RU2064682C1 - Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр - Google Patents
Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU2064682C1 RU2064682C1 RU93045981A RU93045981A RU2064682C1 RU 2064682 C1 RU2064682 C1 RU 2064682C1 RU 93045981 A RU93045981 A RU 93045981A RU 93045981 A RU93045981 A RU 93045981A RU 2064682 C1 RU2064682 C1 RU 2064682C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gyroscope
- external
- voltage generator
- harmonic voltage
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Использование: в инерциальных измерительных системах, в автопилотах авиа и судомоделей и в системах безопасности транспортных средств. Сущность изобретения: микромеханический гироскоп-акселерометр представляет собой систему двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием посредством торсионов. При этом оси торсионов, связывающих внутренний элемент с внешним и внешний с основанием, взаимно перпендикулярны. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента. Полезный сигнал снимается с датчика угла, реализованного с помощью электродов, размещенных на внутреннем элементе и основании, и поступает на предварительный усилитель и основной фазочувствительный выпрямитель, а затем через разделительный фильтр на дополнительный фильтр и фазочувствительный выпрямитель. При этом на выходе дополнительного фильтра сигнал будет пропорционален действующему линейному ускорению, а на выходе дополнительного фазочувствительного выпрямителя сигнал будет пропорционален действующей угловой скорости. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Изобретение относится к гироскопическим приборам и может найти применение в инерциальных измерительных системах, автопилотах авиа и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств и других областях техники.
Известен микромеханический вибрационный гироскоп (1), выполненный на основе кремниевой технологии.
Прибор представляет собой узел из системы двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием посредством торсионов. При этом оси торсионов, связывающих внутренний элемент с внешним и внешний с основанием, взаимно перпендикулярны. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента. Суть эффекта, положенного в основу функционирования рассматриваемого гироскопа, состоит в следующем. Посредством переменного электрического поля возбуждают колебания внешнего элемента определенной амплитуды и частоты. При вращении гироскопа относительно оси, перпендикулярной внешнему и внутреннему плоским элементам прибора, возникают силы Кориолиса, которые заставляют колебаться внутренний элемент. Полезный сигнал снимается с датчика угла, реализованного с помощью электродов, размещенных на внутреннем элементе и основании.
Прибор имеет существенный недостаток низкую чувствительность из-за малых площадей электродов датчика угла.
Данный недостаток частично устранен за счет использования нескольких внутренних элементов (2).
При этом электроды датчиков углов соединены параллельно, что позволяет увеличить их емкость и повысить чувствительность гироскопа в целом. Однако из-за того что центр масс инерционного элемента смещен относительно геометрического центра внутреннего элемента, эта конструкция имеет зависимость выходного сигнала от перекрестных ускорений.
Технический результат изобретения расширение функциональных возможностей микромеханического гироскопа.
Указанный результат достигается тем, что в состав микромеханического вибрационного гироскопа, содержащего узел чувствительного элемента в виде размещенных в горизонтальной плоскости внешнего и внутреннего плоских элементов, соединенных между собой и с основанием посредствам торсионов, при этом торсионы, связывающие внутренний элемент с внешним, а внешний с основанием, взаимно перпендикулярны, расположенной в центре внутреннего элемента инерционной массы в виде параллелепипеда, центр масс которой смещен относительно геометрического центра внутреннего элемента, являющегося точкой пересечения трех ортогональных координатных осей гироскопа, электроды датчиков угла и момента, напыленные на внутренний и внешний элементы, платы электродов, генератор гармонического напряжения, введены плата микросборки с размещенными на ней предварительным усилителем, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями, дополнительным генератором гармонического напряжения, регулятором напряжения и разделительным фильтром, узел чувствительного элемента размещен над платой электродов и жестко соединен с ней с помощью упоров, а плата электродов закреплена на плате микросборки, на которой также размещен генератор гармонического напряжения.
Ширина и длина инерционной массы равны между собой и существенно меньше ее высоты. Ответные электроды датчика угла и датчика момента напылены на поверхность платы микросборки. Электроды, расположенные на узле чувствительного элемента, электрически соединены между собой.
На узле чувствительного элемента размещен датчик температуры. Частота генератора гармонического напряжения больше частоты дополнительного генератора гармонического напряжения.
Собственная частота внутреннего элемента кратна собственной частоте внешнего элемента.
На фиг.1 показан предлагаемый гироскоп; на фиг.2 схема построения сборки узла чувствительного элемента на плате микросборки микромеханического гироскопа-акселерометра; на фиг.3 узел чувствительного элемента, вид сверху; на фиг. 4 узел чувствительного элемента микромеханического вибрационного гироскопа-акселерометра, вид снизу; на фиг.5 структурная схема построения микромеханического гироскопа-акселерометра.
Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр состоит из платы микросборки 1, на которой размещены элементы электроники и сборки узла чувствительного элемента 2 микромеханического вибрационного гироскопа-акселерометра, состоящей из плат электродов 3, 4 узла чувствительного элемента 5 и упоров 31, 33. Узел чувствительного элемента 5 установлен с помощью упоров 31, 33 между платами электродов 3, 4, узел чувствительного элемента 2 закреплен на плате микросборки 1. Узел чувствительного элемента 5 состоит из внутреннего плоского элемента 14 с инерционной массой 32, выполненной из материала с высокой удельной плотностью, в виде параллелепипеда с высотой существенно больше его ширины и внешнего элемента 15. С помощью травления или какого-то другого метода в узле чувствительного элемента 5 выполнены пазы 6, 7, 8 и 9 таким образом, что образуются торсионы 10, 11, 12 и 13, и закреплен датчик температуры 35. При этом торсионы 12 и 13 соединяют внутренний элемент 14 с внешним элементом 15, а торсионы 10 и 11 внешний элемент 15 с периферией узла чувствительного элемента 5. На внутреннем элементе 14 с нижней стороны напылены электроды 16, 17 и на плате электродов 3 напылены электроды 18 и 19 емкостного датчика угла. На внешнем элементе 15 с верхней стороны напылены электроды 20, 21 а на нижней стороне платы электродов 4 напылены электроды 22, 23 электростатического датчика момента. Электроды емкостного датчика угла посредством напыленных токопроводящих дорожек соединены с предварительным усилителем 24. В свою очередь, предварительный усилитель 24 соединен с основным фазочувствительным выпрямителем 25, который соединен с фильтром 34 и через разделительный фильтр 30 соединен с дополнительным фазочувствительным выпрямителем 28. Электроды 20, 21, 22, 23 электростатического датчика момента соединены с регулятором напряжения 29. Для обеспечения работы всех подсистем используются генераторы частоты 26 и 27. При этом генератор 26 соединен с предварительным усилителем 24 и с основным фазочувствительным выпрямителем 25, а дополнительный генератор 27 соединен с регулятором напряжения 29 и дополнительным фазочувствительным выпрямителем 28.
Микромеханический вибрационный гироскоп работает следующим образом. С дополнительного генератора напряжения 27 гармоническое напряжение через регулятор напряжения 29 поступает на электроды 20, 21, 22, 23 и дополнительный фазочувствительный выпрямитель 28 и с основного генератора 26 гармоническое напряжение поступает на предварительный усилитель 24 и основной фазочувствительный выпрямитель 25. Образующийся момент электростатических сил задает внешнему элементу 15 узла 5 колебания с амплитудой, пропорциональной напряжению дополнительного генератора 27. При действии по оси, перпендикулярной плоскости узла 5, угловой скорости Ω инерционная масса 32 совместно с внутренним элементом 14 начнет совершать колебания вокруг оси, образуемой торсионами 12, 13, амплитуда которых будет пропорциональна измеряемой угловой скорости Ω. Если одновременно с угловой скоростью будет действовать ускорение вдоль оси торсионов 10, 11 внешнего элемента 15, то появится постоянное угловое смещение , пропорциональное величине действующего ускорения относительно оси, образуемой торсионами 12, 13. При этом выходной сигнал (U1) с емкостного датчика, состоящего из электродов 16, 17, 18, 19, предварительного усилителя и основного фазочувствительного выпрямителя 25, будет иметь вид
,
где К1 K2 коэффициенты пeредачи.
,
где К1 K2 коэффициенты пeредачи.
Этот сигнал поступает на фильтр 34 и разделительный фильтр 30, где на первом фильтре отфильтровывается переменная составляющая, а на разделительном фильтре 30 отфильтровывается постоянная составляющая, и поступает на дополнительный фазочувствительный выпрямитель 28. На их выходе сигналы будут иметь вид
.
.
Таким образом, выходные сигналы будут пропорциональны действующему ускорению и угловой скорости вращения.
Амплитуда колебаний внутреннего элемента при определенных допущенных в зависимости от измеряемой угловой скорости будет определяться выражением
,
где Кo коэффициент передачи по углу канала гироскопа;
W1 передаточная функция по углу канала гироскопа;
θ2 амплитуда колебаний внешнего элемента;
Ω измеряемая угловая скорость.
,
где Кo коэффициент передачи по углу канала гироскопа;
W1 передаточная функция по углу канала гироскопа;
θ2 амплитуда колебаний внешнего элемента;
Ω измеряемая угловая скорость.
При сосредоточении основной массы в инерционном элементе выражение для Кo будет иметь вид
,
где С, b высота и ширина инерционной массы соответственно.
,
где С, b высота и ширина инерционной массы соответственно.
Отсюда видно, что для обеспечения максимальной величины Ko=2 необходимо обеспечить С>b. Для устранения помехи, обусловленной неперпендикулярностью осей подвеса OX1 внутреннего и OY2 внешнего элементов должно выполняться условие равенства ширины b и длины a инерционной массы.
