RU2388999C1 - Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect - Google Patents

Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect Download PDF

Info

Publication number
RU2388999C1
RU2388999C1 RU2008135886/28A RU2008135886A RU2388999C1 RU 2388999 C1 RU2388999 C1 RU 2388999C1 RU 2008135886/28 A RU2008135886/28 A RU 2008135886/28A RU 2008135886 A RU2008135886 A RU 2008135886A RU 2388999 C1 RU2388999 C1 RU 2388999C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
moving mass
electrodes
axis
signal
output
Prior art date
Application number
RU2008135886/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008135886A (en
Inventor
Яков Анатольевич Некрасов (RU)
Яков Анатольевич Некрасов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Концерн "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 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2008135886/28A priority Critical patent/RU2388999C1/en
Priority to PCT/RU2009/000447 priority patent/WO2010024729A2/en
Publication of RU2008135886A publication Critical patent/RU2008135886A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2388999C1 publication Critical patent/RU2388999C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733Structural details or topology
    • G01C19/5755Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5726Signal processing

Landscapes

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

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: invention relates to micromechanics, particularly to vibration-type micromechanical gyroscopes (MMG) in which position of the mobile mass (MM) on the axis of primary oscillations (t) varies according to the expression (t)=sin(ë1t). In order to adjust parameters of the oscillating circuit of the suspension and parametres of electronic components for monitoring correct operation, a test effect of the form B(t)sin(ë1t) is created on the mobile mass by varying voltage across electrodes lying over the lateral faces of the mobile mass, or by connecting the electrodes of the secondary oscillation channel of the micromechanical gyroscope to a signal source proportional to B(t)sin(ë1t), which can be formed using a modulator connected to the motion sensor of the mobile mass on the axis of primary oscillations and a voltage source B(t). The control signal for parametre automatic adjustment systems in the micromechanical gyroscope is extracted through successive demodulation of the signal from the motion sensor of the mobile mass on the axis of secondary oscillations using demodulators with reference signals sin(ë1t) and B(t). To adjust the resonance frequency of the suspension of the micromechanical gyroscope, the control signal is transmitted to electrodes of the secondary oscillation channel, and when adjusting phase shift of the signal of the secondary oscillation channel, this signal is transmitted to the control input of a phase-shifting circuit. In order to vary the slope of the micromechanical gyroscope in which there is automatic adjustment of resonant frequency with a series differentiating element, there is a device with a variable transfer constant. Continuous testing of correct operation of the micromechanical gyroscope is done by comparing signals generated in the micromechanical gyroscope due to the testing effect, with standard signals. ^ EFFECT: increased accuracy and faster operation of the micromechanical gyroscope, simplification of the design of the micromechanical gyroscope. ^ 16 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа со схемами подстройки параметров колебательных контуров подвеса, параметров электронных узлов в этих гироскопах и контроля исправной работы.The invention relates to the field of micromechanics, in particular to micromechanical gyroscopes (MMGs) of vibration type with schemes for adjusting the parameters of the vibrational loops of the suspension, the parameters of electronic components in these gyroscopes and monitoring proper operation.

В ММГ подвижная масса (ПМ) крепится к основанию с помощью, по крайней мере, двухосного резонансного подвеса. Резонансная частота подвеса по оси первичных колебаний выбирается ниже резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний. Возможны режимы работы ММГ как с совпадением резонансных частот подвеса, так и работа с малым сдвигом резонансных частот этих подвесов. Для того чтобы параметры ММГ оставались постоянными, необходимо, чтобы разность частот и параметры резонансных подвесов оставались постоянными. При разности резонансных частот 5% и более параметры ММГ изменяются значительно в меньшей степени, чем при работе ММГ со сведенными резонансными частотами подвесов. Изменение одной из этих частот приводит к изменениям разности фаз между сигналами каналов первичных и вторичных колебаний и значительному (в разы) изменению крутизны или масштабного коэффициента ММГ. Поэтому для сохранения параметров ММГ с малой разностью между резонансными частотами постоянными в них используют системы автоматической подстройки параметров. В этих системах подстройка осуществляется после определения реакции определенных составляющих ММГ на тестовое воздействие. Одним из самых чувствительных к изменениям условий работы является резонансный подвес ПМ. При изменении резонансной частоты подвеса изменяются как коэффициент преобразования микромеханической части (соотношение между измеряемой угловой скоростью и амплитудой вторичных колебаний ПМ), так и коэффициент преобразования электронной части из-за изменения фазы сигнала датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний, поступающего на вход синхронного детектора с опорным сигналом от датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Поэтому в ММГ применяют системы подстройки резонансной частоты или/и фазы.In MMG, the moving mass (PM) is attached to the base using at least a biaxial resonant suspension. The resonant frequency of the suspension along the axis of the primary vibrations is selected below the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary vibrations. MMG operating modes are possible both with coincidence of the resonant frequencies of the suspension, and work with a small shift of the resonant frequencies of these suspensions. In order for the MMG parameters to remain constant, it is necessary that the frequency difference and the parameters of the resonant suspensions remain constant. With a difference in resonance frequencies of 5% or more, the MMG parameters change to a much lesser extent than when MMGs work with reduced resonant frequencies of suspensions. A change in one of these frequencies leads to changes in the phase difference between the signals of the channels of primary and secondary oscillations and a significant (at times) change in the steepness or scale factor of the MMG. Therefore, to save the MMG parameters with a small difference between the resonant frequencies constant in them, automatic parameter adjustment systems are used. In these systems, adjustment is carried out after determining the response of certain components of MMG to the test effect. One of the most sensitive to changing working conditions is the PM resonant suspension. When the resonance frequency of the suspension changes, both the conversion coefficient of the micromechanical part (the ratio between the measured angular velocity and the amplitude of the secondary vibrations of the PM) and the conversion coefficient of the electronic part due to a change in the phase of the signal of the PM motion sensor along the axis of the secondary vibrations fed to the input of the synchronous detector with the reference signal from the PM displacement sensor along the axis of the primary vibrations. Therefore, MMGs use resonant frequency or / and phase adjustment systems.

В системе подстройки резонансной частоты подвеса ПМ по оси вторичных колебаний (f2) до частоты первичных колебаний (f1) ф. Bocsh (пат. США №6553833) используется тестовый сигнал, состоящий из двух гармонических сигналов на частотах (f1±Δf). В другом патенте этой фирмы (пат. США №6654424) предложено помимо этого сигнала дополнительно использовать пару сигналов той же частоты, но ортогональных к ним, т.е. сдвинутых на 90°.In the system for adjusting the resonant frequency of the PM suspension along the axis of secondary vibrations (f 2 ) to the frequency of primary vibrations (f 1 ) f. Bocsh (US Pat. No. 6553833) uses a test signal consisting of two harmonic signals at frequencies (f 1 ± Δf). In another patent of this company (US Pat. No. 6654424), in addition to this signal, it is proposed to additionally use a pair of signals of the same frequency, but orthogonal to them, i.e. shifted by 90 °.

Аналогичное решение задачи подстройки резонансной частоты в ММГ рассмотрено в работе Chinwuba D.E. "Redout Techniques for High-Q Micromachined Vibratory Rate Gyroscopes" PHD Dissertation, University of California, Berkeley, 2007, p. 19, fig.3.4. Для ее решения также используются два сигнала (f1±Δf), которые суммируются с сигналом емкостного датчика перемещения ПМ. В этой работе на стр.17, 18 указано, что если использовать тестовый сигнал на частоте первичных колебаний, то невозможно будет определить расстройку резонансных частот и эта проблема преодолевается тем, что используются два тестовых сигнала, частота одного из которых выше, а другого ниже частоты первичных колебаний, при этом частоты этих тестовых сигналов выбираются так, чтобы они не оказались в желаемой полосе полезного сигнала.A similar solution to the problem of tuning the resonant frequency in MMG was considered in Chinwuba DE "Redout Techniques for High-Q Micromachined Vibratory Rate Gyroscopes" PHD Dissertation, University of California, Berkeley, 2007, p. 19, fig. 3.4. To solve it, two signals are also used (f 1 ± Δf), which are summed with the signal of the capacitive PM displacement sensor. In this work, on pages 17, 18 it is indicated that if you use a test signal at the frequency of the primary oscillations, it will not be possible to determine the mismatch of the resonant frequencies and this problem is overcome by the fact that two test signals are used, the frequency of one of which is higher and the other below the frequency primary oscillations, while the frequencies of these test signals are selected so that they do not appear in the desired band of the useful signal.

Фирмой Thales предложено (пат. США №7159461) в качестве тестового сигнала использовать модулированный по частоте сигнал, центральная частота которого равна f1, а девиация частоты находится на уровне 0,1 f1.Thales proposed (US Pat. No. 7159461) to use a frequency-modulated signal with a center frequency of f 1 and a frequency deviation of 0.1 f 1 as a test signal.

Фирмой Litef (пат. США №7278312) в качестве тестового сигнала предложено использовать напряжение шума в сигнале на выходе датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний.The company Litef (US Pat. US No. 7278312) as a test signal proposed to use the noise voltage in the signal at the output of the PM displacement sensor along the axis of the secondary vibrations.

