RU2334946C1

RU2334946C1 - Method of gyroscope assembly and vibration gyroscope

Info

Publication number: RU2334946C1
Application number: RU2007112663/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Павлович Мезенцев (RU); Александр Павлович Мезенцев; Евгений Николаевич Фролов (RU); Евгений Николаевич Фролов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АЙСЕНС"; Евгений Николаевич Фролов
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2008-09-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: inventions are related to measurement equipment, in particular, to vibration gyroscopic instruments, which are intended for measurement of angular speed. In the process of assembly in every gyroscope additional weights are installed symmetrically in relation to geometric center of inertial mass masses with preliminarily calculated mass value. Value of output signal is monitored, and if it is equal to zero or reaches preset value, position and value of additional weights masses are fixed. Vibration gyroscope contains casing, inertial body in the form of flat frame and hub connected with each other by means of two elastic torsions, at that hub is connected with casing by means of elastic axle. On two opposite sides of frame, symmetrically in relation to total geometrical axis of elastic torsions, four platforms are installed parallel to the plane of frame, and on every platform plate is rigidly fixed in the form of rack.

EFFECT: increase of gyroscope accuracy.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемые изобретения относятся к измерительной технике, в частности к вибрационным гироскопическим приборам, предназначенным для измерения угловой скорости.The present invention relates to measuring equipment, in particular to vibratory gyroscopic devices for measuring angular velocity.

Известен гироскоп-акселерометр, который состоит из одной кремниевой и двух стеклянных пластин. В кремниевой пластине путем травления сформированы базовая рамка и два маятниковых узла, которые связаны с рамкой с помощью упругих перемычек. Маятники могут упруго перемещаться вдоль оси, нормальной плоскости пластины (патент США №5392650, класс 73/517 А, 1995).Known gyroscope-accelerometer, which consists of one silicon and two glass plates. In the silicon wafer, a base frame and two pendulum assemblies are formed by etching, which are connected to the frame using elastic jumpers. Pendulums can elastically move along the axis of the normal plane of the plate (US patent No. 5392650, class 73/517 A, 1995).

Система возбуждения может вызывать колебания маятниковых узлов в противофазе в плоскости пластины, что, по сути, эквивалентно вращению всей пластины вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости. При наличии вращения основания, на котором установлен акселерометр-гироскоп, его маятники под действием сил Кориолиса начнут совершать колебания с частотой возбуждения. Амплитуды колебаний маятников зависят от угловой скорости поворота прибора.The excitation system can cause oscillations of the pendulum nodes in antiphase in the plane of the plate, which, in essence, is equivalent to the rotation of the entire plate around an axis perpendicular to its plane. In the presence of rotation of the base on which the accelerometer-gyroscope is mounted, its pendulums under the influence of the Coriolis forces will begin to oscillate with the excitation frequency. The oscillation amplitudes of the pendulums depend on the angular velocity of rotation of the device.

На базовую рамку кремниевой пластины с двух сторон жестко установлены две стеклянные пластины с электродами, которые совместно с кремниевой пластиной, как общим электродом, образуют пару дифференциальных емкостных датчиков смещения маятников.Two glass plates with electrodes are rigidly mounted on the base frame of the silicon wafer on both sides, which together with the silicon wafer, as a common electrode, form a pair of differential capacitive pendulum displacement sensors.

Основными недостатками рассмотренного акселерометра-гироскопа являются, во-первых, невозможность изготовления кремниевой пластины с идентичными маятниковыми узлами, что приводит к дополнительной погрешности прибора, и, во-вторых, в данной конструкции достаточно сложно осуществить режим резонансной настройки колебаний маятников и маятниковых узлов.The main disadvantages of the considered accelerometer-gyroscope are, firstly, the impossibility of manufacturing a silicon wafer with identical pendulum nodes, which leads to additional error of the device, and, secondly, in this design it is quite difficult to implement the mode of resonant tuning of the oscillations of the pendulums and pendulum nodes.

Известен вибрационный гироскоп, который имеет корпус с установленным в нем узлом вибрирующего кольца, называемым также роторным узлом.Known vibration gyroscope, which has a housing with a vibrating ring assembly installed in it, also called a rotary assembly.