Claims (7)
1. Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр, содержащий узел чувствительного элемента в виде размещенных в горизонтальной плоскости внешнего и внутреннего плоских элементов, соединенных между собой и с основанием посредством торсионов, при этом торсионы, связывающие внутренний элемент с внешним, а внешний с основанием, взаимно перпендикулярны, расположенной в центре внутреннего элемента инерционной массы в виде параллелепипеда, центр масс которой смещен относительно геометрического центра внутреннего элемента, являющегося точкой пересечения трех ортогональных координатных осей гироскопа, электроды датчиков угла и момента, напыленные на внутренний и внешний элементы, платы электродов, генератор гармонического напряжения, отличающийся тем, что в него введены плата микросборки с размещенными на ней предварительным усилителем, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями, дополнительным генератором гармонического напряжения, регулятором напряжения и разделительным фильтром, узел чувствительного элемента размещен над платой электродов и жестко соединен с ней с помощью упоров, а плата электродов закреплена на плате микросборки, на которой также размещен генератор гармонического напряжения, при этом электроды датчика угла соединены с первым входом предварительного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого фазочувствительного выпрямителя, второй вход первого фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом генератора гармонического напряжения, а выход с входом фильтра и через разделительный фильтр с первым входом второго фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого подключен к одному из выходов дополнительного генератора гармонического напряжения, другой выход которого через регулятор напряжения подключен к электродам датчика момента, а второй вход предварительного усилителя соединен с выходом генератора гармонического напряжения.
2. Гироскоп-акселерометр по п. 1 отличающийся тем, что ширина и длина инерционной массы равны между собой и существенно меньше ее высоты.
3. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что ответные электроды датчика угла и датчика момента напылены на поверхность платы микросборки.
4. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что электроды, расположенные на узле чувствительного элемента, электрически соединены между собой.
5. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что на узле чувствительного элемента размещен датчик температуры.
6. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что частота генератора гармонического напряжения больше частоты дополнительного генератора гармонического напряжения.
7. Гироскоп-акселерометр по п.1, отличающийся тем, что собственная частота внутреннего элемента кратна собственной частоте внешнего элемента.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93045981A RU2064682C1 (ru) | 1993-09-28 | 1993-09-28 | Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93045981A RU2064682C1 (ru) | 1993-09-28 | 1993-09-28 | Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93045981A RU93045981A (ru) | 1996-05-27 |
RU2064682C1 true RU2064682C1 (ru) | 1996-07-27 |
Family
ID=20147787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93045981A RU2064682C1 (ru) | 1993-09-28 | 1993-09-28 | Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2064682C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997024578A1 (fr) * | 1995-12-27 | 1997-07-10 | Tovarischestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostju Nauchno-Proizvodstvennaya Kompania 'vektor' | Gyroscope micromecanique a vibrations |
RU2477491C1 (ru) * | 2011-08-10 | 2013-03-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Датчик резонаторный |
-
1993
- 1993-09-28 RU RU93045981A patent/RU2064682C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Burton Boxenhorn, A micromechanical gyroscope, AIAA Conference, 1988, part 2. 2. Патент США N 4598585, кл. G O1 Р 15/02, 1986. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1997024578A1 (fr) * | 1995-12-27 | 1997-07-10 | Tovarischestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostju Nauchno-Proizvodstvennaya Kompania 'vektor' | Gyroscope micromecanique a vibrations |
RU2477491C1 (ru) * | 2011-08-10 | 2013-03-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" | Датчик резонаторный |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7971483B2 (en) | Systems and methods for acceleration and rotational determination from an out-of-plane MEMS device | |
US5691471A (en) | Acceleration and angular velocity detector | |
US7984648B2 (en) | Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane MEMS device | |
EP0895059B1 (en) | Two axis navigation grade micro-machined rotation sensor system | |
US4654663A (en) | Angular rate sensor system | |
US6701786B2 (en) | Closed loop analog gyro rate sensor | |
US6367786B1 (en) | Micromachined double resonator | |
US4841773A (en) | Miniature inertial measurement unit | |
US6487907B1 (en) | Microgyroscope with integrated vibratory element | |
EP0497289B1 (en) | A capacitive angular acceleration sensor | |
USRE33479E (en) | Vibratory angular rate sensing system | |
US6539801B1 (en) | Z-axis vibratory gyroscope | |
US9315376B2 (en) | Planar structure for a triaxial gyrometer | |
US11390517B2 (en) | Systems and methods for bias suppression in a non-degenerate MEMS sensor | |
US6445195B1 (en) | Drive feedthrough nulling system | |
JPS60213814A (ja) | 平坦な慣性センサ | |
JP2002501202A (ja) | 角速度測定のための構成 | |
EP1389299A1 (en) | Counterbalanced silicon tuned multiple accelerometer-gyro | |
JP2000074673A (ja) | 複合運動センサ | |
RU2064682C1 (ru) | Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр | |
JPS60135815A (ja) | マルチセンサ | |
WO1996004525A2 (en) | Two axis navigation grade micromachined rotation sensor system | |
JP3873266B2 (ja) | 三次元角速度センサ | |
KR960010421B1 (ko) | 압전회전각센서 | |
KR100215935B1 (ko) | 진동 자이로의 진동자 |