В качестве тестового сигнала может быть использована квадратурная помеха, как это предложено в патенте РФ №2308682.As a test signal, a quadrature interference can be used, as proposed in RF patent No. 2308682.

Тестовые сигналы в микромеханических датчиках используются не только в системах стабилизации параметров отдельных узлов. Они могут использоваться при определении работоспособности этих датчиков, что является особенно актуальным в случае использования таких датчиков в системах и устройствах, обеспечивающих, например, безопасность пассажиров в автомобиле. Пример такого построения системы непрерывного контроля микромеханического датчика приведен в пат. США №7086270. В нем в качестве тестового сигнала, по реакции на который микромеханической части датчика определяют исправность последнего, используется сигнал, частота которого выше реального воздействия.Test signals in micromechanical sensors are used not only in systems for stabilizing the parameters of individual nodes. They can be used in determining the operability of these sensors, which is especially relevant in the case of the use of such sensors in systems and devices that ensure, for example, the safety of passengers in the car. An example of such a construction of a continuous monitoring system of a micromechanical sensor is given in US Pat. US No. 7086270. In it, as a test signal, according to the reaction to which the micromechanical part of the sensor determines the serviceability of the latter, a signal is used whose frequency is higher than the actual impact.

В докладе Link Т. et al "A new self-test and self-calibration concept for micro-machined gyroscopes" Transducers'05 The 13th International Conference on Solid-State Sensors Actuators and Microsystems, Seul, Korea, June 5-9, 2005, pp.401-404 описан ММГ, который установлен в дополнительный подвес с электродами, обеспечивающими не только перемещения ПМ вокруг оси вторичных колебаний, как это имеет место в описанных выше способах формирования тестовых сигналов, но и перемещения целиком ММГ вокруг оси чувствительности. Это позволяет задавать калибровочные перемещения, имитирующие движение объекта и по реакции на сигналы, подаваемые на электроды определять и корректировать характеристики ММГ. Такое решение значительно усложняет микромеханическую часть ММГ.The report of Link T. et al "A new self-test and self-calibration concept for micro-machined gyroscopes"Transducers'05 The 13 th International Conference on Solid-State Sensors Actuators and Microsystems, Seul, Korea, June 5-9, 2005, pp.401-404 described MMG, which is installed in an additional suspension with electrodes that provide not only the movement of the PM around the axis of secondary vibrations, as is the case in the above methods for generating test signals, but also the movement of the entire MMG around the axis of sensitivity. This allows you to set the calibration movements that simulate the movement of the object and to determine and adjust the characteristics of the MMG by the reaction to the signals supplied to the electrodes. Such a solution significantly complicates the micromechanical part of the MMG.

Тестирование ММГ может выполняться перед началом или в процессе работы за счет подачи логического сигнала, вызывающего смещение на определенную величину показаний датчика, как это выполняется в ММГ ADIS16130 фирмы Analog Devices (см. ADIS16130.pdf, стр.10). Недостатком этого решения является то, что тестирование вызывает изменение показаний датчика, которое должно компенсироваться, что приводит к возрастанию погрешности ММГ (т.к. смещение показаний при тестировании зависит от внешних факторов, например, температуры (см. фиг.12) и усложнению схемы обработки сигнала.MMG testing can be performed before or during operation by supplying a logical signal that causes a shift in the sensor readings by a certain amount, as is done in Analog Devices MMG ADIS16130 (see ADIS16130.pdf, page 10). The disadvantage of this solution is that testing causes a change in the sensor readings, which must be compensated, which leads to an increase in the MMG error (since the bias of the readings during testing depends on external factors, for example, temperature (see Fig. 12) and the complexity of the circuit signal processing.

Общим решением (см. пат. США №6553833, 6654424, 7159461, 7086270) для датчиков с высокочастотным тестовым сигналом является то, что эти тестовые сигналы формируют таким образом, чтобы тестовый сигнал оказывался вне полосы пропускания датчика с тем, чтобы затем в выходном канале этот тестовый сигнал можно было бы подавить с помощью фильтров, что в конечном счете ухудшает быстродействие микромеханических датчиков и усложняет сами датчики. Недостатком решения по пат. США №7278312 является сложность настройки по минимальной величине шума, а решение по пат. РФ №2308682 работоспособно только в отсутствие знакопостоянной измеряемой угловой скорости.A common solution (see US Pat. No. 6553833, 6654424, 7159461, 7086270) for sensors with a high-frequency test signal is that these test signals are formed so that the test signal is outside the sensor bandwidth so that then in the output channel this test signal could be suppressed using filters, which ultimately degrades the performance of micromechanical sensors and complicates the sensors themselves. The disadvantage of the solution according to US Pat. US No. 7278312 is the difficulty of setting the minimum noise, and the solution according to US Pat. RF №2308682 is operable only in the absence of a sign-constant measured angular velocity.

Таким образом, применение в микромеханических датчиках тестовых сигналов известной формы приводит к ухудшению быстродействия датчиков, их усложнению или неработоспособно при определенных условиях работы.Thus, the use of test signals of a known shape in micromechanical sensors leads to a deterioration in the speed of the sensors, their complexity or is inoperative under certain operating conditions.

В качестве прототипа предлагаемого способа формирования тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа выбран способ по пат. США №6553833, которому присущи недостатки, описанные выше.As a prototype of the proposed method of forming a test effect on the moving mass of a micromechanical gyroscope, the method according to US Pat. US No. 6553833, which has the disadvantages described above.

Задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.The objective of the invention is to increase the speed of MMG, its simplification and increased accuracy.

Поставленная задача решается тем, что при формировании тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа, перемещение которой по оси первичных колебаний γ изменяется во времени (t) в соответствии с выражением:The problem is solved in that when forming a test action on the moving mass of a micromechanical gyroscope, the movement of which along the axis of primary oscillations γ changes in time (t) in accordance with the expression:

Figure 00000001
где
Figure 00000002
- угловая частота,
Figure 00000001
Where
Figure 00000002
- angular frequency,

заключающемся в изменении напряжений на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний подвижной массы, напряжение U(t) на одном или нескольких электродах изменяют так, что гармоническая составляющая A(t) на частоте ω1 величиныconsisting in changing the voltages at the electrodes located along the axis of the secondary oscillations of the moving mass, the voltage U (t) at one or more electrodes is changed so that the harmonic component A (t) at a frequency ω 1 of magnitude

Figure 00000003
изменяется в соответствии с выражением:
Figure 00000003
changes according to the expression:

Figure 00000004
где амплитуда B(t)≠const., С(α,γ(t)-емкость между подвижной массой и электродом, на котором изменяют напряжение, α-перемещения ПМ по оси вторичных колебаний
Figure 00000004
where the amplitude B (t) ≠ const., C (α, γ (t) is the capacitance between the moving mass and the electrode on which the voltage is changed, α-displacements of the PM along the axis of secondary vibrations

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе с электродной структурой, в которой при колебаниях подвижной массы по оси первичных колебаний изменяется площадь перекрытия между подвижной массой и одним или несколькими электродами, напряжение на этих электродах изменяют с частотой меньше частоты первичных колебаний.In addition, the problem is solved in that in a micromechanical gyroscope with an electrode structure in which the overlap area between the moving mass and one or more electrodes changes with the oscillations of the moving mass along the axis of the primary vibrations, the voltage on these electrodes is changed with a frequency less than the frequency of the primary vibrations.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе с электродной структурой, в которой при колебаниях подвижной массы по оси первичных колебаний не изменяется площадь перекрытия между подвижной массой и одним или несколькими электродами, напряжение на этих электродах изменяют с частотой, равной частоте первичных колебаний синфазно с первичными колебаниями подвижной массы, при этом изменяя и амплитуду этих напряжений.In addition, the problem is solved in that in a micromechanical gyroscope with an electrode structure in which the overlap area between the moving mass and one or more electrodes does not change with oscillations of the moving mass along the axis of the primary vibrations, the voltage on these electrodes is changed with a frequency equal to the frequency of the primary oscillations in phase with the primary oscillations of the moving mass, while changing the amplitude of these stresses.

Предложенный способ формирования тестового сигнала обеспечивает создание модулированного по амплитуде квадратурного момента или силы. Этот момент (или сила) находятся в фазе с квадратурной помехой, для подавления которой в ММГ используются известные средства, в частности, синхронное детектирование. Поэтому для подавления реакции на тестовый сигнал не требуется усложнять электронную часть ММГ и вводить дополнительные фильтры. Этим обеспечивается возможность сохранения максимального быстродействия ММГ, т.к. не требуется уменьшать полосу пропускания датчика, оставляя часть спектра рабочих частот для тестового сигнала. С другой стороны, амплитудная модуляция квадратурного сигнала как бы помечает тестовый сигнал и позволяет найти реакцию элементов ММГ именно на тестовый сигнал, исключая составляющие, обусловленные другими сигналами и причинами.The proposed method for generating a test signal provides the creation of an amplitude modulated quadrature moment or force. This moment (or force) is in phase with a quadrature noise, for the suppression of which MMG uses known means, in particular, synchronous detection. Therefore, to suppress the reaction to the test signal, it is not necessary to complicate the electronic part of the MMG and introduce additional filters. This provides the ability to maintain maximum speed MMG, tk. it is not necessary to reduce the passband of the sensor, leaving part of the spectrum of operating frequencies for the test signal. On the other hand, the amplitude modulation of the quadrature signal, as it were, marks the test signal and allows you to find the response of the MMG elements to the test signal, excluding the components due to other signals and reasons.

