RU2279634C2 - Micromechanical gyroscope - Google Patents

Micromechanical gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2279634C2
RU2279634C2 RU2004129017/28A RU2004129017A RU2279634C2 RU 2279634 C2 RU2279634 C2 RU 2279634C2 RU 2004129017/28 A RU2004129017/28 A RU 2004129017/28A RU 2004129017 A RU2004129017 A RU 2004129017A RU 2279634 C2 RU2279634 C2 RU 2279634C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
electrodes
group
capacitive sensor
Prior art date
Application number
RU2004129017/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004129017A (en
Inventor
Яков Анатольевич Некрасов (RU)
Яков Анатольевич Некрасов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2004129017/28A priority Critical patent/RU2279634C2/en
Publication of RU2004129017A publication Critical patent/RU2004129017A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2279634C2 publication Critical patent/RU2279634C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: micromechanical engineering.
SUBSTANCE: micromechanical gyroscope comprises rotor and stator provided with the first group of electrodes that define a motor along the axis of vibration excitation, second group of electrodes arranged along the axis of measurements of the output signal, capacitive transducer defined by the electrodes of the second group and capacity-voltage converter, automatic-frequency control system whose input is connected with the output of the capacitive transducer, multiplier whose first input is connected with the output of the capacitive transducer, low-frequency filter whose input is connected with the output of the multiplier, rectifier whose input is connected with the output of the capacitive transducer, integrator whose input is connected with the output of the rectifier, phase-shifting unit whose output is connecter with the output of the capacitive transducer, and adder whose outputs are connected with the outputs of the integrator and phase-shifting unit. The output of the adder is connected with the electrodes of the first group. The second input of the multiplier is connected with the output o of the automatic-frequency control system.
EFFECT: simplified design.
6 dwg

Description

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа и схемам измерения перемещения подвижной массы (ПМ) или ротора в этих гироскопах.The invention relates to the field of micromechanics, in particular to micromechanical gyroscopes (MMGs) of vibration type and to schemes for measuring the movement of a moving mass (PM) or rotor in these gyroscopes.

Известны конструкции емкостных датчиков, предназначенных для измерения перемещений ПМ по оси возбуждения колебаний или драйва (drive axis) [Пат. США №6253612, Распопов В.Я. Микромеханические приборы, Тула, 2002 г., стр.323]. Выходной сигнал этих датчиков используется в гироскопах для формирования контура возбуждения колебаний в канале драйва (гребенчатого двигателя по оси возбуждения колебаний) и стабилизации их амплитуды, а также при выделении сигнала, пропорционального измеряемой скорости вращения. Для формирования датчика перемещений на подвижной массе и основании формируют соответствующие электроды и вводят электронные блоки. Примеры реализации конструкции гироскопа можно найти в пат. США №6253612, фиг.2, 3. Для измерения перемещений ПМ по другим осям размещают емкостные датчики по ним (см. пат. США №6253612, столбец 5).Known designs of capacitive sensors designed to measure the displacements of PM along the axis of excitation of vibrations or drive (drive axis) [US Pat. USA No. 6253612, Raspopov V.Ya. Micromechanical devices, Tula, 2002, p. 323]. The output signal of these sensors is used in gyroscopes to form an oscillation excitation circuit in the drive channel (a comb engine along the axis of oscillation excitation) and to stabilize their amplitude, as well as to isolate a signal proportional to the measured rotation speed. To form a displacement sensor on the moving mass and the base, the corresponding electrodes are formed and electronic units are introduced. Examples of the implementation of the design of the gyroscope can be found in US Pat. US No. 6253612, figure 2, 3. To measure the movements of the PM along other axes, capacitive sensors are placed on them (see US Pat. No. 6253612, column 5).

Такой подход является общепринятым. В качестве примера можно обратиться к пат. США №5604309, где на фиг.5 показаны емкостные датчики, расположенные по ортогональным осям (ось драйва и ось чувствительности или выходная ось).This approach is generally accepted. As an example, refer to US Pat. US No. 5,604,309, where FIG. 5 shows capacitive sensors located along orthogonal axes (drive axis and sensitivity axis or output axis).

