролит, 7 - МЭП.

Фиг.10. График вариации Аллана полезной модели в сравнении с микрогироскопом ADXRS614.

В полезной модели методом комплексирования объединяются два измерителя углового движения различных типов - жидкостной молекулярно-электронный измеритель, выполненный в форме тороида, и микромеханический вибрационный гироскоп. Кроме того, микромеханический гироскоп формирует низкочастотную область спектра выходного сигнала прибора, а молекулярно-электронный измеритель - более высокочастотную. Кроме того, частотные области работы измерителей определяются на основе сравнительного анализа их шумовых характеристик. В качестве такой характеристики служит вариация Аллана, характеризующая ошибки измерений вызванные стохастическим процессами (шумами) в измерительных устройствах. Граница разделения частотных диапазонов соответствует точке пересечения графиков Аллановской вариации, измеренных экспериментально для каждого из использующихся измерителей. Комплексирование сигналов подразумевает фильтрацию и сложение двух сигналов, при котором передаточные функции фильтров подбираются таким образом, чтобы суммарная передаточная функция системы равнялась единице. Другими словами, после сложения восстанавливается «плоский» вид АЧХ и ФЧХ сигнала в рассматриваемой частотной области.

Основным чувствительным элементом полезной модели является тороидальный молекулярно-электронный преобразователь (МЭП) механического углового движения инерциальной жидкости в ток [13] (фиг.1). Полная передаточная функция МЭП определяется произведением передаточных функций механической и электрохимической систем: W_мет=W_mech W_el. При этом обе ее составляющие имеют достаточно сложную частотную зависимость. Сточки зрения теоретических моделей передаточная функция механики известна достаточно хорошо и представляет собой стандартную АЧХ колебательной системы с демпфированием. Электрохимическая система описывается одномерной моделью Ларкама [14], а также несколькими более поздними моделями [15].

Типичный вид АЧХ для молекулярно-электронного преобразователя в единицах углового ускорения представлен на фиг.2. На фиг.3 представлена та же АЧХ в единицах угловой скорости. В области низких частот АЧХ является плоской в единицах углового ускорения и, соответственно, возрастает ~f в единицах угловой скорости. Далее следует относительно плоский участок и спад сложной формы. При помощи корректирующей электроники плоский участок характеристики можно существенно расширить. Наилучшие достигнутые результаты для миниатюрных датчиков угловой скорости (по спаду характеристики на 3Дб) -0,005 Гц для нижней граничной частоты и 300 Гц для верхней. Однако так же как невозможно отодвинуть верхнюю граничную частоту в бесконечность, невозможно и опустить нижнюю планку регистрируемых частот до нуля герц. Исходя из этого, разумным представляется объединение описанных приборов так, чтобы микромеханический гироскоп восполнял недостающую низкочастотную составляющую сигнала МЭП. Использующийся в полезной модели метод объединения датчиков основывается на следующем факте. Рассмотрим два прибора, обладающих плоскими амплитудно частотными и фазово-частотными характеристиками во всем интересующем нас частотном диапазоне. При фильтрации их сигналов высокочастотным и низкочастотным фильтрами первого порядка и затем сложении, будет вновь восстановлены плоские АЧХ и ФЧХ сигнала. Это объясняется тем, что сложение передаточных функций этих двух фильтров дает единицу (фиг.3, фиг.4):

где задает частоту среза и в терминах аналоговых фильтров равна RC. Таким образом, низкочастотная область спектра полученного сигнала должна основываться на показании микромеханического гироскопа, а высокочастотная - молекулярно-электронного преобразователя. Микромеханический гироскоп обладает плоской АЧХ в единицах угловой скорости во всем рассматриваемом частотном диапазоне, и обработка его сигнала сводится лишь к фильтрации соответствующим RC-фильтром, настроенным на необходимую частоту среза.

Как было показано выше, МЭП не обладает плоской в единицах скорости АЧХ, однако в низкочастотной области его характеристика является плоской в единицах углового ускорения, что эквивалентно действию на плоскую в единицах скорости характеристику дифференцирующей RC-цепочки, или фильтра низких частот. Другими словами, АЧХ и ФЧХ МЭП в области низких частот уже имеют подходящий для комплексирования вид:

Частота среза этого фильтра фиксирована, однако ее можно скорректировать при помощи фильтра с передаточной функцией вида:

где f_C - необходимая частота «сшивки», то есть граница разделения частотных диапазонов работы датчиков. Таким образом, уравнение (1) запишется следующим образом:

Действие подобного фильтра на АЧХ МЭП продемонстрировано на Фиг.6 Коррекция частоты f₀ оправдана по двум причинам. Во-первых, f₀ нестабильна и зависит от температуры датчика. Для стабилизации этой частоты предложены схемы, основанные на описанном выше фильтре. Во-вторых, из-за существенно более высокого шума микромеханического гироскопа по сравнению с МЭП, оптимальная с точки зрения шумовых характеристик частота среза должна быть сдвинута по сравнению с f₀ в низкочастотную область спектра.

