Интерфейс для микромеханического гироскопа

Авторы патента:

Настоящая полезная модель относится к микромеханическим датчикам скорости вращения, в которых используется эффект Кориолиса, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. Устройство содержит канал управления первичными колебаниями инерционной массы (ИМ) чувствительного элемента (ЧЭ), включающий в себя второй преобразователь емкость-напряжение, первое фазосдвигающее устройство, устройство автоматической регулировки усиления, канал управления вторичными колебаниями, включающий в себя первый преобразователь емкость-напряжение, электронный фильтр и релейное звено, демодулятор, включающий в себя умножитель, первый и второй полосовые фильтры, при этом вход первого полосового фильтра соединен с выходом релейного звена через второе фазосдвигающее устройство, вход второго полосового фильтра соединен с выходом устройства автоматической регулировки усиления, а выходы первого и второго полосовых фильтров соединены со входами умножителя, между выходом первого полосового фильтра и умножителем введено суммирующее устройство, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра через последовательно соединенные устройство с изменяемым коэффициентом передачи и третье фазосдвигающее устройство. Технический результат - повышение точности ММГ (1 илл.).

При работе ММГ из-за погрешностей при изготовлении чувствительного элемента (ЧЭ) возникает квадратурная помеха, при которой подвижная масса (ПМ) ЧЭ при нулевой угловой скорости основания совершает колебания вокруг оси вторичных колебаний.

Известны следующие технические решения, обеспечивающие подавление квадратурной помехи в ММГ:

- в устройстве по патенту РФ 2274833 сигнал квадратурной помехи подавляется только на уровне электрического сигнала за счет отрицательной обратной связи (ООС) в канале вторичных колебаний. При этом ПМ из-за наличия квадратурной помехи совершает колебания вокруг оси чувствительности ММГ;

- в работе Riccardo Antonello, Roberto Oboe, Open Loop Compensation of the Quadrature Error in MEMS Vibrating Gyroscopes // Industrial Electronics, 2009. IECON 09. 35th Annual Conference of IEEE, pp. 4034-4039 описан ММГ, в котором компенсация квадратурной помехи в канале вторичных колебаний достигается за счет использования подстроечных конденсаторов (Cc, + и Cc) в схеме измерителя перемещений. Такое подавление имеет недостаток, аналогичный устройству по патенту РФ 2274833: ПМ совершает колебания вокруг оси чувствительности ММГ, а подавление происходит только на уровне электрического сигнала;

- в ММГ по патенту РФ 2320962 для подавления квадратурной помехи на электрод, над зубцовой зоной ПМ, подается постоянное напряжение. Недостатком такого подавления является то, что необходима индивидуальная подстройка каждого образца, а также наличие в структуре ЧЭ дополнительных электродов для компенсации квадратурной помехи.

В качестве прототипа выбрано устройство, описанное в патенте США 8476970. В устройстве за счет ООС на электродах формируются сигналы управления, подавляющие отклонение ПМ от нулевого положения. При этом в сигнале управления содержится информация, как о квадратурной помехе, так и об угловой скорости. Выделение полезного сигнала осуществляется только за счет синхронного детектора и подстройки фазы в фильтрах.

Недостатком прототипа является то, что изменение фазы опорного сигнала детектора приводит к появлению погрешности подавления квадратурной помехи. Если последняя составляет 300-600°/c, то изменение фазы опорного сигнала только на 0,001 градуса приведет к изменению выходного сигнала на 20-40°/ч.

Задача полезной модели - подавление квадратурной помехи.

Технический результат - повышение точности ММГ.

Поставленная задача решается тем, что в ММГ компенсационного типа между умножителем и вторым полосовым фильтром в канале вторичных колебаний введено суммирующее устройство, второй вход которого через последовательно соединенные устройство с изменяемым коэффициентом передачи и фазосдвигающее устройство соединен с выходом полосового фильтра в канале первичных колебаний.

Настройка коэффициента передачи устройства с изменяемым коэффициентом передачи и фазы фазосдвигающего устройства позволяет уменьшить величину квадратурной помехи на входе демодулятора в десять и более раз.

Основное преимущество предлагаемой полезной модели обусловлено заявленной совокупностью признаков.

На фиг. 1 приведена блок схема предлагаемого устройства:

1 - канал управления вторичными колебаниями,

2 - первый преобразователь емкость - напряжение,

3 - электронный фильтр,

4 - релейное звено,

5 - второе фазосдвигающее устройство,

6 - первый полосовой фильтр,

7 - суммирующее устройство,

8 - чувствительный элемент,

9 - устройство с изменяемым коэффициентом передачи,

10 - умножитель,

11 - третье фазосдвигающее устройство,

12 - канал управления первичными колебаниями,

13 - второй преобразователь емкость - напряжение,

14 - первое фазосдвигающее устройство,

15 - устройство автоматической регулировки усиления,

16 - второй полосовой фильтр.