Отметим явление, которое, как правило, присуще ММГ: наличие в выходном сигнале (т.е. в сигнале емкостного датчика, расположенного по выходной оси) квадратурной помехи. Амплитуда этой помехи на 3-4 порядка превышает порог чувствительности ММГ, т.е. эта составляющая является превалирующей. Благодаря тому, что эта составляющая сдвинута на 90° по отношению к полезной составляющей, определяемой кориолисовыми ускорениями, имеется возможность подавления квадратурной помехи и сведения ее к нулевому уровню.Note the phenomenon that is usually inherent in MMG: the presence of quadrature noise in the output signal (i.e., in the signal of the capacitive sensor located along the output axis). The amplitude of this interference is 3-4 orders of magnitude higher than the sensitivity threshold of MMG, i.e. this component is prevailing. Due to the fact that this component is shifted 90 ° with respect to the useful component determined by Coriolis accelerations, it is possible to suppress quadrature noise and reduce it to a zero level.

Природа квадратурной помехи достаточно ясно объяснена в [Пат. США №6370937]. В [Пат. США №№5604309, 6370937, 5604306] описаны возможные пути построения ММГ, в котором эта помеха подавляется.The nature of the quadrature interference is quite clearly explained in [Pat. US No. 6370937]. In [Pat. USA No. 5604309, 6370937, 5604306] describes possible ways of building MMG, in which this interference is suppressed.

Исключение одного емкостного датчика из ММГ могло бы упростить конструкции ММГ. Поэтому формирование сигнала, фаза которого стабильна по отношению к перемещениям ПМ по оси драйва, без использования емкостного датчика перемещений ПМ по этой оси позволит снизить стоимость ММГ.The exclusion of one capacitive sensor from MMG could simplify the construction of MMG. Therefore, the formation of a signal whose phase is stable with respect to PM displacements along the drive axis without using a capacitive PM displacement sensor along this axis will reduce the cost of MMG.

В качестве прототипа выбран микромеханический гироскоп, содержащий емкостной датчик и систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вход которой подключен к выходу емкостного датчика (см. фиг.5 пат. США №6253612).As a prototype, a micromechanical gyroscope containing a capacitive sensor and a phase locked loop (PLL), the input of which is connected to the output of the capacitive sensor (see figure 5 of US Pat. No. 6253612), is selected.

Задачей изобретения является упрощение конструкции ММГ и снижение его стоимости.The objective of the invention is to simplify the design of MMG and reduce its cost.

Дополнительной задачей изобретения является увеличение амплитуды колебаний ПМ или снижение амплитуды напряжения, подаваемого на гребенчатый двигатель.An additional object of the invention is to increase the amplitude of the PM oscillations or to reduce the amplitude of the voltage supplied to the comb engine.

Поставленная задача достигается тем, что в микромеханическом гироскопе, содержащем ротор и статор с первой группой электродов, образующих гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, и второй группой электродов, расположенных по оси измерения выходного сигнала, емкостной датчик, образованный электродами второй группы и преобразователем емкость - напряжение, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вход которой подключен к выходу емкостного датчика, умножитель, первый вход которого соединен с выходом емкостного датчика, фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с выходом умножителя, согласно изобретению введены выпрямитель, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, интегратор, вход которого подключен к выходу выпрямителя, фазосдвигающее устройство, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, и устройство суммирования, входы которого подключены к выходам интегратора и фазосдвигающего устройства, а выход устройства суммирования соединен с электродами первой группы, при этом второй вход умножителя соединен с выходом системы ФАПЧ.The problem is achieved in that in a micromechanical gyroscope containing a rotor and a stator with a first group of electrodes forming a comb motor along the axis of excitation of oscillations, and a second group of electrodes located along the axis of measurement of the output signal, the capacitive sensor formed by the electrodes of the second group and the converter voltage, phase locked loop (PLL), the input of which is connected to the output of the capacitive sensor, a multiplier, the first input of which is connected to the output of the capacitive sensor, fi according to the invention, a rectifier is introduced, the input of which is connected to the output of the capacitive sensor, an integrator whose input is connected to the output of the rectifier, a phase shifter, the input of which is connected to the output of the capacitive sensor, and a summing device the inputs of which are connected to the outputs of the integrator and phase shifting device, and the output of the summing device is connected to the electrodes of the first group, while the second input of the multiplier is connected to the output of the system Ф AFC.

Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено тем, что как положение ПМ в плоскости первичных колебаний, так и перемещения по выходной координате или в плоскости вторичных колебаний определяют путем измерения сигнала одного емкостного датчика, используя квадратурную (по отношению к сигналу кориолисовых ускорений) помеху в качестве полезного сигнала, из которой, в соответствии с предложенным способом, осуществляют реконструкцию сигнала, получаемого в прототипе и аналогах с помощью емкостного датчика в канале драйва.The main advantage of the invention is due to the fact that both the position of the PM in the plane of the primary oscillations and the displacements along the output coordinate or in the plane of the secondary oscillations are determined by measuring the signal of one capacitive sensor using quadrature (with respect to the Coriolis acceleration signal) interference as a useful signal , from which, in accordance with the proposed method, carry out the reconstruction of the signal obtained in the prototype and analogues using a capacitive sensor in the drive channel.

Заявленная совокупность признаков позволяет упростить конструкцию механической части гироскопа, увеличить амплитуду первичных колебаний, уменьшить влияние квадратурной помехи на выходной сигнал гироскопа. Заявленное устройство поясняется чертежами.The claimed combination of features allows us to simplify the design of the mechanical part of the gyroscope, increase the amplitude of the primary oscillations, and reduce the influence of quadrature noise on the output signal of the gyroscope. The claimed device is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ.Figure 1 shows a design variant MMG.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:In figure 1, the following notation:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор),1 - PM (in this embodiment, the rotor),

2 - основание,2 - base

3 - электроды, расположенные в плоскости вторичных колебаний на основании 2,3 - electrodes located in the plane of the secondary vibrations on the basis of 2,

4 - электроды, расположенные в плоскости первичных колебаний.4 - electrodes located in the plane of primary vibrations.

На фиг.2 приведен вариант выполнения ПМ1.Figure 2 shows an embodiment PM1.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор с гребенками),1 - PM (in this embodiment, the rotor with combs),

5 - статоры, расположенные в плоскости первичных колебаний,5 - stators located in the plane of the primary oscillations,

6 - торсионы подвеса ПМ,6 - PM suspension torsion bars,

7 - опора, закрепленная на основании 2.7 - support, fixed on the base 2.

На фиг.3 показан в векторной форме выходной сигнал емкостного датчика образованного ротором и электродами, расположенными по оси измерения выходного сигнала гироскопа, и его разложение на две ортогональные составляющие.Figure 3 shows in vector form the output signal of the capacitive sensor formed by the rotor and electrodes located along the axis of measurement of the output signal of the gyroscope, and its decomposition into two orthogonal components.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:In figure 3, the following notation:

8 - вектор, соответствующий квадратурной составляющей выходного сигнала,8 is a vector corresponding to the quadrature component of the output signal,

9 - вектор, соответствующий составляющей выходного сигнала, пропорциональной действующим на гироскоп кориолисовым ускорениям,9 is a vector corresponding to the component of the output signal proportional to the Coriolis accelerations acting on the gyroscope,

10 - результирующий вектор выходного сигнала.10 - the resulting vector of the output signal.

На фиг.4 приведены графики изменения во времени выходных сигналов двух емкостных датчиков ММГ, конструкция которого аналогична описанной в свидетельстве РФ на полезную модель №18768. Эти графики получены экспериментально для различных моментов времени.Figure 4 shows graphs of the time variation of the output signals of two capacitive sensors MMG, the design of which is similar to that described in the certificate of the Russian Federation for utility model No. 18768. These graphs were obtained experimentally for various points in time.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:In figure 4, the following notation:

t - время,t is the time

U11 - напряжение на выходе емкостного датчика канала драйва в начальной стадии возбуждения колебаний гребенчатого двигателя,U 11 is the voltage at the output of the capacitive sensor of the drive channel in the initial stage of excitation of oscillations of the comb engine,

U21 - напряжение на выходе емкостного датчика выходного канала (т.е. образованного ПМ1 и электродами 3) в начальной стадии возбуждения колебаний гребенчатого двигателя,U 21 is the voltage at the output of the capacitive sensor of the output channel (i.e. formed by PM1 and electrodes 3) in the initial stage of excitation of oscillations of the comb engine,