Роторный узел выполнен из единой пластины монокристалла кремния и состоит из ротора в виде внешнего кольца и внутренней ступицы, которые связаны друг с другом упругими элементами. Ступица соединена с корпусом также упругими связями. При этом ротор может совершать угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей (вокруг оси, нормальной плоскости кольца, и оси, расположенной в плоскости кольца).The rotor assembly is made of a single silicon single crystal plate and consists of a rotor in the form of an outer ring and an inner hub, which are connected to each other by elastic elements. The hub is also connected to the housing by elastic ties. In this case, the rotor can make angular oscillations around two mutually orthogonal axes (around an axis, the normal plane of the ring, and an axis located in the plane of the ring).

В гироскопе электростатически могут быть возбуждены угловые колебания ротора вокруг оси, нормальной его плоскости (оси возбуждения). При наличии вращения корпуса гироскопа под действием сил Кориолиса его ротор начинает совершать колебания вокруг второй оси (выходной оси) с амплитудой, которая пропорциональна угловой скорости поворота.In a gyroscope, angular oscillations of the rotor around the axis normal to its plane (the axis of excitation) can be electrostatically excited. In the presence of rotation of the gyroscope body under the action of Coriolis forces, its rotor begins to oscillate around the second axis (output axis) with an amplitude that is proportional to the angular velocity of rotation.

На корпусе гироскопа образована диэлектрическая подложка (изоляционный слой), на которой имеются два электрода. Электроды совместно с кремниевым ротором (как общим электродом) образуют дифференциальный емкостный датчик смещения ротора (патент США №5555765, класс 73/504.09, 1996).A dielectric substrate (insulating layer) is formed on the gyroscope body, on which there are two electrodes. The electrodes together with a silicon rotor (as a common electrode) form a differential capacitive rotor displacement sensor (US patent No. 5555765, class 73 / 504.09, 1996).

К недостаткам данного гироскопа следует отнести следующее:The disadvantages of this gyroscope include the following:

1. Ротор гироскопа связан с корпусом упругим кардановым подвесом, который позволяет совершать ротору угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей. Реализация совершенного упругого подвеса такого типа достаточна сложна.1. The rotor of the gyroscope is connected to the housing by an elastic cardan suspension, which allows the rotor to make angular oscillations around two mutually orthogonal axes. The implementation of a perfect elastic suspension of this type is quite complicated.

2. Электроды дифференциального датчика смещения ротора и электроды электростатического возбуждения ротора имеют друг с другом емкостную связь, что приводит к влиянию системы возбуждения на систему измерения и соответственно к ошибкам гироскопа.2. The electrodes of the differential rotor displacement sensor and the electrostatic excitation electrodes of the rotor are capacitively coupled to each other, which leads to the influence of the excitation system on the measurement system and, accordingly, to gyro errors.

3. В данной конструкции гироскопа трудно осуществить возбуждение ротора с достаточно большой амплитудой, что ограничивает достижения высокой чувствительности прибора.3. In this gyroscope design, it is difficult to excite a rotor with a sufficiently large amplitude, which limits the achievement of high sensitivity of the device.

Известен вибрационный гироскоп, который имеет ротор в виде плоской рамки и ступицы, связанных друг с другом двумя упругими торсионами. Рамка, ступица и упругие торсионы образованы из единой кремниевой пластины методами химического травления. На ступице жестко закреплены с двух сторон изоляционные пластины, на которые нанесены металлизацией электроды, образующие совместно с кремниевой рамкой (как общим электродом) емкостные датчики смещения и электростатические датчики силы. Так как рамка относительно изоляционных пластин расположена с зазором, она может совершать угловые колебания вокруг одной оси, расположенной в плоскости рамки (оси упругих торсионов). Колебания вокруг второй ортогональной оси рамка совершает на упругой оси, перпендикулярной плоскости пластин. Для возбуждения этих колебаний используется магнитоэлектрический способ, для чего на изоляционных пластинах напылена катушка, витки которой размещены в поле постоянных магнитов (Патент Российской Федерации №2219495, G01С 19/56, G01Р 9/04, 2002). Указанный гироскоп является прототипом предлагаемого изобретения.Known vibration gyroscope, which has a rotor in the form of a flat frame and hub connected to each other by two elastic torsions. The frame, hub and elastic torsions are formed from a single silicon wafer by chemical etching. On the hub, insulating plates are rigidly fixed on both sides, on which electrodes are applied by metallization, which form capacitive displacement sensors and electrostatic force sensors together with a silicon frame (as a common electrode). Since the frame relative to the insulating plates is located with a gap, it can perform angular vibrations around one axis located in the plane of the frame (axis of the elastic torsion bars). The frame oscillates around the second orthogonal axis on the elastic axis perpendicular to the plane of the plates. To excite these oscillations, a magnetoelectric method is used, for which a coil is deposited on the insulating plates, the turns of which are placed in the field of permanent magnets (Patent of the Russian Federation No. 2219495, G01C 19/56, G01P 9/04, 2002). The specified gyroscope is a prototype of the invention.