Известны электродные структуры, которые позволяют создавать момент или силу, синфазные с квадратурной помехой. Такие структуры для ММГ RR-типа описаны в патентах США №6067858 (фиг.20), РФ №2320962, а для ММГ LL-типа описаны в патенте США №7213458 (фиг.2).Known electrode structures that allow you to create a moment or force in-phase with quadrature interference. Such structures for RG-type MMG are described in US Pat. No. 6,067,858 (FIG. 20), RF No. 2320962, and for LL-type MMG are described in US Pat. No. 7,213,458 (FIG. 2).

Недостатком электродной структуры по пат. США №6067858 является то, что ее применение значительно увеличивает площадь, занимаемую микромеханической частью на пластине кремния, а структуры по пат. РФ №2320962 - то, что из-за того, что квадратурная помеха может быть в фазе или в противофазе с колебаниями ПМ, электроды располагают над зубцовыми зонами ПМ по обеим сторонам оси чувствительности ММГ (электроды 14, 16 и 15, 17 на фиг.3 пат. РФ №2320962), хотя подавление квадратурной помехи за счет формирования квадратурного момента нужной величины и знака достигается с помощью только одной пары электродов. Необходимость формирования избыточных электродов и, соответственно, выводов от них усложняет конструкцию и увеличивает площадь, занимаемую микромеханической частью ММГ. Прототипом электродной структуры для ММГ RR-типа выбрана структура по пат. РФ №2320962.The disadvantage of the electrode structure according to US Pat. US No. 6067858 is that its use significantly increases the area occupied by the micromechanical part on the silicon wafer, and the structure according to US Pat. RF No. 2320962 - due to the fact that the quadrature interference can be in phase or out of phase with PM oscillations, the electrodes are located above the PM tooth zones on both sides of the MMG sensitivity axis (electrodes 14, 16 and 15, 17 in FIG. 3 of the patent of the Russian Federation No. 2320962), although the suppression of the quadrature noise due to the formation of the quadrature moment of the desired magnitude and sign is achieved using only one pair of electrodes. The need to form excess electrodes and, accordingly, the conclusions from them complicates the design and increases the area occupied by the micromechanical part of the MMG. The prototype electrode structure for MMG RR-type selected structure according to US Pat. RF №2320962.

К недостаткам структуры по пат. США №7213458 можно отнести то, что при большом уровне квадратурной помехи площади электродов, расположенных над зубцовой зоной ПМ, может оказаться недостаточно и для подавления помехи приходится использовать основные электроды, расположенные под ПМ. В этом случае для уменьшения габаритов ММГ может оказаться целесообразней использовать основную часть электродов над зубцовой зоной для измерения перемещений ПМ вдоль оси первичных колебаний. Эта структура выбрана в качестве прототипа для электродной структуры для ММГ LL- типа.The disadvantages of the structure according to US Pat. USA No. 7213458 can be attributed to the fact that with a large level of quadrature interference, the area of the electrodes located above the tooth zone of the PM may not be enough and to suppress the interference it is necessary to use the main electrodes located under the PM. In this case, to reduce the dimensions of the MMG, it may be more appropriate to use the main part of the electrodes above the tooth zone to measure the displacements of the PM along the axis of the primary vibrations. This structure is selected as a prototype for the electrode structure for MM-LL-type.

Задачей изобретения для обеих предлагаемых структур является уменьшение габаритов ММГ при формировании предлагаемого тестового воздействия на подвижную массу.The objective of the invention for both of the proposed structures is to reduce the dimensions of the MMG during the formation of the proposed test effects on the moving mass.

Поставленная задача для ММГ RR-типа решается тем, что в гироскопе с электродной структурой, содержащей подвижную массу, имеющую вид секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, и электроды, расположенные над или под подвижной массой, для реализации предложенного способа формирования тестового воздействия часть этих электродов расположена над боковыми границами секторов.The problem for MMR RR-type is solved by the fact that in a gyroscope with an electrode structure containing a moving mass, having the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and secondary vibrations of the moving mass, and electrodes located above or below the moving mass, for implementation of the proposed method for forming a test effect, part of these electrodes is located above the lateral boundaries of the sectors.

Поставленная задача для ММГ LL-типа решается тем, что в гироскопе с электродной структурой, содержащей подвижную массу, имеющую вид прямоугольника, первая пара сторон которого перпендикулярна направлению первичных колебаний, а вторая пара сторон им параллельна, и электроды, расположенные над или под подвижной массой, что часть этих электродов расположена над боковыми границами одной или двух первой пары сторон.The problem for LL-type MMG is solved by the fact that in a gyroscope with an electrode structure containing a moving mass having the shape of a rectangle, the first pair of sides of which is perpendicular to the direction of the primary vibrations, and the second pair of sides parallel to them, and the electrodes located above or below the moving mass that part of these electrodes is located above the lateral boundaries of one or two of the first pair of sides.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в подвижной массе выполнены отверстия, а часть электродов расположена над краями отверстий, ориентированных перпендикулярно к направлению первичных колебаний.In addition, the problem is solved by the fact that holes are made in the moving mass, and part of the electrodes are located above the edges of the holes oriented perpendicular to the direction of the primary vibrations.

В отличие от известных электродных структур, создающих действующие на ПМ моменты или силы, синфазные с первичными колебаниями, в предложенных электродных структурах не требуется формирование воздействий большой величины (на уровне диапазона измерения ММГ и выше), поэтому оказывается возможным выполнять электроды для формирования тестовых воздействий значительно меньшей площади по сравнению с прототипом и размещать их в микромеханической части ММГ практически без увеличения габаритов, используя или видоизменяя, например, технологические отверстия, предназначенные для травления кремния. Также не требуется формирование избыточного числа электродов, как это имеет место в устройстве по пат. РФ №2320962, т.к. тестовое воздействие должно быть как синфазно, так и противофазно квадратурной помехе.In contrast to the known electrode structures that create moments or forces acting on the PM that are in phase with the primary vibrations, the proposed electrode structures do not require the formation of large-scale effects (at the level of the MMG measurement range and above), therefore, it is possible to perform electrodes to generate test effects significantly smaller area compared to the prototype and place them in the micromechanical part of the MMG with virtually no increase in size, using or modifying, for example, technological holes intended for etching silicon. Also, the formation of an excessive number of electrodes is not required, as is the case in the device according to US Pat. RF №2320962, because the test effect should be both in-phase and out-of-phase with quadrature interference.

В качестве прототипа предлагаемого способа подстройке резонансной частоты подвеса подвижной массы по оси вторичных колебаний выбран способ по пат. США №6553833, которому присущи недостатки, обусловленные способом формирования тестового воздействия в нем.As a prototype of the proposed method, adjusting the resonant frequency of the suspension of the moving mass along the axis of the secondary vibrations, the method according to US Pat. US No. 6553833, which has inherent disadvantages due to the method of forming a test effect in it.

Соответственно задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.Accordingly, the objective of the invention is to increase the speed of MMG, its simplification and increased accuracy.

Поставленная задача решается тем, что при подстройке резонансной частоты подвеса подвижной массы по оси вторичных колебаний напряжения на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, изменяют в зависимости от составляющей сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, пропорциональной B(t).The problem is solved in that when adjusting the resonant frequency of the suspension of the moving mass along the axis of the secondary oscillations, the voltages on the electrodes located along the axis of the secondary vibrations are changed depending on the signal component of the moving mass displacement sensor along the axis of the secondary vibrations proportional to B (t).

Кроме того, поставленная задача решается тем, что составляющую, пропорциональную амплитуде B(t), выделяют путем последовательной демодуляции сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний вначале с опорным сигналом, синфазным первичным колебаниями подвижной массы, а затем с опорным сигналом, пропорциональным B(t).In addition, the problem is solved in that a component proportional to the amplitude B (t) is isolated by successive demodulation of the signal of the moving mass displacement sensor along the axis of the secondary oscillations, first with a reference signal, in-phase primary oscillations of the moving mass, and then with a reference signal proportional to B (t).

По существу, за счет двойной демодуляции в предложенном способе производится последовательно: сначала выделение квадратурных сигналов, а затем среди квадратурных сигналов выделяется тот сигнал, амплитуда которого изменялась пропорционально B(t). И именно в зависимости от этого выделенного сигнала изменяют напряжения на электродах в ММГ для подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний под частоту первичных колебаний.Essentially, due to double demodulation in the proposed method, it is performed sequentially: first, quadrature signals are extracted, and then the signal whose amplitude varies proportionally to B (t) is selected among the quadrature signals. And it is precisely depending on this selected signal that the voltages at the electrodes in the MMG are changed to adjust the resonance frequency of the suspension along the axis of the secondary vibrations to the frequency of the primary vibrations.