Функция высокочастотной коррекции спектра МЭП полностью эквивалентна традиционно использующемуся каскаду корректирующих активных фильтров. В итоге в низкочастотной области имеется спад характеристики, идентичный спаду, получаемому при фильтрации высокочастотным фильтром первого порядка сигнала с плоской АЧХ с частотой среза f_C. В высокочастотной области АЧХ остается плоской до необходимой частоты. АЧХ результата сложения такого сигнала с отфильтрованным сигналом микромеханического гироскопа, таким образом, оказывается плоской в полосе частот от 0 Гц.

Аналогичного результата можно добиться при использовании фильтров более высокого порядка. В частности, если использовать фильтр второго порядка, то уравнение (4) требуется заменить на следующее;

, где

первое слагаемое характеризует передаточную функцию молекулярно-электронного датчика, а второе - микрогироскопа.

Практическое устройство, обеспечивающее комплексирование выходных сигналов, может представлять собой либо аналоговую электронную плату, либо соответствующим образом запрограммированный цифровой процессор, обеспечивающие необходимые фильтрацию и сложение сигналов согласно (4) или (5)

Выбор границы разделения частотных диапазонов измерителей осуществляется с точки зрения оптимизации шумовых характеристик выходного сигнала. Существует несколько методов стохастического описания различных шумовых процессов. Среди них - анализ шумовых характеристик в терминах спектральной плотности мощности в частотной области и метод анализа временной последовательности для определения внутреннего шума системы как функции времени усреднения. В последнем случае, ошибку, вызванными стохастическими процессами характеризуют Аллановской Вариации [16], [17], [18]. Для подсчета Аллановской функции запись шумового сигнала разбивается на различное количество частей, характеризующихся одинаковым временем усреднения Т. Вариация для каждого конкретного времени усреднения определяется формулой:

где (T) - функция Аллана, y(Т) - усредненное значение записанного сигнала на i-й части разбиения, n - количество частей. После вычислений, в двойном логарифмическом масштабе строится зависимость функции Аллана от времени усреднения. Спектральная плотность мощности S(f) связана с Аллановской вариацией (T) следующим соотношением:

где Т - время усреднения, f - частота.

Аллановская вариация пропорциональна полной мощности шумового сигнала, прошедшего через фильтр, имеющий передаточную функцию вида sin⁴(x)/(x)². Очевидно, что ширина фильтра зависит от времени усреднения Т. Таким образом, метод Аллановской вариации, как функции времени усреднения Т, обеспечивает средства для идентификации и численной оценки вклада различных механизмов шумов, присутствующих в получаемых от измерителей данных.

Запись шумового сигнала измерителей ведется в течение длительного времени в термостабильных условиях и в отсутствии каких-либо внешних возмущающих воздействий. На фиг.7 приведены графики вариации Аллана, рассчитанные для шумовых записей микрогироскопа ADXRS614 и молекулярно-электронного преобразователя диаметром ?9 мм, для которого в данном эксперименте установлена полоса [0.05-10]Гц. Функция Аллановской вариации для молекулярно-электронного датчика является возрастающей в рассматриваемом временном диапазоне, а для микромеханического гироскопа - убывающей. В области больших времен усреднения, то есть низких частот, преобладает шум молекулярно-электронного измерителя, а в области высоких частот-микромеханического. Поэтому наилучшие шумовые характеристики прибора достигаются при выборе граничной частоты разделения диапазонов работы измерителей, которая соответствует точке пересечения графиков. Для данных датчиков эта частота равна 0,02 Практическим примером реализации полезной модели является гироскоп, чувствительными элементами которого являются микромеханический сенсор ADXRS614 кампании Analog Devices (фиг.8) и тороидальный молекулярно-электронный преобразователь диаметром ?6 мм (фиг.9). Измерители установлены на единую печатную плату, имеющую габариты 30×30 мм. Принципиальная электронная схема платы преставлена на фиг.10. Цепи питания данной платы реализуют:

- Инверсию питания;

- Стабилизацию на уровне ±2,5 В для питания микрогироскопа;

- Поддержку постоянной разности потенциалов 0,3 В между анодами и катодами молекулярно-электронного измерителя

- Фильтрацию питания.