Интерфейс для ММГ, состоящий из канала управления первичными колебаниями 12 инерционной массы (ИМ) чувствительного элемента (ЧЭ) 8, включающего в себя второй преобразователь емкость-напряжение 13, первое фазосдвигающее устройство 14, устройство автоматической регулировки усиления 15, а также канала управления вторичными колебаниями 1, включающего в себя первый преобразователь емкость-напряжение 2, электронный фильтр 3 и релейное звено 4, умножитель 10, первый и второй полосовые фильтры 6, 16, при этом вход первого полосового фильтра 6 соединен с выходом релейного звена 4 через второе фазосдвигающее устройство 5, вход второго полосового фильтра 16 соединен с выходом устройством автоматической регулировки усиления 15, выход второго полосового фильтра 16 соединен со входом умножителя 10, выход первого полосового фильтра 6 соединен с умножителем 10 через суммирующее устройство 7, второй вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 16 через последовательно соединенные устройство с изменяемым коэффициентом передачи 9 и третье фазосдвигающее устройство 11.

Устройство работает следующим образом.

Канал управления первичными колебаниями 12 возбуждает колебательные движения ИМ чувствительного элемента 8. При появлении переносной скорости основания относительно оси чувствительности возникает момент сил Кориолиса, который вызывает вторичные угловые колебания ИМ ММГ. При этом в канале управления вторичными колебаниями 1 формируется сигнал управления, который возвращает ИМ в нейтральное положение. Сигнал на выходе канала управления вторичными колебаниями 1 содержит информацию, как об угловой скорости, так и информацию о квадратурной помехе и является амплитудно-модулированным. Для выделения сигнала угловой скорости используется синхронная демодуляция на основе умножителя 10. В качестве опорного сигнала при демодуляции используется сигнал управления с выхода канала управления первичными колебаниями 12.

Для выделения полезного сигнала пропорционального угловой скорости основания с помощью второго фазосдвигающего устройства 5 фазу сигнала на выходе канала управления вторичными колебаниями 1 сдвигают таким образом, чтобы фаза сигнала на выходе первого полосового фильтра 6 совпадала с фазой опорного сигнала на выходе второго полосового фильтра 16.

Для уменьшения амплитуды квадратурной помехи сигнал с выхода первого полосового фильтра 6 перед демодуляцией суммируется с опорным сигналом с выхода второго полосового фильтра 16, сдвинутым по фазе с помощью третьего фазосдвигающего устройства 11 и измененным по амплитуде с помощью устройства с изменяемым коэффициентом передачи 9. При этом, амплитуда сигнала на выходе устройства с изменяемым коэффициентом передачи 9 равна по амплитуде и противоположна по фазе сигналу с выхода первого полосового фильтра 6.

Компьютерное моделирование показало, что в устройстве при выполнении вышеописанного условия, в сигнале на выходе суммирующего устройства 7 и на входе умножителя 10 практически отсутствует квадратурная помеха, а при изменении фазы опорного сигнала под влиянием внешних факторов, прохождение сигнала квадратурной помехи на выходе умножителя 10 незначительно, что позволяет повысить точность ММГ и, следовательно, достичь заявленного технического результата.

Интерфейс для микромеханического гироскопа, содержащий канал управления первичными колебаниями инерционной массы (ИМ) чувствительного элемента (ЧЭ), включающий в себя второй преобразователь емкость - напряжение, первое фазосдвигающее устройство, устройство автоматической регулировки усиления, канал управления вторичными колебаниями, включающий в себя первый преобразователь емкость - напряжение, электронный фильтр и релейное звено, демодулятор, включающий в себя умножитель, первый и второй полосовые фильтры, при этом вход первого полосового фильтра соединен с выходом релейного звена через второе фазосдвигающее устройство, вход второго полосового фильтра соединен с выходом устройства автоматической регулировки усиления, выход второго полосового фильтра соединен с входом умножителя, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные третье фазосдвигающее устройство, устройство с изменяемым коэффициентом передачи и суммирующее устройство, при этом вход третьего фазосдвигающего устройства соединен с выходом второго полосового фильтра, выход устройства с изменяемым коэффициентом передачи соединен со вторым входом суммирующего устройства, первый вход суммирующего устройства соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход суммирующего устройства соединен с входом умножителя.

Похожие патенты: