RU114148U1

RU114148U1 - DEVICE FOR MEASURING MOTION PARAMETERS BASED ON MICROMECHANICAL AND MOLECULAR ELECTRONIC SENSITIVE ELEMENTS

Info

Publication number: RU114148U1
Application number: RU2011106909/28U
Authority: RU
Inventors: Вадим Михайлович Агафонов; Александр Николаевич Антонов; Дмитрий Леонидович Зайцев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Р-сенсорс"
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-03-10

Abstract

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. 1. A device for measuring motion parameters, comprising a liquid molecular electronic meter and a micromechanical vibration gyroscope, characterized in that the latter are combined with the possibility of issuing complex signals of analog processing by adding two filtered signals, and the liquid molecular electronic meter is made in the form of a toroid and with the possibility forming the high-frequency component of the output signal, and the micromechanical vibration gyroscope is configured to generate the low-frequency component of the output signal. ! 2. A device for measuring motion parameters according to claim 1, characterized in that it contains active analog filters and an adder, the function of which is to filter and add signals. ! 3. A device for measuring motion parameters according to claim 1, characterized in that it contains a digital processor, the function of which is digital filtering and signal addition. ! 4. A device for measuring motion parameters according to claim 1, characterized in that both sensing elements, power supply circuits and corrective electronics are located on a common small-sized printed circuit board.

Description

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.The utility model relates to devices for measuring the parameters of angular motion and, due to its high accuracy characteristics, miniature size, low weight and low energy consumption, is able to find application in various fields of mechanics, technology and even medicine. Among them are inertial navigation systems, robotics, stabilization systems, and other automated control systems for various purposes.

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].Currently, micromechanical vibration gyroscopes are widely used. Most of the produced microgyroscopes use the principle based on measuring the dynamic deformations of a microstructure vibrating with a high frequency, caused by the Coriolis inertia forces. Microstructure vibrations are excited by an electrostatic drive. Oscillations in one plane are forced. Induced vibrations in another plane appear when the micro gyroscope is rotated. The most common design, where the vibrating microstructure is made in the form of one or more U-shaped forks, the ends of which vibrate in the plane of the forks [1], [2], [3]. Under the influence of the measured angular velocity, the ends of the fork twist in a perpendicular plane. The amount of twist is detected by either piezoelectric or capacitive measuring elements. The current level of technology allows you to combine similar designs and all the necessary electronics in one small-sized chip. For example, the ADXRS614 micromechanical gyroscope of the Analog Devices campaign [4] has dimensions of 7 × 7 × 3 mm and weight less than 0.5 g. The main disadvantage of microgyroscopes is the low sensitivity value, which is primarily due to the high intrinsic noise level of the micromechanical system. The consequence of this is a low dynamic range, insufficient to solve many modern problems. A number of devices proposed for measuring angular movements use the inertial properties of a liquid or gas enclosed in a toroidal channel. The undoubted advantage of devices of this kind is the lack of movable mechanical parts and recording devices that are sensitive to the accuracy of the manufacture of trace elements. Among the patented devices of this type, we note, for example, angular velocity and acceleration meters described in [5], [6], where it is proposed to use microscopic temperature sensors as a sensitive element. A heat source is located between the temperature sensors, and the magnitude of the recorded signal is judged by the difference in temperature recorded by the temperature sensors. A similar measurement scheme was proposed in [7], where negative electrodes are used instead of temperature sensors, and the central positive electrode ionizing the gas particles in the toroid plays the role of a heat source. Unfortunately, the accuracy, dynamic and frequency range of this type of meter leaves much to be desired even in comparison with micromechanical meters of rotational motion parameters. The best characteristics were obtained using the electrokinetic transformation principle [8], [9]. At the same time, patented devices have characteristic dimensions of several centimeters or more. This limitation cannot be fundamentally eliminated, since the efficiency of the electrokinetic conversion is extremely small and the only way to increase the sensitivity to the necessary level when performing inertial level measurements is to increase the area of the converter toroid. Among the angular motion meters that use the inertial properties of a liquid in a toroidal channel, the most promising and dynamically developing are molecular-electronic sensors of angular velocities and accelerations [10], [11], [12]. As an inertial mass in such devices, a concentrated solution of iodine-iodine electrolyte is used, into which electrodes are immersed. When a small potential difference is applied to the electrodes, a reversible electrochemical reaction begins to occur on them and the process of electron transfer between the anode and cathode occurs, due to, in the absence of liquid motion, the diffusion transfer of active electrolyte ions. In the presence of hydrodynamic flows, convective is added to the diffusion transfer, which, depending on the direction of the fluid flow, leads to an increase or decrease in the current in the system. Variations in the electric current caused by the arising hydrodynamic flows are the output signal of the sensor. The transfer function of the described conversion of mechanical motion into current is characterized by a complex frequency dependence, and the fatal characteristic of the frequency response is its tendency to zero in the low-frequency region. In other words, the sensor does not “sense” constant angular velocities. This feature sharply limits the scope of molecular-electronic meters and is the main factor preventing direct competition with micromechanical vibration gyroscopes. The design of microgyroscopes makes it possible to record constant angular velocities; however, in such parameters as the level of intrinsic noise and sensitivity at frequencies above 0.05 Hz, micromechanical devices are significantly inferior to molecular-electronic counterparts. It is the molecular-electronic meter that is the prototype of this utility model [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.Technical result: the combination of micromechanical and molecular-electronic sensors will increase the information content of the obtained data, expand the frequency and dynamic range of measurements and minimize the level of intrinsic noise.

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.In relation to the prototype, the frequency range of the device’s measurements is expanded to the low-frequency region up to a constant angular velocity signal. This greatly expands the scope of the gyroscope, opening areas such as inertial navigation.

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.In relation to the currently widely used micromechanical gyroscopes, the utility model is characterized by a significantly lower level of intrinsic noise at frequencies above 0.05 Hz and, as a consequence, higher sensitivity.

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.The claimed technical result is achieved due to the fact that the device for measuring motion parameters containing a liquid molecular electronic meter and a micromechanical vibration gyroscope, characterized in that the latter are combined with the possibility of generating complete analog processing signals by adding two filtered signals, the liquid molecular electronic meter made in the form of a toroid and with the possibility of forming a high-frequency component of the output signal, and micromechanical The vibrational gyroscope is configured to generate a low-frequency component of the output signal. In addition, the device contains active analog filters and an adder, the function of which is to filter and add signals. In addition, the device contains a digital processor, the function of which is digital filtering and addition of signals.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

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.Figure 1. The structural diagram of a utility model based on a molecular-electronic converting unit, where 1 is a ceramic body, 2 is a working fluid, 3 is a dielectric spacers, 4 is anode, 5 is cathode.

Фиг.2. АЧХ МЭП в единицах углового ускорения.Figure 2. Frequency response of MEP in units of angular acceleration.

Фиг.3.АЧХ МЭП в единицах угловой скорости.Figure 3. AFC MEP in units of angular velocity.

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.An illustration of the method of signal integration using the simplest first-order filters is shown for the frequency response in Fig. 4 and the phase response in Fig. 5 for high and low-pass filters with cut-off frequencies of 1 Hz. When adding signals processed by such filters, the flat frequency response is restored.

Фиг.6. Коррекция частоты, определяющей границу частотных диапазонов микромеханического и молекулярно-электронного измерителей.6. Correction of the frequency defining the boundary of the frequency ranges of micromechanical and molecular-electronic meters.

Фиг.7. Экспериментально измеренные шумовые характеристики микрогироскопа ADXRS614 и тороидального молекулярно-электронного измерителя диаметром ?9 мм в терминах Аллановской вариации.7. The experimentally measured noise characteristics of an ADXRS614 microgyroscope and a toroidal molecular-electronic meter with a diameter of? 9 mm in terms of the Allan variation.

Фиг.8. Структурная схема микрогироскопа ADXRS614.Fig. 8. Block diagram of the ADXRS614 microgyroscope.

Фиг.9. Структурная схема тороидального молекулярно-электронного измерителя. 6 -электролит, 7 - МЭП.Fig.9. Block diagram of a toroidal molecular-electronic meter. 6 - electrolyte; 7 - MEP.

Фиг.10. График вариации Аллана полезной модели в сравнении с микрогироскопом ADXRS614.Figure 10. Allan variation graph of utility model versus ADXRS614 microgyroscope.

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.In a utility model, two complex angular motion meters of a different type are combined by a complexing method — a liquid molecular-electronic meter made in the form of a toroid and a micromechanical vibration gyroscope. In addition, a micromechanical gyroscope forms a low-frequency region of the spectrum of the output signal of the device, and a molecular-electronic meter forms a higher-frequency one. In addition, the frequency areas of operation of the meters are determined on the basis of a comparative analysis of their noise characteristics. The Allan variation, which characterizes the measurement errors caused by stochastic processes (noise) in the measuring devices, serves as such a characteristic. The separation boundary of the frequency ranges corresponds to the point of intersection of the graphs of the Allan variation measured experimentally for each of the meters used. Combining signals involves filtering and adding two signals, in which the transfer functions of the filters are selected so that the total transfer function of the system is equal to one. In other words, after addition, the “flat” form of the frequency response and phase response of the signal in the frequency domain under consideration is restored.

