RU2723141C1 - Angular speed sensor - Google Patents

Angular speed sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2723141C1
RU2723141C1 RU2019117741A RU2019117741A RU2723141C1 RU 2723141 C1 RU2723141 C1 RU 2723141C1 RU 2019117741 A RU2019117741 A RU 2019117741A RU 2019117741 A RU2019117741 A RU 2019117741A RU 2723141 C1 RU2723141 C1 RU 2723141C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pendulum
amplifier
angular velocity
adder
rotation
Prior art date
Application number
RU2019117741A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Кириллович Куролес
Original Assignee
Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" filed Critical Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка"
Priority to RU2019117741A priority Critical patent/RU2723141C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2723141C1 publication Critical patent/RU2723141C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: measurement.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, more specifically to rotary-sensitive devices with oscillating mass. Such devices are used in aircraft stabilization and control systems. Angular velocity sensor comprises an oscillating mass (pendulum) and a measuring element which determines the pendulum rotation in the plane orthogonal to the action plane of forces acting on the sensor base. Additionally, second similar pendulum and measuring element are introduced, as well as adder, instrument amplifier of signals from two measuring elements, operational amplifier and differential amplifier. Both pendulums and both measuring elements are made in a single technological cycle according to MEMS technology. Pendulums in sensor housing are arranged such that rotation of second pendulum is opposite to rotation of first pendulum, at that, outputs of both sensitive angular velocity elements are connected to heteropolar inputs of instrument amplifier and to unipolar inputs of adder, adder output is connected to input of operational amplifier with transmission coefficient C, and the output of the operational amplifier and the output of the instrument amplifier are subtracted on the additionally introduced differential amplifier.
EFFECT: technical result is higher angular velocity sensor accuracy.
1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике, более конкретно к поворотно-чувствительным устройствам с колеблющейся массой. Используются такие устройства в системах стабилизации и управления летательными аппаратами.The proposed device relates to measuring technique, and more particularly to rotary-sensitive devices with oscillating mass. Such devices are used in stabilization and control systems of aircraft.

Наиболее близким предлагаемому устройству является датчик угловой скорости ДУС ММА. Этот датчик выполнен по технологии МЭМС (микро электронно-механические системы). Он содержит колеблющийся маятник, который поворачивается в плоскости, ортогональной плоскости действия сил отклоняющих его основание. Поворот маятника фиксируется емкостным датчиком. Датчик описан www.mp-lab.ru. Аналогичные датчики описаны в патентах №2234679, №2398189, №2209394 и многих других. МЭМС датчики имеют малые весогабаритные параметры, однако обладают гораздо большими уходами начального напряжения, вызванными изменением температуры окружающей среды и механическими внешними воздействиями.The closest to the proposed device is the angular velocity sensor DUS MMA. This sensor is made by MEMS technology (micro electronic mechanical systems). It contains an oscillating pendulum, which rotates in a plane orthogonal to the plane of action of the forces deflecting its base. The rotation of the pendulum is detected by a capacitive sensor. The sensor is described www.mp-lab.ru. Similar sensors are described in patents No. 2234679, No. 2398189, No. 2209394 and many others. MEMS sensors have small weight and size parameters, but they have much greater departure of the initial voltage caused by changes in ambient temperature and mechanical external influences.

Предлагаемое устройство направлено на устранение указанного недостатка. Цель его существенное снижение уходов начального напряжения.The proposed device is aimed at eliminating this drawback. The purpose of it is a significant reduction in the departure of the initial stress.

Указанная цель в датчике угловых скоростей достигается за счет введения дополнительной колеблющейся массы, расположенной в датчике так, что воздействие сил отклоняющих его основание, поворачивает маятник против поворота маятника, образованного первой колеблющейся массой. Сигналы с датчиков поворота маятников при этом как вычитаются так и суммируются. Разностный сигнал в большей степени зависит от угловой скорости и в меньшей степени от дестабилизирующих внешних факторов. Суммарный сигнал наоборот, в большей степени зависит от дестабилизирующих факторов. Если маятники выполнить в одном технологическом цикле, то суммарный сигнал вообще не будет зависеть от угловой скорости и нести информацию только о погрешности датчика угловой скорости. Эту погрешность можно вычесть из разносного сигнала. Указанное выше реализуется введением в датчик вычитателя и сумматора сигналов о повороте обеих маятников.The indicated goal in the angular velocity sensor is achieved by introducing an additional oscillating mass located in the sensor so that the action of forces deflecting its base rotates the pendulum against the rotation of the pendulum formed by the first oscillating mass. The signals from the pendulum rotation sensors are both subtracted and summed. The difference signal is more dependent on the angular velocity and to a lesser degree on destabilizing external factors. The total signal, on the contrary, is more dependent on destabilizing factors. If the pendulums are executed in one technological cycle, then the total signal will not depend on the angular velocity at all and carry information only on the error of the angular velocity sensor. This error can be subtracted from the separation signal. The above is implemented by introducing into the sensor a subtractor and an adder of signals about the rotation of both pendulums.