Для идеальной конструкции вибрационного гироскопа возбуждение колебаний рамки вокруг оси возбуждения, перпендикулярной ее плоскости, не приводит к колебаниям вокруг второй (выходной) оси при отсутствии вращения прибора. Вращение прибора из-за действия момента сил Кориолиса вызывает колебания рамки вокруг выходной оси, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости вращения прибора. В силу несовершенства технологических процессов изготовления реальная конструкция гироскопа отлична от идеальной, что приводит к ряду погрешностей. В частности, из-за неперпендикулярности осей поворота рамки, вокруг выходной оси возникают колебания даже при отсутствии вращения прибора (корпуса гироскопа). Эти колебания приводят к появлению в выходном сигнале вибрационного гироскопа квадратурной составляющей. Название «квадратурная» обусловлено тем, что фаза этой составляющей отличается от фазы полезного сигнала на

. Наличие квадратурной составляющей является одним из основных барьеров достижения высокой точности вибрационных гироскопов.For the ideal design of a vibrating gyroscope, the excitation of frame oscillations around the axis of excitation perpendicular to its plane does not lead to vibrations around the second (output) axis in the absence of rotation of the device. The rotation of the device due to the action of the moment of Coriolis forces causes oscillations of the frame around the output axis, the amplitude of which is proportional to the angular velocity of rotation of the device. Due to the imperfection of manufacturing processes, the real design of the gyroscope is different from the ideal, which leads to a number of errors. In particular, due to the non-perpendicularity of the axes of rotation of the frame, oscillations occur around the output axis even in the absence of rotation of the device (gyroscope case). These vibrations lead to the appearance of a quadrature component in the output of the vibrating gyroscope. The name “quadrature” is due to the fact that the phase of this component differs from the phase of the useful signal by

. The presence of a quadrature component is one of the main barriers to achieving high accuracy of vibration gyroscopes.

В прототипе используется способ повышения точности гироскопа, заключающийся в стремлении обеспечить при сборке гироскопа максимально возможную взаимную перпендикулярность трех осей гироскопа - возбуждения колебаний инерционного тела гироскопа (оси возбуждения), воздействия внешнего параметра (входной оси) и измерения выходного сигнала (выходной оси) и контроле величины выходного сигнала, пропорциональной колебаниям в пространстве выходной оси, обусловленным неперпендикулярностью указанных трех осей гироскопа, которую исключить сборочными операциями практически невозможно.The prototype uses a method to increase the accuracy of the gyroscope, which consists in the desire to ensure the maximum possible mutual perpendicularity of the three gyroscope axes during assembly of the gyroscope — excitation of oscillations of the inertial body of the gyroscope (excitation axis), the influence of an external parameter (input axis), and measurement of the output signal (output axis) and control the value of the output signal proportional to the oscillations in the space of the output axis due to the non-perpendicularity of the indicated three axes of the gyroscope, which should be excluded -term operations almost impossible.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности вибрационного гироскопа за счет снижения величины квадратурной составляющей его выходного сигнала.The technical result of the present invention is to increase the accuracy of a vibrating gyroscope by reducing the value of the quadrature component of its output signal.

Указанный технический результат в способе повышения точности вибрационных гироскопов, заключающемся в обеспечении при сборке гироскопа взаимной перпендикулярности оси возбуждения колебаний инерционного тела, оси воздействия внешнего параметра и оси измерения выходного сигнала и контроле величины выходного сигнала, пропорциональной колебаниям оси измерения выходного сигнала, обусловленным неперпендикулярностью указанных осей, достигается тем, что в каждом гироскопе размещают симметрично относительно геометрического центра масс инерционного тела дополнительные грузы переменной массы, в процессе сборки изменяют массы дополнительных грузов и контролируют величину выходного сигнала при подаче сигнала возбуждения колебаний инерционного тела относительно оси возбуждения и отсутствии воздействия внешнего параметра, а при равенстве этого выходного сигнала нулю или заданной величине фиксируют положение и величину масс дополнительных грузов.The specified technical result in a method of increasing the accuracy of vibration gyroscopes, which consists in ensuring, when assembling the gyroscope, the mutual perpendicularity of the axis of excitation of the inertial body oscillations, the axis of the external parameter and the measurement axis of the output signal, and the control of the output signal proportional to the oscillations of the measurement axis of the output signal due to the non-perpendicularity of these axes is achieved by the fact that each gyroscope is placed symmetrically with respect to the geometric center of mass the inertial body additional loads of variable mass, during assembly they change the masses of additional loads and control the magnitude of the output signal when the excitation signal of the inertial body oscillates relative to the excitation axis and there is no external parameter, and if this output signal is zero or the specified value, the position and magnitude of the masses are fixed additional freight.

Кроме того, изменение масс дополнительных грузов могут производить из условия полной компенсации квадратурной погрешности выходного сигнала, исходя из следующего соотношения:In addition, a change in the masses of additional loads can be made from the condition of full compensation of the quadrature error of the output signal, based on the following ratio:

А_рχ₁=2mx_mz_m,A _p χ ₁ = 2mx _m z _m ,

где А_р - момент инерции инерционнго тела относительно оси измерения выходного сигнала,where And _p is the moment of inertia of the inertial body relative to the axis of measurement of the output signal,

χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения колебаний инерционного тела и оси измерения выходного сигнала,χ ₁ - the non-perpendicular axis of the excitation of oscillations of the inertial body and the axis of measurement of the output signal,

m - масса дополнительного груза,m is the mass of the additional load,

x_m, z_m - координаты дополнительного груза соответственно относительно оси возбуждения колебаний инерционного тела и оси измерения выходного сигнала.x _m , z _m - coordinates of the additional load, respectively, relative to the axis of excitation of oscillations of the inertial body and the axis of measurement of the output signal.

Указанный технический результат в вибрационном гироскопе, содержащем корпус, связанные друг с другом двумя упругими торсионами инерционное тело в виде плоской рамки и ступицу, которая соединена с корпусом посредством упругой оси, а также две параллельные плоскости этой рамки с двух ее сторон изоляционные пластины с электродами и катушкой, расположенной в поле магнитной системы для возбуждения колебаний рамки, сервисную электронику, связанную с электродами и катушкой, достигается тем, что на двух противоположных сторонах рамки, симметрично относительно общей геометрической оси упругих торсионов, выполнены четыре площадки, параллельные плоскости рамки, а на каждой из площадок жестко закреплена пластина в виде гребенки.The indicated technical result in a vibrational gyroscope containing a housing, an inertial body connected to each other by two elastic torsions in the form of a flat frame, and a hub that is connected to the housing by means of an elastic axis, as well as two parallel planes of this frame on its two sides, insulating plates with electrodes and a coil located in the field of the magnetic system to excite oscillations of the frame, service electronics associated with the electrodes and the coil is achieved by the fact that on two opposite sides of the frame, the symmetry Normally the geometric axis relative to the total elastic torsions are formed four sites parallel to plane of the frame, and on each of the platforms are rigidly fixed in a comb plate.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежами.The proposed invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана принципиальная геометрическая схема реализации способа;Figure 1 shows a schematic geometric diagram of the implementation of the method;

на фиг.2 показан роторный узел вибрационного гироскопа;figure 2 shows the rotor assembly of a vibrating gyroscope;

на фиг.3 показан пример компоновки конструктивных элементов гироскопа.figure 3 shows an example of the layout of the structural elements of the gyroscope.

Математическое обоснование и последующая реализация способа повышения точности вибрационных гироскопов заключаются в следующем.The mathematical justification and subsequent implementation of the method for increasing the accuracy of vibration gyroscopes are as follows.

При поддержании угловых колебаний микромеханического узла вибрационного гироскопа вокруг оси возбуждения по гармоническому закону с постоянной амплитудой качки γ₀ рамка будет совершать вынужденные угловые колебания вокруг выходной оси видаWhile maintaining the angular vibrations of the micromechanical unit of the vibrating gyroscope around the axis of excitation according to the harmonic law with a constant pitch amplitude γ _{0, the} frame will make forced angular vibrations around the output axis of the form

где: α_n, α_кв - угловые колебания рамки, обусловленные соответственно воздействием внешнего параметра (угловой скоростью вращения прибора вокруг оси Y) и квадратурной составляющей погрешности;where: α _n , α _kv are the angular vibrations of the frame, caused respectively by the action of an external parameter (the angular velocity of rotation of the device around the Y axis) and the quadrature component of the error;

ω_γ - угловая скорость колебаний рамки гироскопа вокруг оси Z (оси возбуждения),

- приведенная к входной измеряемой угловой скорости объекта квадратурная погрешность вибрационного гироскопа,ω _γ is the angular velocity of the gyroscope frame around the Z axis (excitation axis),