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].The main sensitive element of the utility model is a toroidal molecular-electronic transducer (MEP) of the mechanical angular motion of an inertial fluid into a current [13] (Fig. 1). The complete transfer function of the MEP is determined by the product of the transfer functions of the mechanical and electrochemical systems: W _met = W _mech W _el . At the same time, both its components have a rather complicated frequency dependence. From the point of view of theoretical models, the transfer function of mechanics is well known and is a standard frequency response of an oscillatory system with damping. The electrochemical system is described by the one-dimensional Larkam model [14], as well as several later models [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):A typical view of the frequency response for a molecular electronic converter in units of angular acceleration is shown in Fig.2. Figure 3 presents the same frequency response in units of angular velocity. At low frequencies, the frequency response is flat in units of angular acceleration and, accordingly, increases ~ f in units of angular velocity. What follows is a relatively flat area and a decline in complex shape. Using corrective electronics, the flat section of the characteristic can be significantly expanded. The best results achieved for miniature angular velocity sensors (by the decay of the characteristic by 3 dB) are -0.005 Hz for the lower cut-off frequency and 300 Hz for the upper. However, just as it is impossible to push the upper cutoff frequency to infinity, it is also impossible to lower the lower bar of the recorded frequencies to zero hertz. Based on this, it seems reasonable to combine the described devices so that the micromechanical gyroscope makes up for the missing low-frequency component of the MEP signal. The method for combining sensors used in the utility model is based on the following fact. Consider two devices with flat amplitude-frequency and phase-frequency characteristics in the entire frequency range of interest to us. When filtering their signals with high-frequency and low-frequency filters of the first order and then adding, the flat frequency response and phase response of the signal will be restored again. This is due to the fact that the addition of the transfer functions of these two filters gives a unit (figure 3, figure 4):

где τ 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.where τ sets the cutoff frequency and in terms of analog filters is equal to RC. Thus, the low-frequency region of the spectrum of the received signal should be based on the readings of the micromechanical gyroscope, and the high-frequency region should be based on the molecular-electronic converter. A micromechanical gyroscope has a flat frequency response in units of angular velocity in the entire frequency range under consideration, and processing its signal is reduced only to filtering by an appropriate RC filter tuned to the required cutoff frequency.

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:As shown above, the MEP does not have a frequency response that is flat in units of frequency, but in the low-frequency region its characteristic is flat in units of angular acceleration, which is equivalent to the action of a differentiating RC chain or low-pass filter on a plane in speed units. In other words, the frequency response and phase response of the MEP in the low frequency region already have the form suitable for complexing:

Частота среза этого фильтра фиксирована, однако ее можно скорректировать при помощи фильтра с передаточной функцией вида:The cutoff frequency of this filter is fixed, but it can be adjusted using a filter with a transfer function of the form:

где f_C - необходимая частота «сшивки», то есть граница разделения частотных диапазонов работы датчиков. Таким образом, уравнение (1) запишется следующим образом:where f _C is the necessary frequency of “stitching”, that is, the separation boundary of the frequency ranges of the sensors. Thus, equation (1) is written as follows:

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.The effect of such a filter on the frequency response of the MEP is shown in Fig.6. The frequency correction f _{0 is} justified for two reasons. First, f _{0 is} unstable and depends on the temperature of the sensor. To stabilize this frequency, circuits based on the filter described above are proposed. Secondly, due to the significantly higher noise of the micromechanical gyroscope compared to the MEP, the cutoff frequency that is optimal from the point of view of noise characteristics should be shifted compared to f ₀ in the low-frequency region of the spectrum.

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.The high-frequency correction function of the MEP spectrum is fully equivalent to the traditionally used cascade of corrective active filters. As a result, in the low-frequency region there is a decrease in the characteristic identical to that obtained by filtering a first-order filter with a flat frequency response with a cutoff frequency f _C. In the high-frequency region, the frequency response remains flat to the required frequency. The frequency response of the addition of such a signal to the filtered signal of the micromechanical gyroscope, thus, turns out to be flat in the frequency band from 0 Hz.