U12 - напряжение на выходе емкостного датчика канала драйва после достижения установившего режима колебаний гребенчатого двигателя,U 12 is the voltage at the output of the capacitive sensor of the drive channel after reaching the steady state oscillation of the comb engine,

U22 - напряжение на выходе емкостного датчика выходного канала после достижения установившего режима колебаний гребенчатого двигателя,U 22 - the voltage at the output of the capacitive sensor of the output channel after reaching the steady state oscillation of the comb engine,

На фиг.5 показана блок-схема предложенного ММГ.Figure 5 shows a block diagram of the proposed MMG.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:In figure 5, the following notation:

11 - емкостной датчик,11 - capacitive sensor

12 - система ФАПЧ,12 - PLL system,

13 - умножитель,13 - multiplier

14 - ФНЧ,14 - low-pass filter,

15 - блок управления гребенчатым двигателем,15 is a control unit of a comb engine,

16 - выпрямитель,16 - rectifier

17 - интегратор,17 - integrator

18 - источник опорного сигнала,18 is the source of the reference signal,

19 - фазосдвигающее устройство,19 is a phase shifting device

20 - суммирующее устройство20 - summing device

На фиг.6 показана блок-схема варианта построения ФАПЧ.Figure 6 shows a block diagram of a variant of the construction of the PLL.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:Figure 6 adopted the following notation:

12 - система ФАПЧ,12 - PLL system,

21 - фазовый детектор,21 - phase detector

22 - фильтр низкой частоты (ФНЧ),22 - low-pass filter (low-pass filter),

23 - генератор, управляемый напряжением (ГУН).23 - voltage controlled oscillator (VCO).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

В ММГ (см.фиг.1) ротор (ПМ 1) подвешен на упругом подвесе над основанием 2, электроды 3 с ПМ1 образуют емкостной датчик перемещения ПМ1 по выходному каналу относительно основания 2 (выходной канал). Для возбуждения колебаний ПМ1 в плоскости, параллельной основанию, на электроды 4 может подаваться постоянное и переменное напряжения. Частота последнего в этом случае выбирается равной резонансной частоте подвеса ПМ1.In MMG (see Fig. 1), the rotor (PM 1) is suspended on an elastic suspension above the base 2, electrodes 3 with PM1 form a capacitive motion sensor PM1 along the output channel relative to the base 2 (output channel). To excite PM1 oscillations in a plane parallel to the base, direct and alternating voltage can be applied to the electrodes 4. The frequency of the latter in this case is chosen equal to the resonant frequency of the PM1 suspension.

Перейдем к фиг.2. Электроды 4, показанные на фиг.1 схематично, образованы гребенчатыми статорами 5, установленными на основании 2, и гребенками ПМ1. На торсионах 6 ПМ1 подвешена на опоре 7. Подобная конструкция обеспечивает высокодобротный подвес ПМ1. Амплитуда колебаний ПМ1 определяется добротностью подвеса (Q), напряжением, подаваемым на гребенки статоров и ПМ1, числом используемых гребенок. Чем выше Q, напряжение и число гребенок, тем больше амплитуда колебаний. Однако все эти величины ограничены. Так величина Q существенно зависит от давления воздуха в ММГ, при достаточно глубоком вакуумировании ММГ она может превышать величину 100000, а при нормальном атмосферном давлении падать до 50. Максимальная величина напряжения определяется допустимым напряжением пробоя и при 1-2 микронных зазорах между гребенками не превышает 10-20 В. В известных ММГ-аналогах часть гребенок используется для построения емкостного датчика положения или перемещения ПМ1 для канала драйва (т.е. для измерения перемещений ПМ1 в плоскости, параллельной основанию 2.We turn to figure 2. The electrodes 4, shown in figure 1 schematically, are formed by comb-mounted stators 5 mounted on the base 2, and comb PM1. On torsion bars 6 PM1 is suspended on a support 7. A similar design provides a high-quality PM1 suspension. The amplitude of oscillations PM1 is determined by the Q-factor of the suspension (Q), the voltage supplied to the combs of the stators and PM1, the number of combs used. The higher Q, the voltage and the number of combs, the greater the amplitude of the oscillations. However, all of these quantities are limited. So, the Q value substantially depends on the air pressure in the MMG, with a sufficiently deep evacuation of the MMG it can exceed 100,000, and at normal atmospheric pressure it can drop to 50. The maximum voltage is determined by the allowable breakdown voltage and does not exceed 10 at 1-2 micron gaps between the combs -20 V. In the well-known MMG analogues, a part of the combs is used to construct a capacitive position or displacement sensor PM1 for the drive channel (i.e., to measure the movements of PM1 in a plane parallel to base 2.