Прототипом устройства для реализации предлагаемого способа подстройки резонансной частоты выбран ММГ по пат. РФ№2320962, недостатком которого является низкая чувствительность из-за работы в режиме с расстройкой резонансных частот подвесов на уровне 3%. Для работы ММГ с совмещенными резонансными частотами подвесов необходимо введение в него контура подстройки частоты, который реализует предложенный выше способ.The prototype device for implementing the proposed method for adjusting the resonant frequency selected MMG according to US Pat. RF №2320962, the disadvantage of which is the low sensitivity due to operation in the mode with the detuning of the resonant frequencies of the suspensions at the level of 3%. For MMG to work with the combined resonant frequencies of the suspensions, it is necessary to introduce a frequency control loop into it, which implements the method proposed above.

Соответственно, задачей изобретения является повышение точности ММГ.Accordingly, an object of the invention is to improve the accuracy of MMG.

Поставленная задача решается тем, что в ММГ RR-типа, реализующем предложенный способ подстройки резонансной частоты и содержащем подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, при этом боковые поверхности этих секторов содержат зубцы, три пары электродов, расположенных над подвижной массой, которые также имеют секторы, при этом первая пара электродов расположена над зубцовыми зонами подвижной массы, которые расположены по одну сторону от оси чувствительности микромеханического гироскопа, вторая пара электродов расположена относительно этой оси симметрично, а третья пара электродов расположена на этой оси и электроды каждой пары расположены симметрично относительно оси вторичных колебаний, статоры, расположенные на основании и имеющие зубцы, которые с зубцами подвижной массы образуют гребенчатую электродную структуру, подвес в виде торсионов, с помощью которого подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между статорами и содержащее первый датчик перемещения подвижной массы и устройство преобразования электрического сигнала, второй датчик перемещения подвижной массы, выполненный в виде дифференциального трансрезистивного усилителя, входы которого соединены с первой парой электродов, источник постоянного напряжения, соединенный со второй парой электродов, первый демодулятор, вход которого соединен с выходом трансрезистивного усилителя, а вход для опорного сигнала соединен с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, введены источник переменного напряжения, который включен последовательно с источником постоянного напряжения, второй демодулятор, вход которого соединен с выходом первого демодулятора, а вход для опорного сигнала соединен с введенным источником переменного напряжения, и интегратор, вход которого соединен с выходом второго демодулятора, а выход - с третьей парой электродов.The problem is solved in that in the MMR of the RR type, implementing the proposed method for adjusting the resonant frequency and containing the moving mass, made in the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and secondary oscillations of the moving mass, while the lateral surfaces of these sectors contain teeth, three pairs of electrodes located above the moving mass, which also have sectors, while the first pair of electrodes is located above the tooth zones of the moving mass, which are located on one side of the axis of sensitivity of the micromechanical gyroscope, the second pair of electrodes is located symmetrically about this axis, and the third pair of electrodes is located on this axis and the electrodes of each pair are symmetrical about the axis of the secondary vibrations, the stators located on the base and having teeth with teeth the movable mass form a comb electrode structure, a suspension in the form of torsion bars, with which the movable mass is suspended from a support mounted on the base, the device in excitation of primary oscillations, connected between the stators and containing a first moving mass displacement sensor and an electric signal conversion device, a second moving mass displacement sensor made in the form of a differential transresistive amplifier, the inputs of which are connected to the first pair of electrodes, a constant voltage source connected to the second pair of electrodes , the first demodulator, the input of which is connected to the output of the transresistive amplifier, and the input for the reference signal is connected to the output of the first a moving mass displacement sensor, an alternating voltage source is introduced, which is connected in series with a constant voltage source, a second demodulator, the input of which is connected to the output of the first demodulator, and the input for the reference signal is connected to the introduced alternating voltage source, and an integrator whose input is connected to the output of the second demodulator, and the output with a third pair of electrodes.

Прототипом другого варианта устройства для реализации предлагаемого способа подстройки резонансной частоты выбран ММГ, описанный в работе [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005г., стр.268-274, рис.2, 3], недостатком которого является низкая чувствительность из-за работы в режиме с расстройкой резонансных частот подвесов на уровне 3%. Для работы ММГ с совмещенными резонансными частотами подвесов необходимо введение в него контура подстройки частоты, который реализует предложенный выше способ.The prototype of another embodiment of the device for implementing the proposed method for adjusting the resonant frequency is MMG, described in [Peshekhonov et al. Results of the development of a micromechanical gyroscope. XII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems May 23-25, 2005, pp. 268-274, Fig. 2, 3], the disadvantage of which is low sensitivity due to operation in the mode with detuning of resonant frequencies of suspensions at the level of 3% . For MMG to work with the combined resonant frequencies of the suspensions, it is necessary to introduce a frequency control loop into it, which implements the method proposed above.

Соответственно, задачей изобретения является повышение точности ММГ.Accordingly, an object of the invention is to improve the accuracy of MMG.

Поставленная задача решается тем, что в ММГ RR-типа, реализующем предложенный способ подстройки резонансной частоты и содержащем подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, две пары электродов, в каждой из которых электроды расположены симметрично относительно этих осей над подвижной массой, при этом электроды первой пары являются электродами емкостного датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, а электроды второй пары являются электродами емкостного датчика момента, статоры, расположенные на основании и имеющие зубцы, которые с зубцами подвижной массы образуют гребенчатую электродную структуру, подвес в виде торсионов, с помощью которого подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между статорами и содержащее первый датчик перемещения подвижной массы и устройство преобразования электрического сигнала, второй датчик перемещения подвижной массы, выполненный в виде дифференциального усилителя, входы которого соединены с электродами первой пары, первый демодулятор, вход которого соединен с выходом второго датчика перемещения подвижной массы, а вход для опорного сигнала соединен с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, усилители, выходы которых соединены с электродами датчика момента, введены источник переменного напряжения, второй и третий демодуляторы и модулятор, при этом выходы второго и третьего демодуляторов соединены соответственно через первый и второй интеграторы с входом устройства суммирования и одноименными входами усилителей, источник переменного напряжения через устройство суммирования соединен с модулятором, выход которого соединен с разноименными входами усилителей, при этом входы для опорного сигнала второго, третьего демодуляторов и модулятора соединены соответственно с выходом второго датчика перемещения подвижной массы через устройство сдвига фазы на 90°, с источником переменного напряжения и выходом второго датчика перемещения подвижной массы через устройство сдвига фазы.The problem is solved in that in the RR-type MMG that implements the proposed method for adjusting the resonant frequency and contains the moving mass, made in the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and the secondary vibrations of the moving mass, two pairs of electrodes, each of which has electrodes are located symmetrically with respect to these axes above the moving mass, while the electrodes of the first pair are electrodes of a capacitive sensor for moving the moving mass along the secondary axis oscillations, and the electrodes of the second pair are electrodes of a capacitive moment sensor, stators located on the base and having teeth, which, with teeth of the moving mass, form a comb electrode structure, a suspension in the form of torsions, by which the moving mass is suspended from a support mounted on the base, a primary oscillation excitation device connected between the stators and comprising a first moving mass movement sensor and an electric signal conversion device, a second moving sensor of the first mass, made in the form of a differential amplifier, the inputs of which are connected to the electrodes of the first pair, the first demodulator, the input of which is connected to the output of the second moving mass displacement sensor, and the input for the reference signal is connected to the output of the first moving mass displacement sensor, amplifiers whose outputs are connected with the electrodes of the torque sensor, an alternating voltage source, second and third demodulators and a modulator are introduced, while the outputs of the second and third demodulators are connected respectively through the first and integrators with the input of the summing device and the inputs of the amplifiers of the same name, the source of alternating voltage through the summing device is connected to a modulator, the output of which is connected to the opposite inputs of the amplifiers, while the inputs for the reference signal of the second, third demodulators and the modulator are connected respectively to the output of the second moving mass displacement sensor through a 90 ° phase shift device, with an AC voltage source and an output of a second moving mass displacement sensor through the device phase driving.

Аналогом предложенного способа определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ является способ, который используется в устройстве по пат. РФ №2282152. Изменение этого сдвига фазы в нем определяют по величине постоянной составляющей напряжения на выходе демодулятора, который должен подавлять квадратурную помеху. Т.е. в этом устройстве квадратурная помеха выполняет роль тестового сигнала. Недостатком этого способа является то, что его можно использовать только в случае, если измеряемая ММГ угловая скорость не содержит постоянной составляющей, в противном случае постоянную составляющую сигнала, обусловленную измеряемой угловой скоростью, нельзя отличить от постоянной составляющей, обусловленной изменением фазы между опорным сигналом и квадратурной помехой. Возможное решение этой проблемы, предложенное в этом патенте, заключающееся в изменении режима работы при циркуляции объекта, усложняет использование ММГ.An analogue of the proposed method for determining the phase shift of the signal in the channel of secondary vibrations relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the channel of primary vibrations in MMG is the method that is used in the device according to US Pat. RF №2282152. The change in this phase shift in it is determined by the magnitude of the DC component of the voltage at the output of the demodulator, which should suppress quadrature interference. Those. in this device, the quadrature interference acts as a test signal. The disadvantage of this method is that it can be used only if the measured MMG angular velocity does not contain a constant component, otherwise the constant component of the signal due to the measured angular velocity cannot be distinguished from the constant component due to a phase change between the reference signal and the quadrature a hindrance. A possible solution to this problem, proposed in this patent, which consists in changing the operating mode during the circulation of the object, complicates the use of MMG.