Аналогичного результата можно добиться при использовании фильтров более высокого порядка. В частности, если использовать фильтр второго порядка, то уравнение (4) требуется заменить на следующее;A similar result can be achieved using higher-order filters. In particular, if a second-order filter is used, then equation (4) needs to be replaced with the following;

, где where

первое слагаемое характеризует передаточную функцию молекулярно-электронного датчика, а второе - микрогироскопа.the first term characterizes the transfer function of the molecular-electronic sensor, and the second characterizes the microgyroscope.

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)A practical device that provides a combination of output signals can be either an analog electronic board or an appropriately programmed digital processor that provides the necessary filtering and addition of signals according to (4) or (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:The choice of the separation boundary of the frequency ranges of the meters is carried out from the point of view of optimizing the noise characteristics of the output signal. There are several methods for stochastic description of various noise processes. Among them are an analysis of noise characteristics in terms of power spectral density in the frequency domain and a time sequence analysis method for determining the internal noise of a system as a function of averaging time. In the latter case, the error caused by stochastic processes characterize the Allan Variation [16], [17], [18]. To calculate the Allan function, the recording of the noise signal is divided into a different number of parts characterized by the same averaging time T. The variation for each specific averaging time is determined by the formula:

где σ (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_Ω(f) связана с Аллановской вариацией σ (T) следующим соотношением:where σ (T) is the Allan function, y (T) is the average value of the recorded signal on the i-th part of the partition, n is the number of parts. After calculations, the dependence of the Allan function on the averaging time is plotted on a double logarithmic scale. The power spectral density S _Ω (f) is related to the Allan variation σ (T) by the following relation:

где Т - время усреднения, f - частота.where T is the averaging time, f is the frequency.

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.The Allan variation is proportional to the total power of the noise signal transmitted through a filter having a transfer function of the form sin ⁴ (x) / (x) ² . Obviously, the filter width depends on the averaging time T. Thus, the Allan variation method, as a function of the averaging time T, provides a means for identifying and numerically assessing the contribution of various noise mechanisms present in the data received from the meters.

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:The noise signal of the meters is recorded for a long time under thermostable conditions and in the absence of any external disturbing influences. Figure 7 shows the Allan variation graphs calculated for noise recordings of the ADXRS614 microgyroscope and a molecular-electronic transducer with a diameter of? 9 mm, for which a band of [0.05-10] Hz was established in this experiment. The Allan variation function for the molecular-electronic sensor is increasing in the considered time range, and for the micromechanical gyroscope, it is decreasing. In the region of large averaging times, i.e., low frequencies, the noise of a molecular-electronic meter prevails, and in the region of high frequencies, micromechanical. Therefore, the best noise characteristics of the device are achieved by choosing the cutoff frequency of the separation of the measuring ranges of the meters, which corresponds to the point of intersection of the graphs. For these sensors, this frequency is 0.02. A practical example of the implementation of a utility model is a gyroscope, the sensitive elements of which are the ADXRS614 micromechanical sensor of the Analog Devices campaign (Fig. 8) and a toroidal molecular-electronic transducer with a diameter of? 6 mm (Fig. 9). The meters are mounted on a single printed circuit board having dimensions of 30 × 30 mm. Schematic diagram of the circuit board is shown in figure 10. The power circuits of this board implement:

- Инверсию питания;- Inversion of nutrition;

- Стабилизацию на уровне ±2,5 В для питания микрогироскопа;- Stabilization at the level of ± 2.5 V for powering the microgyroscope;

- Поддержку постоянной разности потенциалов 0,3 В между анодами и катодами молекулярно-электронного измерителя- Maintaining a constant potential difference of 0.3 V between the anodes and cathodes of the molecular-electronic meter

- Фильтрацию питания.- Power filtering.

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.The board contains an I / U cascade of current conversion of the molecular-electronic converter into voltage and all the necessary correction circuits for the frequency response of the MEP signal described in the previous section. The bandwidth of the micromechanical gyroscope is set by selecting a capacitor in the feedback circuit of the output operational amplifier of the microcircuit (see [4]). The second-order Butterworth filter is implemented in the output circuit to eliminate high-frequency interference in the signal of the device. Table 1 shows the main characteristics of the gyroscope in comparison with AXRS614. According to the data presented, the proposed utility model is significantly superior to micromechanical gyroscopes in such parameters as zero-bias stability, intrinsic noise level, sensitivity and dynamic range. In addition, the device is characterized by miniature dimensions, low weight and relatively low power consumption relative to angular velocity meters of other types. By the ratio of cost, as well as accuracy, consumption and weight and size characteristics, the utility model has no analogues among angular velocity meters and will find application in such areas as inertial navigation systems, intelligent security systems, personal meters of motion parameters and automated control systems for various purposes.