Общими элементами прототипа и предложенного датчика является применение в качестве чувствительного элемента колеблющегося маятника выполненного по технологии МЭМС.Common elements of the prototype and the proposed sensor is the use of a vibrating pendulum made by MEMS technology as a sensitive element.

Отличительными признаками являются:Distinctive features are:

- введение дополнительного маятника- introduction of an additional pendulum

- введение сумматора и вычитателя сигналов о повороте маятников.- Introduction of the adder and subtractor of the signals about the rotation of the pendulums.

За счет отличительных признаков определяется погрешность датчика угловых скоростей, которая вызвана температурными воздействиями внешней среды. Эта погрешность может быть учтена при определении угловой скорости.Due to the distinguishing features, the error of the angular velocity sensor is determined, which is caused by the temperature effects of the external environment. This error can be taken into account when determining the angular velocity.

Работа устройства поясняется рисунком 1. На рисунке 1 представлена функциональная схема предложенного датчика. Позиции 1 и 2 - это колеблющиеся массы. 3 и 4 - элементы определяющие поворот колеблющихся масс. 5 - вычитатель, который реализуется инструментальным усилителем, 6 - сумматор, 7 - дифференциальный усилитель, 8 - операционный усилитель с коэффициентом передачи С.The operation of the device is illustrated in Figure 1. Figure 1 shows the functional diagram of the proposed sensor. Positions 1 and 2 are oscillating masses. 3 and 4 - elements that determine the rotation of the oscillating masses. 5 - a subtractor, which is implemented by a tool amplifier, 6 - an adder, 7 - a differential amplifier, 8 - an operational amplifier with a transmission coefficient C.

При повороте основания датчика, на выходе элемента 3 потенциал ϕ1 изменяется пропорционально угловой скорости Ω и также этот сигнал определяется уходом начального напряжения U0.When the base of the sensor is rotated, at the output of element 3, the potential ϕ 1 changes in proportion to the angular velocity Ω and this signal is also determined by the departure of the initial voltage U 0 .

ϕ1=K1⋅Ω+U01 ϕ 1 = K 1 ⋅Ω + U 01

На выходе элемента 4 потенциал ϕ2 определяется тем же уходом начального напряжения, но скорость основания датчика определяет этот потенциал с обратным знаком:At the output of element 4, the potential ϕ 2 is determined by the same departure of the initial voltage, but the speed of the base of the sensor determines this potential with the opposite sign:

ϕ2=-Ω⋅K2+U02 ϕ 2 = -Ω⋅K 2 + U 02

При этом на выходе сумматора сигнал определится выражением:In this case, at the output of the adder, the signal is determined by the expression:

UΣ=ϕ1+ϕ2=C(K1-K2)⋅Ω+CU0l+CU02,U Σ = ϕ 1 + ϕ 2 = C (K 1 -K 2 ) ⋅Ω + CU 0l + CU 02 ,

а на выходе инструментального усилителя сигнал равен разности этих потенциалов:and at the output of the instrumental amplifier, the signal is equal to the difference of these potentials:

Ur=ϕ1-ϕ2=(K1+K2)⋅Ω+U01-U02 U r = ϕ 1 -ϕ 2 = (K 1 + K 2 ) ⋅Ω + U 01 -U 02

На выходе дифференциального усилителя 7 сигнал определится выражением:The output of the differential amplifier 7, the signal is determined by the expression:

Figure 00000001
где С - коэффициент передачи сигнала UΣ на выход датчика.
Figure 00000001
where C is the transmission coefficient of the signal U Σ to the output of the sensor.

Из выражения 1 следует, что, если выполнить настройку датчика в соответствии с равенством:

Figure 00000002
, то выходной сигнал датчика угловой скорости не будет зависеть от дрейфа начального напряжения. Тем самым показано, что такое устройство может обладать дрейфом начального уровня близким к «0». Для этого только понадобится измерение соотношения дрейфов напряжения начального уровня. Это соотношение при выполнении чувствительных элементов датчика в одном технологическом цикле является постоянным.From expression 1 it follows that if you configure the sensor in accordance with the equality:
Figure 00000002
, then the output signal of the angular velocity sensor will not depend on the drift of the initial voltage. Thus, it is shown that such a device may have an initial level drift close to "0". To do this, you only need to measure the ratio of the voltage drifts of the initial level. This ratio when performing the sensitive elements of the sensor in one technological cycle is constant.