Положение ПМ1 изменяется в соответствие с выражениемThe position of PM1 changes in accordance with the expression

Figure 00000002
Figure 00000002

где А - амплитуда колебаний, ω - угловая частота колебаний (ω как правило совпадает с резонансной частотой подвеса ПМ1) В ММГ-аналогах сигнал на выходе емкостного датчика в канале драйва пропорционален величине φ.where A is the amplitude of the oscillations, ω is the angular frequency of the oscillations (ω as a rule coincides with the resonant frequency of the PM1 suspension) In MMG analogs, the signal at the output of the capacitive sensor in the drive channel is proportional to the value of φ.

В реальных конструкциях ММГ ПМ1 совершает колебания не только в плоскости, параллельной основанию 2, но и в направлении, нормальном к этой плоскости. Это обусловлено влиянием ряда факторов, в частности неравножесткостью торсионов, нормальными к ПМ1 составляющим электростатического поля. Все это, в конечном счете, приводит к тому, что в выходном сигнале емкостного датчика, построенного на электродах 3, присутствует составляющая 8 (см. фиг.3), которая в общем случае зависит от φ.In real constructions, MMG PM1 oscillates not only in a plane parallel to base 2, but also in a direction normal to this plane. This is due to the influence of a number of factors, in particular the unequal rigidity of the torsion bars, normal to PM1 components of the electrostatic field. All this, ultimately, leads to the fact that in the output signal of the capacitive sensor, built on the electrodes 3, there is a component 8 (see figure 3), which in the General case depends on φ.

Экспериментальная проверка на образцах ММГ с емкостными датчиками, находящимися на оси драйва и выходной оси, показала, что эта зависимость близка к линейной. Как видно из фиг.4, фазы выходных сигналов емкостных датчиков (напряжения U1, U2) практически совпадают, а отношение амплитуд U11/U21 и U12/U22 остаются постоянными.Experimental verification on MMG samples with capacitive sensors located on the drive axis and the output axis showed that this dependence is close to linear. As can be seen from figure 4, the phases of the output signals of capacitive sensors (voltage U 1 , U 2 ) practically coincide, and the ratio of the amplitudes U 11 / U 21 and U 12 / U 22 remain constant.

Если допустить, что угол поворота ММГ вокруг оси чувствительности 9 изменяется в соответствии с выражением:If we assume that the angle of rotation of the MMG around the axis of sensitivity 9 changes in accordance with the expression:

Figure 00000003
Figure 00000003

то под действием кориолисовых сил ПМ1 будет совершать колебательные движения, которые можно описать с помощью выражения:then under the influence of Coriolis forces PM1 will oscillate, which can be described using the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

величина, пропорциональная ν, соответствует вектору 9 на фиг.3.a value proportional to ν corresponds to vector 9 in FIG. 3.

Как видно из фиг.3, фаза вектора 10 по отношению к вектору 8 изменяется с частотой Ω.As can be seen from figure 3, the phase of the vector 10 with respect to the vector 8 changes with a frequency Ω.