Источники информации:Information sources:

1. US Patent №5,056,366, October 1991, Vibrating fork sensing element, Fersht et al.1. US Patent No. 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.2. US Patent No. 5,329,816, July 1994, Vibratory Gyroscope, Soderkvist et al.

3. US Patent №5,585,562, December 1996, Vibration Sensing Gyro. Kurata et al.3. US Patent No. 5,585,562, December 1996, Vibration Sensing Gyro. Kurata et al.

4. Analog Devices ADXRS614 Data Sheet Rev. 00/20074. Analog Devices ADXRS614 Data Sheet Rev. 00/2007

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXRS614.pdfhttp://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.5. US Patent No. 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,6. US Patent No. 4,232,553, November 1980, Angular Acceleration Sensing Apparatus,

Benedetto et al.Benedetto et al.

7. US Patent №3,910,123, October 1975, Apparatus for the measurement of angular7. US Patent No. 3,910,123, October 1975, Apparatus for the measurement of angular

velocity, Evans et al.velocity, Evans et al.

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

Электрокинетический угловой акселерометр, Петлин А.И.Electrokinetic Angular Accelerometer, A. Petlin

9. US Patent №4,461,176, July 1984, Angular Motion Sensor, Nearman et al.9. US Patent No. 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.10. Introduction to molecular electronics. Ed. Lidorenko N.S. M .: Energoatomizdat, 1984, 320 p.

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.108.11. Safonov M.V., Agafonov V.M., Kozlov V.A. Prospects for the use of molecular-electronic sensors of rotational motion in various scientific and technical fields // System Problems of Reliability, Quality, Information and Electronic Technologies / Materials of the X International Conference and the Russian Scientific School. Part 1. - M .: Radio and communications, 2005, p.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, 2008.12. Bugaev A.S., Safonov M.V. "Molecular-electronic device for measuring mechanical movements," RF patent for utility model No. 82862 U1, application No. 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), 2005.13. Kozlov V.A., Safonov M.V. and others. "Molecular electronic device for measuring angular movements", patent of the Russian Federation for the invention No. 2323946, application No. 2005130308/28 (033961), 2005.

14. Larcam C.W. // J. Acous. Soc. Amer. 1965. V.37, P.664.14. 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., Terent′ev 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 TOKIN′s ceramic piezo gyros". . Retrieved15. Kozlov B.A., Terentyev D.A. Investigation of the frequency characteristics of a spatially limited electrochemical cell under convective diffusion. // Electrochemistry, 2002, volume 38, issue 9, p.1104-1112; Kozlov V.A., Terent′ev D.A. Frequency Characteristics of a Spatially-Confined Electrochemical Cell under Conditions of Convective Diffusion. // Russian Journal of Electrochemistry, 2002, vol. 38, No. 9, p.992-999 "NEC TOKIN′s ceramic piezo gyros". . Retrieved

on 2009-05-28.on 2009-05-28.

16. IEEE Std. 952-1997, "Guide and Test for Single Axis Interferometric Fiber Optic Gyros,"IEEE, 1997, p.6316. 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, 2004.17. 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.pdfhttp://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, 2003.18. Hou, H. and El-Sheimy, N. (2003), "Inertial Sensors Errors Modeling Using Allan Variance", Best Presentation Winning Paper, The US Institute of Navigation, ION GPS / GNSS 2003 Proceedings, pp. 2860-2867, Sep 9-12, Portland, 2003.

Claims

1. A device for measuring motion parameters, comprising a liquid molecular electronic meter and a micromechanical vibration gyroscope, characterized in that the latter are combined with the possibility of generating complex analog processing signals by adding two filtered signals, the liquid molecular electronic meter being made in the form of a toroid and with the formation of the high-frequency component of the output signal, and the micromechanical vibration gyroscope is configured to low-frequency component of the output signal.

2. The device for measuring motion parameters according to claim 1, characterized in that it contains active analog filters and an adder, the function of which is to filter and add signals.

3. The device for measuring motion parameters according to claim 1, characterized in that it contains a digital processor, the function of which is digital filtering and signal addition.

4. The device for measuring motion parameters according to claim 1, characterized in that both sensitive elements, power circuits and corrective electronics are located on a common small-sized printed circuit board.