В качестве прототипа выбран способ подстройки разности фаз между сигналами в каналах первичных и вторичных колебаний, который использован в пат. США №6553833. В нем по тестовому сигналу производится настройка резонансной частоты контура подвеса ПМ по оси вторичных колебаний на частоту первичных колебаний, при которой обеспечивается постоянный, равный 90° сдвиг фазы, вносимый контуром вторичных колебаний.As a prototype of the selected method of adjusting the phase difference between the signals in the channels of primary and secondary oscillations, which is used in US Pat. US No. 6553833. In it, according to the test signal, the resonance frequency of the PM suspension loop is tuned along the axis of secondary vibrations to the primary oscillation frequency, at which a constant 90 ° phase shift introduced by the secondary oscillation circuit is provided.

Недостатком этого способа является то, что в ряде применений ММГ бывает целесообразно работать с расстройкой резонансных частот (например, в случае, когда необходимо обеспечить постоянство крутизны или масштабного коэффициента ММГ и/или достаточно широкую полосу пропускания), при которой сдвиг фазы не равен 90°, и применение двух тестовых сигналов вызывает необходимость введения фильтров для подавления этих сигналов и, соответственно, уменьшение быстродействия ММГ.The disadvantage of this method is that in a number of MMG applications it can be advisable to work with resonance frequency detuning (for example, in the case when it is necessary to ensure the steepness or scale factor of MMG and / or a sufficiently wide passband), at which the phase shift is not equal to 90 ° , and the use of two test signals necessitates the introduction of filters to suppress these signals and, accordingly, reduce the speed of MMG.

Соответственно, задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.Accordingly, the object of the invention is to increase the speed of MMG, its simplification and increased accuracy.

Поставленная задача решается тем, что для определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ, содержащем, по крайней мере, один электрод, расположенный несоосно с направлением первичных колебаний подвижной массы, и подключенный к этому электроду источник напряжения B(t), заключающийся в первом синхронном детектировании сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале вторичных колебаний с помощью первого опорного сигнала, в качестве которого используют сигнал датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний, после первого синхронного детектирования дополнительно осуществляют второе синхронное детектирование с помощью второго опорного сигнала, в качестве которого используют напряжение B(t), и изменяют фазу первого опорного сигнала до тех пор, пока средняя величина сигнала после второго синхронного детектирования не станет равной нулю.The problem is solved in that in order to determine the phase shift of the signal in the channel of the secondary oscillations relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the primary oscillation channel in the MMG, containing at least one electrode located misaligned with the direction of the primary oscillations of the moving mass, and connected to this to the electrode, the voltage source B (t), consisting in the first synchronous detection of the signal of the moving mass displacement sensor in the secondary oscillation channel using the first reference signal, as which uses the signal of the moving mass displacement sensor in the primary oscillation channel, after the first synchronous detection, a second synchronous detection is additionally performed using the second reference signal, the voltage B (t) is used as it, and the phase of the first reference signal is changed until the average the signal value after the second synchronous detection does not become equal to zero.

В качестве аналога и прототипа предлагаемого устройства, в котором осуществлен предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний, выбраны указанные выше устройства (по пат. РФ№2282152 и пат. США №6553833 соответственно). Также аналогом предлагаемого устройства является ММГ компенсационного типа с каналом подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний по пат. США №7278312.As an analogue and prototype of the proposed device, in which the proposed method for determining the phase shift of the signal in the secondary vibration channel relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the primary vibration channel is implemented, the above devices are selected (Pat. RF No. 2282152 and US Pat. No. 6553833, respectively ) Also an analogue of the proposed device is MMG compensation type with a channel for adjusting the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary oscillations according to US Pat. US No. 7278312.

Недостатки прототипа и аналогов отмечены выше.The disadvantages of the prototype and analogues noted above.

Задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.The objective of the invention is to increase the speed of MMG, its simplification and increased accuracy.

Поставленная задача решается тем, что в ММГ, содержащем подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, резонансный подвес подвижной массы, выполненный в виде торсионов, с помощью которых подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, входы и выходы которого соединены с соответствующими электродами гребенчатой структуры, электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, имеющие форму секторов, при этом, по крайней мере, один из электродов расположен над боковой границей одного из секторов, первый емкостной датчик перемещения подвижной массы по оси первичных колебаний, второй датчик перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, при этом к выходу второго датчика перемещения подвижной массы подключены входы первого и второго демодуляторов, выходы которых через усилительные звенья соединены соответственно с входами первого и второго модуляторов, входы для опорных сигналов одноименных модуляторов и демодуляторов соединены через первую и вторую фазосдвигающие цепи с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, выходы модуляторов через суммирующее устройство соединены, по крайней мере, с одним из электродов, расположенных по оси вторичных колебаний, введены источник переменного напряжения, выход которого соединен с электродом, расположенным над боковой границей одного из секторов, третья фазосдвигающая цепь, которая выполнена как управляемая, последовательно соединенные третий демодулятор и интегратор, при этом входы третьего демодулятора соединены с выходом первого демодулятора и выходом введенного источника переменного напряжения, выход интегратора соединен с входом управления третьей фазосдвигающей цепи, которая включена между выходом первого датчика перемещения подвижной массы и входами первой и второй фазосдвигающих цепей.The problem is solved in that in the MMG containing the moving mass, made in the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and the secondary vibrations of the moving mass, the resonant suspension of the moving mass, made in the form of torsions, with which the moving mass is suspended from the support, mounted on the base, a comb electrode structure, a device for exciting primary oscillations, the inputs and outputs of which are connected to the corresponding electrodes of the comb structures, electrodes located on the axis of secondary vibrations, having the shape of sectors, while at least one of the electrodes is located above the lateral boundary of one of the sectors, the first capacitive sensor for moving the moving mass along the axis of the primary vibrations, the second sensor for moving the moving mass along the axis secondary vibrations, while the inputs of the first and second demodulators are connected to the output of the second moving mass displacement sensor, the outputs of which are connected through amplifying links to the inputs of the first and second modulators, inputs for the reference signals of the same modulators and demodulators are connected through the first and second phase-shifting circuits to the output of the first moving mass displacement sensor, the outputs of the modulators are connected through at least one of the electrodes located along the secondary axis, an alternating source is introduced voltage, the output of which is connected to an electrode located above the lateral boundary of one of the sectors, the third phase-shifting circuit, which is designed as a controlled, follower but the third demodulator and integrator are connected, while the inputs of the third demodulator are connected to the output of the first demodulator and the output of the introduced AC voltage source, the integrator output is connected to the control input of the third phase-shifting circuit, which is connected between the output of the first moving mass displacement sensor and the inputs of the first and second phase-shifting circuits .

Благодаря введенным элементам в предложенном ММГ компенсационного типа достигается подстройка фазы опорного сигнала таким образом, что сигнал о перемещении ПМ, обусловленный тестовым воздействием, способ формирования которого предложен в данной заявке, полностью подавляется в канале выделения измеряемой угловой скорости за счет точной подстройки фазы опорного сигнала демодулятора.Thanks to the introduced elements in the proposed MMG of compensation type, adjustment of the phase of the reference signal is achieved in such a way that the PM movement signal due to the test action, the method of formation of which is proposed in this application, is completely suppressed in the channel for measuring the measured angular velocity due to the exact adjustment of the phase of the reference signal of the demodulator .