В предлагаемом ММГ на фиг.5 с выходом емкостного датчика, образованного ПМ и электродами, расположенными на выходной оси, соединены входы системы ФАПЧ 12, выпрямителя 16, фазосдвигающего устройства 19 и один из входов умножителя 13. Выход системы ФАПЧ соединен с другим входом умножителя 13, выход которого соединен с входом ФНЧ 14, выход которого является выходом ММГ. Источник опорного сигнала 18 и выход выпрямителя 16 соединены с входами интегратора 17. Выходы фазосдвигающего устройства 19 и интегратора 17 соединены с входами суммирующего устройства 20, выходы которого соединены с электродами гребенчатого двигателя. Элементы 16-20 образуют в совокупности устройство управления гребенчатым двигателем.In the proposed MMG in figure 5 with the output of the capacitive sensor formed by the PM and electrodes located on the output axis, the inputs of the PLL system 12, the rectifier 16, the phase-shifting device 19 and one of the inputs of the multiplier 13 are connected. The output of the PLL system is connected to the other input of the multiplier 13 the output of which is connected to the input of the low-pass filter 14, the output of which is the output of the MMG. The source of the reference signal 18 and the output of the rectifier 16 are connected to the inputs of the integrator 17. The outputs of the phase shifting device 19 and the integrator 17 are connected to the inputs of the summing device 20, the outputs of which are connected to the electrodes of the comb engine. Elements 16-20 together form a comb engine control device.

ММГ работает следующим образом Выходной сигнал емкостного датчика 11 (U11) содержит составляющие, пропорциональные φ и ν, первая из которых является квадратурной помехой, а вторая - полезным сигналом. Этот сигнал имеет следующий вид:MMG operates as follows. The output signal of the capacitive sensor 11 (U 11 ) contains components proportional to φ and ν, the first of which is a quadrature noise, and the second is a useful signal. This signal has the following form:

Figure 00000005
Figure 00000005

где k1, k2 - постоянные коэффициенты.where k 1 , k 2 are constant coefficients.

При достаточно большой величине k1 А по сравнению с k2 В, что соответствует большому уровню квадратурной помехи в ММГ, на выходе выпрямителя 16 выделяется сигнал постоянного тока, величина которого пропорциональна величине А, которая пропорциональна амплитуде колебаний ПМ по оси первичных колебаний. Выходной сигнал выпрямителя 16 сравнивается на входе интегратора 17 с опорным сигналом источника 18. В случае, когда эти сигналы отличаются друг от друга, выходной сигнал интегратора 17 изменяется в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от разности входных сигналов. Этот выделенный сигнал на входе элемента 20 сравнивается с опорным сигналом и после интегрирования поступает на вход сумматора 22. Необходимый для возбуждения колебаний на резонансной частоте подвеса ПМ1 по оси драйва фазовый сдвиг в контуре обеспечивается элементом 19. Напряжение на выходе сумматора 20 (U20)With a sufficiently large value of k 1 A compared to k 2 V, which corresponds to a large level of quadrature interference in the MMG, a direct current signal is allocated at the output of the rectifier 16, the value of which is proportional to the value of A, which is proportional to the amplitude of the PM oscillations along the axis of the primary oscillations. The output signal of the rectifier 16 is compared at the input of the integrator 17 with the reference signal of the source 18. In the case when these signals are different from each other, the output signal of the integrator 17 changes up or down depending on the difference of the input signals. This selected signal at the input of element 20 is compared with the reference signal and, after integration, is fed to the input of the adder 22. The phase shift in the circuit necessary for exciting oscillations at the resonance frequency of the PM1 suspension along the drive axis is provided by element 19. The voltage at the output of the adder 20 (U 20 )

Figure 00000006
Figure 00000006

где К - коэффициент, U17 - напряжение на выходе интегратора 17.where K is the coefficient, U 17 is the voltage at the output of the integrator 17.

Поскольку сила (F) или момент, развиваемый гребенчатым двигателем, пропорционален квадрату напряжения, подаваемому на электроды, тоSince the force (F) or the moment developed by the comb engine is proportional to the square of the voltage applied to the electrodes, then

Figure 00000007
Figure 00000007

где к - коэффициент.where k is the coefficient.

Учитывая только составляющую на частоте ω, получим, что F пропорционально величине U17Asin(ωt), т.е. контурное усиление в контуре стабилизации амплитуды зависит от интеграла разности задаваемого значения амплитуды (сигнал на выходе элемента 18 и его текущего значения). Таким образом, при наличии одного емкостного датчика 11, расположенного по выходной оси, возможны возбуждение колебаний на резонансной частоте подвеса по оси драйва и стабилизация амплитуды колебаний ПМ1 в этом канале.Given only the component at the frequency ω, we find that F is proportional to U 17 Asin (ωt), i.e. the contour gain in the amplitude stabilization circuit depends on the integral of the difference of the set amplitude value (the signal at the output of element 18 and its current value). Thus, in the presence of one capacitive sensor 11 located along the output axis, excitation of vibrations at the resonant frequency of the suspension along the drive axis and stabilization of the amplitude of oscillations PM1 in this channel are possible.