- reduced to the input measured angular velocity of the object, the quadrature error of the vibration gyroscope,

А_P, В_P, С_P - моменты инерции рамки соответственно вокруг оси Х (выходная ось), оси Y (ось воздействия внешнего параметра), оси Z (ось возбуждения),A _P , B _P , C _P are the moments of inertia of the frame, respectively, around the X axis (output axis), Y axis (axis of the external parameter), Z axis (excitation axis),

χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения и выходной оси,χ ₁ - non-perpendicular axis of excitation and the output axis,

χ - угол разворота главных осей инерции рамки, обусловленный несимметрией инерционного тела (рамки) гироскопа.χ is the angle of rotation of the main axes of inertia of the frame, due to the asymmetry of the inertial body (frame) of the gyroscope.

Коэффициент преобразования

и фазовый сдвиг φ зависят от соотношения частоты ω_γ и ω_α - частоты колебаний рамки вокруг выходной оси.Conversion rate

and the phase shift φ depend on the ratio of the frequency ω _γ and ω _α — the frame oscillation frequency around the output axis.

Определение угловой скорости вращения объекта (корпуса прибора) Ω_Y в вибрационном гироскопе осуществляется по результатам измерения и анализа амплитуды угловых колебаний рамки. При отсутствии вращения объекта ( Ω_Y=0) наблюдаемые угловые колебания рамки вокруг выходной оси обусловлены одной только квадратурной погрешностью. Величина входной угловой скорости, которая вызвала бы аналогичный отклик колебательной системы по амплитуде вокруг выходной оси, должна быть равна Ω_кв. Квадратурная погрешность Ω_квимеет две составляющие: первая связана с неперпендикулярностью выходной оси и оси возбуждения (угол χ₁), вторая обусловлена разворотом главных осей инерции рамки (угол χ).The determination of the angular velocity of rotation of an object (instrument case) Ω _Y in a vibration gyroscope is carried out according to the results of measurement and analysis of the amplitude of the angular oscillations of the frame. In the absence of rotation of the object (Ω _Y = 0), the observed angular vibrations of the frame around the output axis are due to only a quadrature error. The value of the input angular velocity, which would cause a similar response of the oscillatory system in amplitude around the output axis, should be equal to Ω _sq . The quadrature error Ω _kV has two components: the first is related to the non-perpendicularity of the output axis and the excitation axis (angle χ ₁ ), the second is due to the rotation of the main axes of inertia of the frame (angle χ).

Технологически возможно реализовать при изготовлении вибрационного гироскопа неперпендикулярность осей прибора на уровне не хуже чем ±10 угловых минут, т.е.

. Считаем при оценке, что главная ось инерции рамки совпадает с измерительной осью (χ=0). Тогда для ω_γ=2500 с^-1имеем: Ω_кв=±205°/с. Как видно, величина квадратурной погрешности чрезвычайно велика при технически реализуемых требованиях к сборке. Для получения приемлемой точности вибрационного гироскопа необходимо принять меры для компенсации влияния квадратурной погрешности.It is technologically possible to realize in the manufacture of a vibration gyroscope the non-perpendicularity of the device axes at a level no worse than ± 10 angular minutes, i.e.

. We consider, when evaluating, that the main axis of inertia of the frame coincides with the measuring axis (χ = 0). Then for ω _γ = 2500 s ^-1 we have: Ω _q = ± 205 ° / s. As you can see, the magnitude of the quadrature error is extremely large with technically feasible assembly requirements. To obtain acceptable accuracy of the vibration gyroscope, measures must be taken to compensate for the influence of the quadrature error.

Способ уменьшения квадратурной погрешности основывается на том обстоятельстве, что она состоит из двух составляющих. Неперпендикулярность осей и соответственно обусловленную этим составляющую квадратурной погрешности не представляется снизить меньше определенной величины. Вторая составляющая квадратурной погрешности определяется положением главных осей инерции рамки. Навешивая дополнительные грузики на рамку маятника, можно изменить (повернуть) положение ее главных осей и соответственно изменить величину второй составляющей квадратурной погрешности. Выбрав определенные величины масс грузиков и места их крепления на рамке, можно добиться того, что вторая составляющая квадратурной погрешности полностью компенсирует первую.The way to reduce the quadrature error is based on the fact that it consists of two components. The non-perpendicularity of the axes and, accordingly, the resulting component of the quadrature error does not seem to reduce less than a certain value. The second component of the quadrature error is determined by the position of the main axes of inertia of the frame. By hanging additional weights on the frame of the pendulum, you can change (rotate) the position of its main axes and accordingly change the value of the second component of the quadrature error. By choosing certain values of the masses of weights and the places of their fastening on the frame, it is possible to achieve that the second component of the quadrature error completely compensates for the first.