Прототипом предлагаемого устройства, в котором реализован предложенный способ формирования тестового воздействия, является устройство по пат. США №6553833. В нем за счет введения демпфирующей связи достигается снижение добротности в канале вторичных колебаний (см. фиг.4). Недостатком прототипа является то, что крутизна этого ММГ задается на стадии изготовления. Она определяется запрограммированным коэффициентом при демпфирующем члене. При работе в условиях, когда диапазон измеряемых ММГ угловых скоростей изменяется, целесообразно изменять крутизну ММГ для повышения его чувствительности за счет снижения диапазона работы. В прототипе такое расширение функциональных возможностей отсутствует.The prototype of the proposed device, which implements the proposed method of forming a test effect, is the device according to US Pat. US No. 6553833. In it, due to the introduction of a damping coupling, a decrease in the Q factor in the channel of secondary oscillations is achieved (see Fig. 4). The disadvantage of the prototype is that the steepness of this MMG is set at the manufacturing stage. It is determined by the programmed coefficient for the damping term. When working in conditions where the range of measured MMG angular velocities varies, it is advisable to change the steepness of the MMG to increase its sensitivity by reducing the range of operation. In the prototype, such an extension of functionality is missing.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей ММГ и повышение его точностиThe objective of the invention is to expand the functionality of MMG and increase its accuracy

Поставленная задача решается тем, что в ММГ с контуром автоподстройки частоты и демпфирующей обратной связью в канале вторичных колебаний, которая реализована в виде дифференцирующего звена, включенного между выходом датчика перемещения подвижной массы по оси и расположенными на этой оси электродами, последовательно с дифференцирующим звеном введено устройство с изменяемым коэффициентом передачи.The problem is solved in that in an MMG with a frequency-locked loop and damping feedback in the secondary oscillation channel, which is implemented as a differentiating element connected between the output of the moving mass displacement sensor along the axis and electrodes located on this axis, a device is introduced in series with the differentiating element with variable gear ratio.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что в ММГ с контуром автоподстройки частоты и демпфирующей обратной связью в канале вторичных колебаний, которая реализована в виде последовательно соединенных дифференцирующего звена, включенного между выходом датчика перемещения подвижной массы по оси и расположенными на этой оси электродами, и устройства с изменяемым коэффициентом передачи, введено устройство выделения среднего значения модуля входной величины, выход и вход которого соединены соответственно со входом для изменения коэффициента передачи и входом устройства с изменяемым коэффициентом передачи.In addition, the problem is solved in that in an MMG with a frequency locked loop and damping feedback in the secondary oscillation channel, which is implemented in the form of series-connected differentiating element connected between the output of the moving mass displacement sensor along the axis and the electrodes located on this axis, and a device with a variable transmission coefficient, a device has been introduced for extracting the average value of the input quantity module, the output and input of which are connected respectively to the input for changing ffitsienta transmission and an input device with variable transmission ratio.

Введенное устройство с изменяемым коэффициентом передачи позволяет изменять крутизну ММГ по сигналу от внешнего источника сигнала управления. В качестве такого сигнала можно использовать выходной сигнал ММГ и осуществлять автоматическую подстройку чувствительности ММГ в зависимости от диапазона изменения текущих значений измеряемой угловой скорости.The introduced device with a variable transmission coefficient allows you to change the slope of the MMG signal from an external source of control signal. As such a signal, you can use the output signal of the MMG and automatically adjust the sensitivity of the MMG depending on the range of changes in the current values of the measured angular velocity.

Прототипом предлагаемого способа тестирования ММГ является способ непрерывного тестирования исправности работы микромеханического датчика, описанный в пат. США №7086270, критика которого приведена выше.The prototype of the proposed method of testing MMG is a method for continuous testing of the serviceability of the micromechanical sensor described in US Pat. US No. 7086270, criticism of which is given above.

Задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, упрощение его конструкции при обеспечении непрерывного контроля исправности его работы.The objective of the invention is to increase the speed of MMG, simplifying its design while providing continuous monitoring of the health of his work.

Поставленная задача решается тем, что в ММГ в качестве тестового сигнала используют модулированную по амплитуде силу (момент), синфазную с силой, вызывающую квадратурную помеху, которую формируют путем изменения напряжения на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний подвижной массы, а реакцию на тестовый сигнал определяют путем первой демодуляции выходного сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний с помощью опорного сигнала на частоте первичных колебаний и второй демодуляции с помощью опорного сигнала, пропорционального B(t).The problem is solved in that, in the MMG, a force modulated in amplitude (moment) is used as a test signal, in phase with the force causing quadrature noise, which is formed by changing the voltage on the electrodes located along the axis of the secondary oscillations of the moving mass, and the reaction to the test signal determined by the first demodulation of the output signal of the moving mass displacement sensor along the axis of the secondary oscillations using the reference signal at the frequency of the primary oscillations and the second demodulation using the reference signal proportional to B (t).

Заявляемый способ поясняется чертежами.The inventive method is illustrated by drawings.

На фиг.1 приведена блок-схема канала вторичных колебанийFigure 1 shows a block diagram of a channel of secondary vibrations

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

1 - канал первичных колебаний ММГ1 - channel primary oscillations MMG

2 - микромеханическая часть канала вторичных колебаний ММГ2 - micromechanical part of the channel of secondary vibrations MMG

3 - звено с коэффициентом (K1), отражающим связь между скоростью перемещений ПМ по оси первичных колебаний и силой или моментом, действующими на ПМ при наличии угловой скорости Ω по оси чувствительности ММГ3 - link with a coefficient (K 1 ), reflecting the relationship between the speed of movement of the PM along the axis of primary vibrations and the force or moment acting on the PM in the presence of an angular velocity Ω along the sensitivity axis MMG

4 - звено с коэффициентом (К2) преобразования перемещений ПМ по оси первичных колебаний в силу или момент, действующие на ПМ (т.н. квадратурная помеха)4 - a link with a coefficient (K 2 ) of transforming the displacements of the PM along the axis of the primary vibrations into the force or moment acting on the PM (the so-called quadrature interference)

5 - множительное звено5 - multiple link

6 - сумматор сил (моментов), действующих на ПМ6 - adder forces (moments) acting on the PM

7 - датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний7 - PM displacement sensor along the axis of secondary vibrations

8 - демодулятор8 - demodulator

9 - блок преобразования электрического сигнала9 - block conversion of the electrical signal

10 - электростатический датчик силы или момента10 - electrostatic force or torque sensor

На фиг.2 приведен вид тестового воздействия на ПМ и воздействия, обусловленного кориолисовым ускорениемFigure 2 shows a view of the test effect on the PM and the impact due to Coriolis acceleration

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

11 - тестовое воздействие на ПМ11 - test impact on PM

12 - воздействие на ПМ, обусловленное кориолисовым ускорением при повороте ММГ с угловой скоростью П12 - impact on PM due to Coriolis acceleration when turning MMG with angular velocity P

13 - изменение амплитуды тестового воздействия на ПМ13 - change in the amplitude of the test effect on the PM

14 - изменение Ω14 - change Ω

На фиг.3 приведен вариант известной электродной структуры (патент РФ №2320962), с помощью которой может быть сформировано предложенное тестовое воздействие на ПМ.Figure 3 shows a variant of the known electrode structure (RF patent No. 2320962), with which the proposed test effect on the PM can be formed.

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

15 - ПМ15 - PM

16 - электрод, расположенный над ПМ16 - electrode located above the PM

17, 17а - электроды, расположенные над зубцовой зоной ПМ слева от оси Y17, 17a - electrodes located above the tooth zone PM to the left of the Y axis

18, 18а - зубцовые зоны ПМ под электродами 17, 17а соответственно18, 18a - tooth zones PM under the electrodes 17, 17a, respectively

19 - зубцовая зона ПМ19 - tooth zone PM

20, 20а - электроды, расположенные над зубцовой зоной ПМ справа от оси Y20, 20a - electrodes located above the tooth zone PM to the right of the Y axis

21 - источник переменного напряжения21 - source of alternating voltage

22 - источник постоянного напряжения22 - constant voltage source

23 - опора23 - support

На фиг.4 приведена блок-схема варианта ММГ, в котором используется предложенный способ формирования тестового воздействия на ПМ для формирования каналов подстройки резонансной частоты и подавления квадратурной помехи.Figure 4 shows a block diagram of a variant of the MMG, which uses the proposed method of forming a test effect on the PM to form channels for adjusting the resonant frequency and suppressing quadrature interference.

На фиг.4 приняты следующие обозначения: опора ПМ 15 обозначена так же, как и на фиг.3, т.е.позиция 23,In Fig. 4, the following designations are adopted: the support of PM 15 is designated in the same way as in Fig. 3, i.e., position 23,

24, 25 - статоры емкостного датчика положения ПМ по оси первичных колебаний24, 25 - stators of a capacitive PM position sensor along the axis of primary vibrations

24а, 25а - статоры емкостного датчика положения ПМ по оси первичных колебаний, расположенные симметрично статорам 24, 25 относительно оси Y24a, 25a - stators of a capacitive PM position sensor along the axis of primary oscillations, located symmetrically to the stators 24, 25 relative to the Y axis

26, 27 - статоры емкостного датчика момента, создающего момент вокруг оси первичных колебаний26, 27 - stators of a capacitive moment sensor, creating a moment around the axis of primary oscillations

26а, 27а - статоры емкостного датчика момента, создающего момент вокруг оси первичных колебаний, расположенные симметрично статорам 26, 27 относительно оси Y26a, 27a - stators of a capacitive moment sensor generating a moment around the axis of primary oscillations, located symmetrically to the stators 26, 27 relative to the Y axis

28, 29 - пара силовых электродов, расположенных по оси вторичных колебаний28, 29 - a pair of power electrodes located along the axis of the secondary vibrations

30, 31 - пара электродов емкостного датчика положения ПМ по оси вторичных колебаний30, 31 - a pair of electrodes of a capacitive PM position sensor along the axis of secondary vibrations

32 - первое устройство сдвига фазы электрического сигнала на 90°32 - the first device phase shift of the electrical signal by 90 °

33 - первый источник переменного напряжения33 is the first AC voltage source

34, 35 - первый и второй дифференциальные усилители34, 35 - the first and second differential amplifiers

36-38, 41, 47 соответственно первый, второй, третий, четвертый и пятый демодуляторы36-38, 41, 47, respectively, the first, second, third, fourth and fifth demodulators

39 - второе устройство сдвига фазы электрического сигнала на 90°39 - the second device phase shift of the electrical signal by 90 °

40 - устройство сдвига фазы электрического сигнала40 - device phase shift of the electrical signal

42, 48 - первый и второй интеграторы42, 48 - first and second integrators

43 - второй источник переменного напряжения43 - the second source of alternating voltage

44, 49 - первое и второе устройства суммирования44, 49 - the first and second summation devices

45 - модулятор45 - modulator

46 - дифференцирующее устройство46 - differentiating device

50, 51 - первый и второй усилители50, 51 - the first and second amplifiers

На фиг.5 приведен вид электродной структуры ММГ LL-типа для реализации предлагаемого способа формирования тестового воздействия.Figure 5 shows a view of the electrode structure of MM-LL-type for implementing the proposed method of forming a test effect.