Покажем теперь, как в предложенном устройстве осуществляется выделение сигнала измеряемой скорости.Let us show now how in the proposed device the signal is measured speed.

Системой ФАПЧ 12 осуществляется фильтрация малых изменений фазы входного сигнала, сигнал на выходе системы ФАПЧ 12 сдвинут на 90° по отношению к основной составляющей входного сигнала, т.е. к квадратурной помехе. Этот сигнал является опорным сигналом фазового детектора или демодулятора на умножителе 13. При перемножении выходного сигнала системы ФАПЧ 12 и выходного сигнала датчика 11 на выходе умножителя 13 появляются составляющие на частоте 2 ω (если сигнал на выходе системы ФАПЧ 12 синусоидальный) и низкочастотная составляющая, пропорциональная BSin( Ωt), которая выделяется ФНЧ 14.The PLL system 12 filters out small changes in the phase of the input signal, the signal at the output of the PLL 12 is shifted 90 ° with respect to the main component of the input signal, i.e. to quadrature interference. This signal is the reference signal of the phase detector or demodulator on the multiplier 13. When the output signal of the PLL 12 and the output signal of the sensor 11 are multiplied, components at a frequency of 2 ω appear at the output of the multiplier 13 (if the signal at the output of the PLL 12 is sinusoidal) and a low-frequency component proportional to BSin (Ωt), which is allocated by the low-pass filter 14.

Вариант построения системы ФАПЧ 12, показанный на фиг.6, включает в себя последовательно включенные фазовый детектор 21, ФНЧ 22 и ГУН23. Выход ГУН 23 соединен с вторым входом фазового детектора 21, первый вход которого является входом системы ФАПЧ 12. В этой системе при сдвиге фазы между входным и выходным сигналами, отличающимися от 90°, на выходе фазового детектора 22 появляется сигнал, который изменяет частоту ГУН 23 до тех пор пока сдвиг фазы между входным и выходным сигналами не станет равным 90°. Эта структура является типичной структурой ФАПЧ, описанной в литературе и реализуемой в виде, например, интегральных микросхем, например, типа 564ГГ1.An embodiment of the PLL system 12 shown in FIG. 6 includes a phase detector 21, an LPF 22, and a VCO23 connected in series. The output of the VCO 23 is connected to the second input of the phase detector 21, the first input of which is the input of the PLL 12. In this system, when the phase shift between the input and output signals other than 90 °, a signal appears on the output of the phase detector 22, which changes the frequency of the VCO 23 until the phase shift between the input and output signals becomes 90 °. This structure is a typical PLL structure described in the literature and implemented in the form of, for example, integrated circuits, for example, type 564GG1.

Возможность реализации предложенного ММГ подтверждена моделированием и экспериментами, проведенными на экспериментальном образце ММГ с виртуальным преобразователем сигнала емкостного датчика по описанному способу, выполненным в программе Lab View.The possibility of implementing the proposed MMG is confirmed by modeling and experiments conducted on an MMG experimental sample with a virtual capacitive sensor signal converter according to the described method performed in the Lab View program.

Claims (1)

