Датчик угловой скорости на базе микромеханических гироскопов
Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к приборам измерения угловой скорости в инерциальном пространстве. Техническим результатом полезной модели является понижение порога чувствительности датчика угловой скорости. Технический результат достигается тем, что датчик угловой скорости содержит n микромеханических гироскопов с жесткими механическими связями между ними. Выход каждого гироскопа по каналу передачи данных соединен с соответствующим входом сумматора, выходом связанного со входом управляемого аттенюатора с коэффициентом ослабления, равным количеству гироскопов, выход которого служит для передачи измеренной угловой скорости потребителям. 1 ил.
Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к приборам измерения угловой скорости в инерциальном пространстве.
В настоящее время в системах стабилизации и управления, в навигационных системах среднего класса точности широко используются приборы для измерения угловой скорости (датчики вращения) двух видов: волоконно-оптические гироскопы (ВОГ)) (RU 2273858 C1, МПК 8: G01P 9/02, опубл. 10.04.2008) и микромеханические гироскопы (ММГ) RU 2385462 C1, МПК 8: G01P 9/04, опубл. 27.03.2006).
Сравнение волоконно-оптических и микромеханических гироскопов показывает, что при более высокой стоимости волоконно-оптические гироскопы имеют лучшие показатели по случайному шуму и дрейфу нуля. Для снижения стоимости аппаратуры, использующей датчики вращения предлагается заменять одиночные волоконно-оптические гироскопы на датчик угловой скорости на базе нескольких микромеханических гироскопов, с сохранением необходимых технических параметров.
Во многих областях применения датчиков вращения, например в судовождении, существенно важным является способность датчика измерять угловую скорость малой величины.
Наиболее близким аналогом к полезной модели является навигационный прибор на основе микромеханических датчиков вращения, содержащий защитный корпус с выводами, в котором размещены интегрированная бесплатформенная инерциальная навигационная система с датчиками угловой скорости. Каждый датчик угловой скорости это плата, на которой смонтировано по одному микромеханическому гироскопу. По меньшей мере, два датчика угловой скорости установлены перпендикулярно к плате чувствительных элементов и жестко скреплены с ней. Причем, датчики угловой скорости расположены так, что оси чувствительности микромеханических гироскопов расположены перпендикулярно друг к другу. В состав навигационной системы входит микроконтроллер, на который поступают сигналы от микромеханическими чувствительных элементов (RU 2263282 C1, МПК: G01C 23/00, опубл. 27.10.2005).
Недостаток указанного устройства заключается в том, что минимальная угловая скорость (порог чувствительности), которую можно измерить, ограничивается случайным шумом и дрейфом нуля микромеханического гироскопа (ММГ), смонтированного на плате датчика вращения.
В системах стабилизации и управления, где время измерения мало, порог чувствительности ограничивается шумом датчика. В навигационных системах, где величину угла поворота находят путем интегрирования угловой скорости, порог чувствительности ограничивается дрейфом нуля. Для обеспечения функционирования указанных технических систем порог чувствительности датчиков угловой скорости должен быть меньше нижней границы диапазона их рабочих угловых скоростей, поэтому понижения порога чувствительности датчиков вращения является актуальной технической задачей.
Техническим результатом полезной модели является понижение порога чувствительности датчика вращения, предназначенного для использования в системах управления движением, по сравнению с порогом чувствительности одиночного микромеханического гироскопа.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик угловой скорости использует n микромеханических гироскопов с жесткими механическими связями между ними, оси чувствительности всех n микромеханических гироскопов параллельны оси чувствительности датчика угловой скорости. Выход каждого гироскопа соединен с соответствующим входом сумматора, выходной сигнал сумматора поступает на вход аттенюатора с регулируемым коэффициентом уменьшения, равным количеству гироскопов, для уменьшения выходного сигнала сумматора в n раз. Сигнал с выхода управляемого аттенюатора передается потребителям.
На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема датчика угловой скорости на базе нескольких микромеханических гироскопов. Микромеханические гироскопы могут иметь как цифровой, так и аналоговый выходы.
Датчик угловой скорости содержит n микромеханических гироскопов (ММГ) 1, (n-1) жестких механических связей 2 между ними, n каналов передачи данных 3, сумматор 4, канал передачи данных 5 от сумматора в управляемый аттенюатор 6, канал передачи данных потребителям 7.
Выход каждого ММГ 1 связан с соответствующим входом сумматора 4 через соответствующий канал передачи данных 3, выход сумматора 4 каналом передачи данных 5 связан с входом управляемого аттенюатора 6, выход аттенюатора 6 связан каналом передачи данных потребителем 7.
Датчик угловой скорости работает следующим образом. Каждый ММГ 1 измеряет текущее значение угловой скорости поворота системы относительно инерциального пространства и по каналу передачи данных 3 передает это значение в сумматор 4. С сумматора 4 данные поступают по каналу 5 на вход управляемого аттенюатора 6 с коэффициентом ослабления, равным количеству ММГ 1, который уменьшает выходной сигнал сумматора в n раз. На выход управляемого аттенюатора 6 поступает среднее значение 
от измеренных величин 1, 2, 
, n соответствующее формуле (1) и передается по каналу передачи данных 7 потребителям.
где 1, 2, , n - текущая угловая скорость, измеренная гироскопами 
1, ММГ2, ММГn соответственно,
n - количество гироскопов
- среднее значение угловой скорости
Шумы разных микромеханических гироскопов, находящихся в одинаковых условиях, являются некоррелированными случайными процессами. По данным фирмы Analog Devices дрейфы нуля разных микромеханических гироскопов то же являются некоррелированными случайными процессами (Technical Article MS-2158). Поэтому среднее значение угловой скорости будет иметь шумовую составляющую и дрейф нуля, уменьшенные в n раз. Т.е. обеспечивается понижение порога чувствительности в n раз.
Датчик угловой скорости, содержащий n микромеханических гироскопов с жесткими механическими связями между собой, выход каждого гироскопа по каналу передачи данных соединен с соответствующим входом сумматора, выходом связанного со входом управляемого аттенюатора с коэффициентом ослабления, равным количеству гироскопов, выход которого служит для передачи измеренной угловой скорости потребителям.
РИСУНКИ