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

52 - ПМ52 - PM

53 - электрод, расположенный под ПМ 5253 - electrode located under the PM 52

54 - зубцы, расположенные на боковых поверхностях ПМ 5254 - teeth located on the lateral surfaces of the PM 52

55 - статор гребенчатого емкостного датчика55 - stator comb capacitive sensor

56 - зубцы статора56 - stator teeth

57 - опоры57 - supports

58 - торсионы58 - torsion bars

59 - группа электродов, расположенных под боковой поверхностью ПМ59 - a group of electrodes located under the lateral surface of the PM

60 - группа электродов, расположенных под боковой поверхностью ПМ между зубцами 5460 - a group of electrodes located under the lateral surface of the PM between the teeth 54

На фиг.6 приведена блок-схема варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки резонансной частоты.Figure 6 shows a block diagram of a variant of the MMG, in which the proposed method for determining the phase shift of the signal in the channel of the secondary oscillations relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the channel of the primary oscillations in the MMG and adjusting the resonant frequency is used.

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

элементы 15-17а, 20-22 обозначены, как на фиг.3, и элементы 15-17а, 20, 20а представлены в виде их электрических эквивалентов, элементы 32, 33 - как на фиг.4elements 15-17a, 20-22 are indicated as in FIG. 3, and elements 15-17a, 20, 20a are presented in the form of their electrical equivalents, elements 32, 33 are shown in FIG. 4

61, 62 - первый и второй дифференциальные усилители61, 62 - the first and second differential amplifiers

63-66 - соответственно первый, второй, третий и четвертый демодуляторы63-66 - respectively, the first, second, third and fourth demodulators

67 - интегратор67 - integrator

На фиг.7 приведена блок-схема варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки этого сдвига фазы.Figure 7 shows a block diagram of an MMG variant in which the proposed method for determining a phase shift of a signal in a secondary oscillation channel with respect to a signal of a moving mass displacement sensor in a primary oscillation channel in an MMG and adjusting this phase shift is used.

На фиг.7 приняты следующие обозначения:In Fig.7, the following notation:

68 - управляемое устройство сдвига фазы электрического сигнала 68 - controlled phase shift device of the electrical signal

Остальные элементы на фиг.7 обозначены так же, как и на фиг.6.The remaining elements in FIG. 7 are denoted in the same manner as in FIG. 6.

На фиг.8 приведена часть блок-схемы варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки этого сдвига фазы. Сформированный таким образом сигнал используется в ММГ для формирования обратной связи по силе (моменту).On Fig shows a part of a block diagram of a variant MMG, which uses the proposed method for determining the phase shift of the signal in the channel of the secondary oscillations relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the channel of the primary oscillations in the MMG and adjusting this phase shift. The signal thus formed is used in the MMG to form feedback on the force (moment).

На фиг.8 приняты следующие обозначения:In Fig.8, the following notation:

69, 70 - соответственно первый и второй демодуляторы69, 70 - respectively, the first and second demodulators

71, 72 - соответственно первый и второй модуляторы71, 72 - respectively, the first and second modulators

73, 74 - соответственно первое и второе усилительные звенья73, 74 - respectively, the first and second amplifying links

75, 76 - соответственно первую и вторую фазосдвигающие цепи75, 76 - respectively, the first and second phase-shifting circuit

77 - суммирующее устройство77 - totalizer

78 - управляемая фазосдвигающая цепь78 - controlled phase-shifting circuit

79 - третий демодулятор79 - third demodulator

80 - интегратор80 - integrator

На фиг.9 приведен вариант блок-схемы ММГ, в котором используется предложенный способ подстройки резонансной частоты и изменения крутизны микромеханической части ММГ в зависимости от величины измеряемой скорости.Figure 9 shows a variant of the MMG flowchart, which uses the proposed method for adjusting the resonant frequency and changing the steepness of the micromechanical part of the MMG depending on the magnitude of the measured speed.

На фиг.9 приняты следующие обозначения:In Fig.9, the following notation:

элементы 15-20а, 32, 33, обозначены, как на фиг.6, а элементы 24, 25 - как на фиг.4, и представлены в виде их электрических эквивалентовelements 15-20a, 32, 33 are indicated as in FIG. 6, and elements 24, 25 as in FIG. 4, and are presented in the form of their electrical equivalents

81-86 - операционные усилители (ОУ)81-86 - operational amplifiers (op amps)

87-92 - резисторы87-92 - resistors

93-96 - демодуляторы93-96 - demodulators

97, 98 - интеграторы97, 98 - integrators

99 - фазосдвигающая цепь99 - phase shifting circuit

100 - источник переменного напряжения100 - AC voltage source

101 - дифференцирующее звено101 - differentiating link

102 - инвертирующее звено102 - inverting link

103, 104 - источники постоянного напряжения103, 104 - DC voltage sources

105, 105а - дифференциальные усилители105, 105a - differential amplifiers

106-113 - резисторы106-113 - resistors

114 - фильтр низкой частоты (ФНЧ)114 - low-pass filter (low-pass filter)

115 - элемент с изменяемым коэффициентом передачи115 - element with variable gear ratio

На фиг.10 приведен пример выполнения элемента с изменяемым коэффициентом передачи 115Figure 10 shows an example of the implementation of the element with a variable gain 115

На фиг.10 приняты следующие обозначения:Figure 10 adopted the following notation:

элемент 101 обозначен, как на фиг.10 element 101 is indicated as in FIG. 10

116, 117 - умножители 116, 117 - multipliers

118 - резистор 118 - resistor

119 - конденсатор119 - capacitor

На фиг.11 приведен пример выполнения ММГ, в котором производится непрерывное тестирование исправной работы и ее индикация.Figure 11 shows an example of the MMG, in which continuous testing of faulty operation and its indication is performed.

На фиг.11 приняты следующие обозначения:In Fig.11, the following notation:

элементы 93-105 обозначены, как на фиг.9elements 93-105 are indicated as in FIG. 9

120 - индикатор120 - indicator

Предлагаемый способ заключается в следующем.The proposed method is as follows.

На фиг.1 элементы связаны следующим образом. Канал первичных колебаний 1 имеет выходы γ и dγ/dt, которые соответствуют перемещениям ПМ, которая на фиг.3 обозначена как ПМ 15, по оси первичных колебаний и скорости этих перемещений. Эти величины поступают на входы звеньев 3, 4 с коэффициентами К1 и К2 соответственно. Третий выход блока 1 соответствует выходу емкостного датчика перемещений ПМ, он представляет собой электрический сигнал, пропорциональный величине γ, который используется как опорный сигнал демодулятора 8. Выходной сигнал блока 3 в блоке 5 перемножается с угловой скоростью Ω, вокруг оси чувствительности ММГ. Выходные сигналы блоков 5 и 4 представляют собой величины сил или моментов (в зависимости от типа ММГ LL- или RR-), соответственно обусловленных кориолисовым ускорением и квадратурной помехой. Эти моменты суммируются элементом 6, выход которого соединен с входом микромеханической части канала вторичных колебаний ММГ 2, которая представлена в виде резонансного звена второго порядка. Выход этого звена α через датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний 7 соединен со входами демодулятора 8 и регулятора 9. Последний через электростатический датчик силы (или момента) 10 соединен со входом сумматора 6 сил (моментов), действующих на ПМ. На вход элемента 10 поступает напряжение Uт для создания тестового воздействия на ПМ по оси вторичных колебаний.In figure 1, the elements are connected as follows. The primary oscillation channel 1 has outputs γ and dγ / dt, which correspond to the movements of the PM, which in Fig. 3 is designated as PM 15, along the axis of the primary vibrations and the speed of these movements. These values are supplied to the inputs of links 3, 4 with coefficients K1 and K2, respectively. The third output of block 1 corresponds to the output of the capacitive displacement transducer PM, it is an electric signal proportional to γ, which is used as the reference signal of the demodulator 8. The output signal of block 3 in block 5 is multiplied with an angular velocity Ω, around the sensitivity axis MMG. The output signals of blocks 5 and 4 are the values of forces or moments (depending on the type of MMG LL- or RR-), respectively, due to Coriolis acceleration and quadrature interference. These moments are summed up by element 6, the output of which is connected to the input of the micromechanical part of the secondary oscillation channel MMG 2, which is presented as a second-order resonant link. The output of this link α through the PM displacement sensor along the axis of secondary vibrations 7 is connected to the inputs of the demodulator 8 and controller 9. The latter is connected via the electrostatic force (or torque) sensor 10 to the input of the adder 6 of the forces (moments) acting on the PM. At the input of element 10, the voltage Ut is applied to create a test effect on the PM along the axis of secondary vibrations.