Для практической реализации предлагаемого способа компенсации квадратурной погрешности необходимо знать соотношения, определяющие влияние грузиков на положение главных осей инерции рамки и соответственно на величину квадратурной погрешности.For the practical implementation of the proposed method for compensation of the quadrature error, it is necessary to know the ratios that determine the influence of weights on the position of the main axes of inertia of the frame and, accordingly, on the value of the quadrature error.

На фиг.1 показана рамка вибрационного гироскопа с установленными на ней дополнительными грузиками.Figure 1 shows the frame of the vibration gyro with additional weights installed on it.

На фиг.1 приняты обозначения: оси х, z связаны с микромеханическим узлом, ось z - ось возбуждения, вокруг которой узел совершает угловые колебания со скоростью

; оси х_г, z_г - две из трех главных центральных осей инерции рамки без грузиков, ось х_г - выходная ось, χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения и выходной оси; χ - угол разворота главных центральных осей инерции рамки. Два дополнительных грузика расположены на рамке симметрично, и каждый из них имеет массу m. Грузики при расчетах считаем точечными массами, расположенными в центре масс грузиков с координатами x_m, z_m (y_m=0). Тензор инерции рамки с грузиками в системе x_г, у_г, z_г имеет видIn Fig. 1, the following notation is adopted: the x, z axes are connected to the micromechanical assembly, the z axis is the excitation axis, around which the assembly makes angular oscillations at a speed

; x _g axis, z _g axis are two of the three main central axes of inertia of the frame without weights, the x _g axis is the output axis, χ ₁ is the non-perpendicular axis of excitation and the output axis; χ is the rotation angle of the main central axes of inertia of the frame. Two additional weights are located symmetrically on the frame, and each of them has a mass m. Weights in the calculations are considered point masses located in the center of mass of the weights with coordinates x _m , z _m (y _m = 0). The inertia tensor of the frame with weights in the system x _g , y _g , z _g has the form

Тензор инерции рамки с грузиками в системе координат

, которая повернута относительно системы х_г, у_г, z_г на некоторый малый угол χ вокруг оси у_г по часовой стрелке, может быть представлен в следующем приближенном виде:Inertia tensor of a frame with weights in the coordinate system

Which is rotated with respect to the system x _r, y _r, z _r by a small angle around the y axis χ _z clockwise, it can be represented in the following approximate form:

Для того, чтобы новые оси

были главными осями инерции, тензор (3) должен иметь все центробежные моменты инерции (недиагональные члены) равными нулю. Это условие выполняется, если новая система координат будет повернута относительно исходной на уголTo make new axes

were the main axes of inertia, tensor (3) must have all centrifugal moments of inertia (off-diagonal terms) equal to zero. This condition is satisfied if the new coordinate system is rotated relative to the original one by an angle

Поворот главных осей инерции, как показано выше, приведет к изменению величины квадратурной погрешности. Так, если квадратурная погрешность для рамки без грузиков составляет величину

(χ₂=0), то для рамки с грузиками она изменится до значения

(χ₂=-χ₀). Условие полной компенсации квадратурной погрешности за счет динамической балансировки будет иметь видThe rotation of the main axes of inertia, as shown above, will lead to a change in the magnitude of the quadrature error. So, if the quadrature error for a frame without weights is

(χ ₂ = 0), then for the frame with weights it will change to the value

(χ ₂ = -χ ₀ ). The condition for the complete compensation of the quadrature error due to dynamic balancing will have the form