Claims (1)

Датчик угловых скоростей, содержащий колеблющуюся массу (маятник) и измерительный элемент, определяющий поворот маятника в плоскости, ортогональной плоскости действия сил, воздействующих на основание датчика, отличающийся тем, что дополнительно введены вторые аналогичные маятник и измерительный элемент, а также сумматор, инструментальный усилитель сигналов с двух измерительных элементов, операционный усилитель и дифференциальный усилитель, причем оба маятника и оба измерительных элемента выполнены в едином технологическом цикле по технологии МЭМС, а маятники в корпусе датчика расположены так, что поворот второго маятника противоположен повороту маятника первого, при этом выходы обоих чувствительных элементов угловой скорости подключены к разнополярным входам инструментального усилителя и к однополярным входам сумматора, выход сумматора соединен со входом операционного усилителя с коэффициентом передачи С, определяемым из условия:
Figure 00000003
, где U01,U02 - отклонения напряжения чувствительных элементов угловой скорости от начальных значений (дрейф «0»), а выход операционного усилителя и выход инструментального усилителя вычитаются на дополнительно введенном дифференциальном усилителе.An angular velocity sensor containing an oscillating mass (pendulum) and a measuring element that determines the rotation of the pendulum in a plane orthogonal to the plane of action of the forces acting on the sensor base, characterized in that a second similar pendulum and measuring element are additionally introduced, as well as an adder, an instrumental signal amplifier with two measuring elements, an operational amplifier and a differential amplifier, both pendulums and both measuring elements are made in a single technological cycle using MEMS technology, and the pendulums in the sensor housing are located so that the rotation of the second pendulum is opposite to the rotation of the first pendulum, while the outputs of both sensitive elements angular velocity are connected to the bipolar inputs of the instrument amplifier and to the unipolar inputs of the adder, the output of the adder is connected to the input of the operational amplifier with a transmission coefficient C, determined from the conditions:
Figure 00000003
where U 01 , U 02 are the deviations of the voltage of the angular velocity sensing elements from the initial values (drift "0"), and the output of the operational amplifier and the output of the instrumental amplifier are subtracted by the additionally introduced differential amplifier.
RU2019117741A 2019-06-07 2019-06-07 Angular speed sensor RU2723141C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117741A RU2723141C1 (en) 2019-06-07 2019-06-07 Angular speed sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019117741A RU2723141C1 (en) 2019-06-07 2019-06-07 Angular speed sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2723141C1 true RU2723141C1 (en) 2020-06-09

Family

ID=71067762

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019117741A RU2723141C1 (en) 2019-06-07 2019-06-07 Angular speed sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2723141C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2315953C1 (en) * 2006-05-30 2008-01-27 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Method of control of sensitive element and forming output signal of vibration corolis gyroscopic angular-rate sensor and device for realization of this method
RU2344374C1 (en) * 2007-07-17 2009-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)
RU2398189C1 (en) * 2009-04-13 2010-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) Integrated micromechanical gyroscope
US8534127B2 (en) * 2009-09-11 2013-09-17 Invensense, Inc. Extension-mode angular velocity sensor
RU2580871C1 (en) * 2014-11-20 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ Tuning fork microgyroscope

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2315953C1 (en) * 2006-05-30 2008-01-27 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Method of control of sensitive element and forming output signal of vibration corolis gyroscopic angular-rate sensor and device for realization of this method
RU2344374C1 (en) * 2007-07-17 2009-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)
RU2398189C1 (en) * 2009-04-13 2010-08-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) Integrated micromechanical gyroscope
US8534127B2 (en) * 2009-09-11 2013-09-17 Invensense, Inc. Extension-mode angular velocity sensor
RU2580871C1 (en) * 2014-11-20 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ Tuning fork microgyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2406973C2 (en) Method for calibration of platform-free inertial navigation systems
CN101949710A (en) Rapid online dynamic calibration method for zero offset of GNSS (Global Navigation Satellite System) auxiliary MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) inertial sensor
JP2014510932A (en) Accelerometer system and method
US20130186202A1 (en) Device and method for recording at least one acceleration and a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium and also use of such a device
Manjiyani et al. Development of MEMS based 3-axis accelerometer for hand movement monitoring
US20190277877A1 (en) Continuous calibration of accelerometer sensitivity by proof-mass dithering
JP2884502B2 (en) Wide-velocity range flight velocity vector measurement system using quadrangular pyramid-shaped 5-hole probe
Alves et al. High-resolution MEMS inclinometer based on pull-in voltage
Fedasyuk et al. A tester of the MEMS accelerometers operation modes
RU2723141C1 (en) Angular speed sensor
Tkalich et al. Analysis of errors in micromechanical devices
Grigorie et al. Concepts for error modeling of miniature accelerometers used in inertial navigation systems
Rudyk Analysis of the errors of MEMS accelerometers by the Allan variation method
Korobiichuk Analysis of errors of piezoelectric sensors used in weapon stabilizers
RU154196U1 (en) ANGULAR SPEED SENSOR ON THE BASIS OF MICROMECHANICAL GYROSCOPES
US3250133A (en) Differential accelerometer
US2970471A (en) Rate of climb meter
Zając et al. Coupled electro-mechanical simulation of capacitive MEMS accelerometer for determining optimal parameters of readout circuit
Alves et al. FPGA controlled MEMS inclinometer
Timoshenkov et al. Calibration of the inertial sensors in real time
RU143669U1 (en) ROLL AND ROTATION SENSOR FOR RAPID CONTROLLED APPLIANCE
Altınöz Identification of inertial sensor error parameters
Bobuski Identifikace, detekce a odhad parametrů mechanických pohybů měrených multi-senzorovou sítí
Joshi et al. Characterization of capacitive comb-finger MEMS accelerometers
Katalin Microcontroller based system for vibration analysis