Плата содержит каскад I/U преобразования тока молекулярно-электронного преобразователя в напряжение и все необходимые цепи коррекции АЧХ сигнала МЭП, описанные в предыдущем разделе. Задание полосы пропускания микромеханического гироскопа осуществляется подбором конденсатора в цепи обратной связи выходного операционного усилителя микросхемы (см. [4]). В выходной цепи реализован фильтр Баттерворта второго порядка для устранения высокочастотных помех в сигнале прибора. В таблице 1 приведены основные характеристики гироскопа в сравнении AXRS614. Согласно приведенным данным, предлагаемая полезная модель значительно превосходит микромеханические гироскопы по таким параметрам, как стабильность нулевого смещения, уровень собственного шума, чувствительность и динамический диапазон. Помимо этого, устройство характеризуется миниатюрными размерами, малым весом и сравнительно низким энергопотреблением относительно измерителей угловой скорости других типов. По соотношению себестоимости, а так же точностных, потребляющих и массогабаритных характеристик полезная модель не имеет аналогов среди измерителей угловой скорости и найдет применение в таких областях как системы инерциальной навигации, интеллектуальные системы безопасности, персональные измерители параметров движения и автоматизированные системы управления различного назначения.

Источники информации:

1. US Patent 5,056,366, October 1991, Vibrating fork sensing element, Fersht et al.

2. US Patent 5,329,816, July 1994, Vibratory Gyroscope, Soderkvist et al.

3. US Patent 5,585,562, December 1996, Vibration Sensing Gyro. Kurata et al.

4. Analog Devices ADXRS614 Data Sheet Rev. 00/2007

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXRS614.pdf

5. US Patent 3,910,122, October 1975, Angular Velocity Measuring Apparatus Using lonized Gas in an Endless Loop, Evans et al.

6. US Patent 4,232,553, November 1980, Angular Acceleration Sensing Apparatus,

Benedetto et al.

7. US Patent 3,910,123, October 1975, Apparatus for the measurement of angular

velocity, Evans et al.

8. Авторское свидетельство SU 1578661A1, Кл. G 01 P 15/08, Январь 1990,

Электрокинетический угловой акселерометр, Петлин А.И.

9. US Patent 4,461,176, July 1984, Angular Motion Sensor, Nearman et al.

10. Введение в молекулярную электронику. Под ред. Лидоренко Н.С. М.: Энергоатомиздат, 1984, 320 с.

11. Сафонов М.В., Агафонов В.М., Козлов В.А. Перспективы применения молекулярно-электронных сенсоров вращательного движения в различных научно-технических областях//Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий / Материалы X Международной конференции и Российской научной школы. Часть 1. - М.: Радио и связь, 2005, С.108.

12. Бугаев А.С., Сафонов М.В. "Молекулярно-электронное устройство для измерения механических движений", патент РФ на полезную модель 82862 U1, заявка 2008144490/22, 2008.

13. Козлов В.А., Сафонов М.В. и др. "Молекулярно-электронное устройство для измерения угловых движений", патент РФ на изобретение 2324946, заявка 2005130308/28(033961), 2005.

14. Larcam C.W. // J. Acous. Soc. Amer. 1965. V.37, P.664.

15. Козлов B.A., Терентьев Д.А. Исследование частотных характеристик пространственно ограниченной электрохимической ячейки в условиях конвективной диффузии. // Электрохимия, 2002, том 38, вып.9, с.1104-1112; Kozlov V.A., Terentev D.A. Frequency Characteristics of a Spatially-Confined Electrochemical Cell under Conditions of Convective Diffusion. // Russian Journal of Electrochemistry, 2002, vol. 38, 9, p.992-999" NEC TOKINs ceramic piezo gyros". . Retrieved

on 2009-05-28.

16. IEEE Std. 952-1997, "Guide and Test for Single Axis Interferometric Fiber Optic Gyros,"IEEE, 1997, p.63

17. Stockwell, W. (2004), "Bias Stability Measurement: Allan Variance", Crossbow Technology, Inc. Visited February 26, 2004.

http://www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/Bias_Stability_Measurement.pdf

18. Hou, H. and El-Sheimy, N. (2003), "Inertial Sensors Errors Modeling Using AllanVariance", Best Presentation Winning Paper, The US Institute of Navigation, ION GPS/GNSS 2003 Proceedings, pp.2860-2867, Sep 9-12, Portland, 2003.

1. Устройство для измерения параметров движения, содержащее жидкостной молекулярно-электронный измеритель и микромеханический вибрационный гироскоп, отличающееся тем, что последние объединены с возможностью выдачи комплексированных сигналов аналоговой обработки сложением двух отфильтрованных сигналов, причем жидкостной молекулярно-электронный измеритель выполнен в форме тороида и с возможностью формирования высокочастотной составляющей выходного сигнала, а микромеханический вибрационный гироскоп выполнен с возможностью формирования низкочастотной составляющей выходного сигнала.

2. Устройство для измерения параметров движения по п.1, отличающееся тем, что содержит активные аналоговые фильтры и сумматор, функцией которых является фильтрация и сложение сигналов.

3. Устройство для измерения параметров движения по п.1, отличающееся тем, что содержит цифровой процессор, функцией которого является цифровая фильтрация и сложение сигналов.

4. Устройство для измерения параметров движения по п.1, отличающееся тем, что оба чувствительных элемента, схемы питания и корректирующая электроника расположены на общей малогабаритной печатной плате.