Исходя из вышесказанного, можно реализовать способ уменьшения квадратурной погрешности следующим образом. Вокруг оси возбуждения задаются гармонические угловые колебания с постоянной амплитудой качки. Для неподвижного прибора ( Ω_y=0) и отсутствия управляющего момента вокруг выходной оси (М_α=0) измеряется выходной сигнал, пропорциональный квадратурной погрешности. Зная коэффициенты преобразования вибрационного гироскопа (например, расчетные), можно вычислить расчетную массу дополнительных грузиков и места их крепления на рамку, при которых выполняется условие полной компенсации квадратурной погрешности (5). После установки грузиков на рамке маятника проверяется по показаниям степень компенсации квадратурной погрешности. Предполагается, что квадратурная погрешность данным способом может быть скомпенсирована на уровне нескольких процентов. При этом некомпенсированная часть квадратурной погрешности должна быть достаточно стабильной величиной, так как она определяется геометрической стабильностью узла «рамка+грузики», которая обеспечивается технологически.Based on the foregoing, it is possible to implement a method of reducing the quadrature error as follows. Harmonic angular oscillations with a constant pitch amplitude are set around the axis of excitation. For a stationary device (Ω _y = 0) and the absence of control torque around the output axis (M _α = 0), the output signal is proportional to the quadrature error. Knowing the conversion coefficients of a vibrational gyroscope (for example, calculated ones), it is possible to calculate the estimated mass of additional weights and the places of their attachment to the frame, under which the condition for complete compensation of the quadrature error is fulfilled (5). After installing the weights on the frame of the pendulum, the degree of compensation of the quadrature error is checked according to indications. It is assumed that the quadrature error in this way can be compensated at the level of several percent. At the same time, the uncompensated part of the quadrature error should be a fairly stable value, since it is determined by the geometric stability of the “frame + weights” assembly, which is provided technologically.

Роторный узел вибрационного гироскопа состоит из рамки 1 (инерционного тела или ротора) и ступицы 2, связанных друг с другом двумя упругими торсионами 3. Рамка 1, ступица 2 и упругие торсионы 3 выполнены из единой пластины монокристалла кремния травлением. Упругие оси 4 одними концами жестко связаны со ступицей 2, а другими через переходные элементы 9, 10 с корпусом 8. Со ступицей жестко соединены две изоляционные пластины 5, на каждой из которых со стороны рамки 1 напротив ее плеч с прорезями металлизацией образованы два электрода (не показаны). Эти два электрода совместно с рамкой 1, как с общим электродом, образуют одновременно и дифференциальный емкостной датчик угла поворота рамки 1 вокруг оси X, и электростатический датчик момента сил. На внешней стороне каждой пластины по ее периметру металлизацией выполнена плоская катушка (не показана), которая размещается в поле постоянных магнитов 7. Количество витков катушки выбирается из конструктивных и технологических возможностей и обычно их достаточно не более десяти. Катушки обеих пластин включены последовательно, для чего их концы соединены внешним проводником и связаны с сервисной электроникой (не показана).The rotor assembly of a vibrating gyroscope consists of a frame 1 (inertial body or rotor) and a hub 2 connected to each other by two elastic torsions 3. Frame 1, a hub 2 and elastic torsions 3 are made of a single silicon single crystal plate by etching. The elastic axes 4 are rigidly connected at one end to the hub 2, and the other through transition elements 9, 10 to the housing 8. Two insulating plates 5 are rigidly connected to the hub, on each of which two electrodes are formed from the side of the frame 1 opposite to its shoulders with metallized slots ( not shown). These two electrodes, together with the frame 1, as with a common electrode, simultaneously form a differential capacitive sensor of the angle of rotation of the frame 1 around the X axis, and an electrostatic torque sensor. On the outside of each plate along its perimeter, a flat coil (not shown) is made by metallization, which is located in the field of permanent magnets 7. The number of turns of the coil is selected from the design and technological capabilities and usually there are not more than ten of them. The coils of both plates are connected in series, for which their ends are connected by an external conductor and connected to service electronics (not shown).

Рамка 1 может совершать угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей: оси возбуждения Z, которая определяется осью 4 и перпендикулярна плоскости рамки, и выходной оси X, которая совпадает с осью торсионов 3 и расположена в плоскости рамки. На рамке рядом с торсионами 3 симметрично с двух ее сторон образованы четыре площадки, на которых жестко закреплены пластины 6 в виде гребенки.Frame 1 can make angular oscillations around two mutually orthogonal axes: the axis of excitation Z, which is defined by the axis 4 and is perpendicular to the plane of the frame, and the output axis X, which coincides with the axis of the torsion 3 and is located in the plane of the frame. On the frame next to the torsion bars 3, four sites are symmetrically formed on its two sides, on which plates 6 in the form of a comb are rigidly fixed.