Микромеханический гироскоп, содержащий ротор и статор с первой группой электродов, образующих гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, и второй группой электродов, расположенных по оси измерения выходного сигнала, емкостный датчик, образованный электродами второй группы и преобразователем емкость - напряжение, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вход которой подключен к выходу емкостного датчика, фильтр низкой частоты (ФНЧ), умножитель, первый вход которого соединен с выходом емкостного датчика, фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с выходом умножителя, отличающийся тем, что в него введены выпрямитель, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, интегратор, вход которого подключен к выходу выпрямителя, фазосдвигающее устройство, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, и устройство суммирования, входы которого подключены к выходам интегратора и фазосдвигающего устройства, а выход устройства суммирования соединен с электродами первой группы, при этом второй вход умножителя соединен с выходом системы ФАПЧ.A micromechanical gyroscope containing a rotor and a stator with a first group of electrodes forming a comb motor along the axis of excitation of oscillations, and a second group of electrodes located along the axis of measurement of the output signal, a capacitive sensor formed by electrodes of the second group and a capacitor-voltage converter, a phase-locked loop ( PLL), the input of which is connected to the output of the capacitive sensor, a low-pass filter (low-pass filter), a multiplier, the first input of which is connected to the output of the capacitive sensor, a low-pass filter an output filter (LPF), the input of which is connected to the output of the multiplier, characterized in that a rectifier is inserted into it, the input of which is connected to the output of the capacitive sensor, an integrator, the input of which is connected to the output of the rectifier, a phase-shifting device, the input of which is connected to the output of the capacitive sensor, and a summing device, the inputs of which are connected to the outputs of the integrator and phase shifting device, and the output of the summing device is connected to the electrodes of the first group, while the second input of the multiplier is connected to the output of the PLL.
RU2004129017/28A 2004-10-01 2004-10-01 Micromechanical gyroscope RU2279634C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004129017/28A RU2279634C2 (en) 2004-10-01 2004-10-01 Micromechanical gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004129017/28A RU2279634C2 (en) 2004-10-01 2004-10-01 Micromechanical gyroscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004129017A RU2004129017A (en) 2006-03-10
RU2279634C2 true RU2279634C2 (en) 2006-07-10

Family

ID=36115930

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004129017/28A RU2279634C2 (en) 2004-10-01 2004-10-01 Micromechanical gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2279634C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2561006C1 (en) * 2014-06-10 2015-08-20 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Micromechanical vibration gyroscope
RU2656119C2 (en) * 2016-11-30 2018-05-31 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Micromechanical gyroscope
RU2686441C1 (en) * 2018-10-25 2019-04-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Micromechanical gyroscope

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2561006C1 (en) * 2014-06-10 2015-08-20 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Micromechanical vibration gyroscope
RU2656119C2 (en) * 2016-11-30 2018-05-31 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Micromechanical gyroscope
RU2686441C1 (en) * 2018-10-25 2019-04-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Micromechanical gyroscope

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004129017A (en) 2006-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8061201B2 (en) Readout method and electronic bandwidth control for a silicon in-plane tuning fork gyroscope
US9869553B2 (en) Frequency readout gyroscope
RU2327110C2 (en) Method of measuring angular velocities/accelerations with use of coriolis gyroscope-angular velocity sensor, as well as coriolis gyroscope, which is suitable for this purpose
US7549334B2 (en) Small angle bias measurement mechanism for MEMS instruments
Tsukamoto et al. Fully differential single resonator FM gyroscope using CW/CCW mode separator
US8397568B2 (en) Bias measurement for MEMS gyroscopes and accelerometers
US9869552B2 (en) Gyroscope that compensates for fluctuations in sensitivity
RU2388999C1 (en) Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect
JP6278604B2 (en) Vibration gyro with bias correction function
CN112485468A (en) Multi-axis sensing device based on frequency modulation and operation method thereof
Wu et al. A dual-mass fully decoupled MEMS gyroscope with wide bandwidth and high linearity
JP5352671B2 (en) Gyro measurement with vibrating gyroscope
JP2008134243A (en) Dual mode mems sensor
Antonello et al. Open loop compensation of the quadrature error in MEMS vibrating gyroscopes
Liu et al. Digital closed-loop control based on adaptive filter for drive mode of a MEMS gyroscope
JP6305223B2 (en) Vibrating gyro with bias stabilization and method of using the vibrating gyro
RU2344374C1 (en) Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)
RU2279634C2 (en) Micromechanical gyroscope
RU2568147C1 (en) Gyro accelerometer with rotor electrostatic suspension and complete primary info
JPH11344342A (en) Vibration gyro
RU2320962C1 (en) Electrode structure for micro-mechanical gyroscope and micro-mechanical gyroscope on base of that structure
RU2308682C1 (en) Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
RU2319928C2 (en) Mode of definition of the location of the mobile mass of a micro-mechanical gyroscope along the excitation axis of initial vibrations
RU2656119C2 (en) Micromechanical gyroscope
RU2347191C1 (en) Method of fine tuning of resonant frequency of suspension of mobile mass of micromechanical gyroscope on axes of secondary oscillations and micromechanical gyroscope

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20091002