При возбуждении угловых колебаний рамки 1 вокруг оси Z (возбуждения) при отсутствии вращения корпуса гироскопа вокруг выходной оси Х возникают колебания, обусловленные неперпендикулярностью осей Х и Z, а также непараллельностью одной из главных осей инерции рамки выходной оси в плоскости XZ. Выходной сигнал гироскопа, пропорциональный этим колебаниям, - это квадратурный сигнал, который необходимо сделать как можно меньше. Снижение квадратурного сигнала за счет уменьшения неперпендикулярности осей гироскопа ограничено технологическими возможностями и может быть доведено только до определенного уровня (достаточно высокого). В то же время можно осуществить разворот главных осей инерции рамки. Для этого на рамке 1 гироскопа на специально образованных площадках жестко закреплены четыре пластины 6 в виде гребенки (с предварительно рассчитанной величиной массы). Балансировка рамки 1 осуществляется, например, удалением зубцов гребенок на двух пластинах, расположенных кососимметрично относительно центра масс рамки. При этом контролируют изменение квадратурного сигнала гироскопа, обусловленное балансировкой, которое должно компенсировать его исходную величину. После балансировки рамки контрольного гироскопа подсчитывают количество и положение оставшихся зубцов на его гребенках, после чего производят удаление зубцов гребенок партии или серии вибрационных гироскопов в количестве и положениях, идентичных контрольному гироскопу.When angular oscillations of the frame 1 are excited around the Z axis (excitation) in the absence of rotation of the gyroscope body around the output axis X, vibrations arise due to the non-perpendicularity of the axes X and Z, as well as the non-parallelism of one of the main axes of inertia of the frame of the output axis in the XZ plane. The output of the gyroscope, which is proportional to these vibrations, is a quadrature signal that needs to be made as small as possible. The reduction of the quadrature signal by reducing the non-perpendicularity of the axes of the gyroscope is limited by technological capabilities and can only be brought to a certain level (sufficiently high). At the same time, it is possible to reverse the main axes of inertia of the frame. For this, four plates 6 in the form of a comb (with a pre-calculated mass value) are rigidly fixed on the frame 1 of the gyroscope on specially formed sites. The balancing of the frame 1 is carried out, for example, by removing the teeth of the combs on two plates located obliquely with respect to the center of mass of the frame. In this case, the change in the quadrature signal of the gyroscope due to balancing is controlled, which should compensate for its initial value. After balancing the frame of the control gyroscope, the number and position of the remaining teeth on its combs are counted, after which the teeth of the combs of a batch or series of vibrating gyroscopes are removed in the number and positions identical to the control gyroscope.

Предлагаемые способ и конструктивное исполнение вибрационного гироскопа для измерения угловой скорости в соответствии с настоящими изобретениями позволяют повысить его точность за счет снижения уровня квадратурной составляющей выходного сигнала.The proposed method and design of a vibrating gyroscope for measuring angular velocity in accordance with the present invention can improve its accuracy by reducing the level of the quadrature component of the output signal.

Claims

1. The method of assembly of gyroscopes, which consists in providing during assembly of the gyroscope the mutual perpendicularity of the axis of excitation of the inertial body oscillations, the axis of the external parameter and the measurement axis of the output signal, and controlling the magnitude of the output signal proportional to the oscillations of the measurement axis of the output signal due to the non-perpendicularity of these axes, characterized in that in each gyroscope additional loads of variable mass are placed symmetrically with respect to the geometric center of mass of the inertial body, whose value and location coordinates are selected based on the following ratio:

A _p χ ₁ = 2mx _m z _m ,

where And _p is the moment of inertia of the inertial body relative to the axis of measurement of the output signal; χ ₁ - non-perpendicular axis of the excitation of oscillations of the inertial body and the axis of measurement of the output signal;

m is the mass of the additional load;

x _m , z _m are the coordinates of the additional load, respectively, relative to the axis of excitation of the inertial body oscillations and the axis of measurement of the output signal, and for at least one control gyroscope during assembly, the masses of additional weights are changed and the value of the output signal is controlled when the excitation signal of the inertial oscillations is applied body relative to the axis of excitation and the absence of the influence of an external parameter, and if this output signal is equal to zero or a given value, the position and value of m are fixed ass of additional loads of the control gyroscope, after which the position and magnitude of the masses of additional weights in each gyroscope are identical to the control gyroscope.

2. A vibrational gyroscope containing a housing, an inertial body connected to each other by two elastic torsions in the form of a flat frame and a hub, which is connected to the housing by means of an elastic axis, and also two insulating plates with electrodes located in two parallel planes of this frame on its sides field of the magnetic system for exciting frame oscillations, service electronics associated with the electrodes and the magnetic system, characterized in that on two opposite sides of the frame, it is symmetrical with respect to the general geometry the axis of the elastic torsion bars, four pads are made parallel to the plane of the frame, and a plate in the form of a comb is rigidly fixed on each of the pads.