Канал вторичных колебаний ММГ работает следующим образом.The channel of secondary vibrations MMG works as follows.

Сила F, действующая на ПМ 15, содержит четыре составляющих:Force F, acting on PM 15, contains four components:

Figure 00000005
Figure 00000005

где К3, К4 - коэффициенты пропорциональности.where K3, K4 are the proportionality coefficients.

При этом

Figure 00000006
Wherein
Figure 00000006

где γ0 - амплитуда первичных колебаний.where γ0 is the amplitude of the primary oscillations.

Отметим, что с помощью сигнала Uoc можно обеспечить снижение добротности в канале вторичных колебаний, подавить квадратурную помеху (см. пат. США №6553833). Тестовый сигнал Uт может быть подан не непосредственно на датчик момента, а на вход блока 10.Note that with the help of the Uoc signal, it is possible to ensure a decrease in the Q factor in the channel of secondary oscillations, to suppress quadrature interference (see US Pat. No. 6553833). The test signal Ut can not be applied directly to the torque sensor, but to the input of block 10.

Как уже отмечалось выше в прототипе данного изобретения для определения разности резонансных частот подвесов, которые на резонансной кривой блока 2 обозначены Δf, формируют два тестовых воздействия, равноотстоящие по частоте от ω1.As noted above in the prototype of the present invention, to determine the difference in the resonant frequencies of the suspensions, which are indicated on the resonance curve of block 2 by Δf, form two test actions that are equally spaced in frequency from ω1.

В отличие от прототипа и аналогов в соответствии с предложенным способом напряжение U(t) на одном или нескольких электродах изменяют так, что гармоническая составляющая A(t) на частоте ω1 величиныUnlike the prototype and analogues, in accordance with the proposed method, the voltage U (t) at one or more electrodes is changed so that the harmonic component A (t) at a frequency ω 1 of magnitude

Figure 00000007
(т.е. производная накопленной энергии в конденсаторах, образованных проводящей ПМ и электродами, расположенными на оси вторичных колебаний, по перемещению α ) изменяется в соответствии с выражением:
Figure 00000007
(i.e., the derivative of the stored energy in capacitors formed by a conducting PM and electrodes located on the axis of the secondary oscillations with respect to the displacement α) changes in accordance with the expression:

А(t)≡B(t)sin(ω1t), где амплитуда B(t)≠0.A (t) ≡ B (t) sin (ω 1 t), where the amplitude B (t) ≠ 0.

На фиг.2 показано, что тестовое воздействие 11 имеет вид гармоники, которая модулирована по амплитуде (на фиг.2 модуляционной функцией является гармонический сигнал 13). Эта гармоника сдвинута на 90° по отношению к воздействию, обусловленному кориолисовым ускорением 12, т.е. она синфазна квадратурной помехе. Однако в отличие от квадратурной помехи, которая имеет постоянную или медленно меняющуюся (вследствие изменения окружающей среды или старения ММГ) амплитуду, изменение амплитуды тестового воздействия может быть сделано достаточно высокочастотным (необходимая частота изменения определяется быстродействием контуров подстройки) и сложной формы. Например, эта амплитуда может изменяться случайным образом, для чего можно использовать известные схемы и программы генераторов случайных величин или чисел.Figure 2 shows that the test effect 11 has the form of a harmonic, which is modulated in amplitude (in figure 2, the modulation function is the harmonic signal 13). This harmonic is shifted 90 ° with respect to the effect due to Coriolis acceleration 12, i.e. it is in phase with quadrature interference. However, unlike quadrature interference, which has a constant or slowly changing (due to environmental change or MMG aging) amplitude, the change in the amplitude of the test effect can be made quite high-frequency (the necessary frequency of change is determined by the speed of the tuning loops) and of complex shape. For example, this amplitude can be changed randomly, for which you can use well-known schemes and programs of generators of random variables or numbers.

Пример формирования предложенного тестового воздействия приведен на фиг.3.An example of the formation of the proposed test effects is shown in figure 3.

Здесь ПМ 15, состоящая из секторов диска, под электродами 16, 17 и 20. Симметрично этим электродам расположены другие три электрода (16а, 17а и 20а). Боковые поверхности секторов диска имеют зубцы 18, 19, которые с зубцами статоров (на фиг.3 не показаны) образуют гребенчатые датчики перемещения по первичной оси и датчики момента. Зубцы 18, 18а расположены под электродами 17, 17а. Диск подвешен с помощью торсионов на опоре 23, на которую может подаваться постоянное и/или переменное напряжение. Торсионы, опора 23 и ПМ 15 выполнены из легированного кремния и поэтому могут считаться проводниками. Источники переменного и постоянного напряжения 21 и 22 соответственно соединены последовательно и подключены к электроду 17 (или к двум электродам, расположенными над зубцовыми зонами ПМ с одной стороны от оси Y, например, 17 и 17а). Более подробно эта электродная структура описана в пат. РФ №2320962, где показано, что первичные колебания ПМ 15 вызывают изменение площади перекрытия между электродами 17, 17а, 20, 20а и ПМ 15, что в свою очередь при различии напряжений на этих парах электродов (17, 17а и 20, 20а) приводит к возникновению момента, синфазного (или противофазного) с квадратурной помехой.Here, PM 15, consisting of disk sectors, under the electrodes 16, 17 and 20. Symmetrically to these electrodes are the other three electrodes (16a, 17a and 20a). The lateral surfaces of the disk sectors have teeth 18, 19, which, with the teeth of the stators (not shown in FIG. 3), form comb sensors of movement along the primary axis and torque sensors. The teeth 18, 18a are located under the electrodes 17, 17a. The disk is suspended using torsion bars on a support 23, to which a constant and / or alternating voltage can be supplied. Torsion bars, support 23 and PM 15 are made of doped silicon and therefore can be considered conductors. Sources of AC and DC voltage 21 and 22, respectively, are connected in series and connected to the electrode 17 (or to two electrodes located above the tooth zones PM on one side of the Y axis, for example, 17 and 17a). This electrode structure is described in more detail in US Pat. RF №2320962, where it is shown that the primary vibrations of the PM 15 cause a change in the overlap area between the electrodes 17, 17a, 20, 20a and PM 15, which in turn, when the voltage across these pairs of electrodes (17, 17a and 20, 20a) is different to the occurrence of a moment in phase (or out of phase) with quadrature interference.

В случае если на ПМ для возбуждения датчиков перемещения поступает напряжение U23, а напряжения источников 21, 22 соответственно равны U21, U22, при этомIf the PM receives voltage U 23 to excite the displacement sensors, and the voltage of the sources 21, 22 are respectively equal to U 21 , U 22 , while

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

то, с учетом изменения площади перекрытия между электродами над зубцовыми зонами ПМ 15 при изменении положения ПМ по оси первичных колебаний в соответствии с выражением (2), получим, что формируемый этими напряжениями момент М вокруг оси Х на частоте ω1 пропорционаленthen, taking into account the change in the overlap area between the electrodes above the tooth zones of PM 15 with a change in the position of the PM along the axis of primary vibrations in accordance with expression (2), we obtain that the moment M formed around these axes around the X axis at a frequency of ω 1 is proportional

Figure 00000011
Figure 00000011

После подстановки выражений (4), (5) в выражение (6) получим, чтоAfter substituting expressions (4), (5) into expression (6) we get that

Figure 00000012
Figure 00000012

Полагая величины A23, A21 постоянными, получим, что за счет изменения постоянной составляющей А22 можно в ММГ сформировать момент, компенсирующий квадратурную помеху, и при этом сформировать синфазный с квадратурной помехой момент, амплитуда которого изменяется с частотами ω21 и 2ω21. Реакцию звена 2 на по крайней мере одну из этих составляющих можно использовать для диагностики микромеханической части ММГ.Assuming that the values of A 23 , A 21 are constant, we find that by changing the constant component A 22 it is possible to generate a moment in the MMG that compensates for the quadrature noise, and at the same time create a phase in-phase with the quadrature noise, the amplitude of which varies with frequencies ω 21 and 2ω 21 . The reaction of unit 2 to at least one of these components can be used to diagnose the micromechanical part of MMG.

Электроды ММГ RR-типа на фиг.4 включают в себя статоры 24, 25 емкостного датчика положения ПМ по оси первичных колебаний, которые на боковых поверхностях имеют зубцы и вместе с зубцами ПМ образуют гребенчатую электродную структуру, пару силовых электродов 28, 29 и пару электродов 30, 31 емкостного датчика положения ПМ, расположенных по оси вторичных колебаний. Более подробно эта конструкция ММГ описана в работе (Пешехонов В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. - Гироскопия и навигация. - 2005. - №3. - С.44-51).The RR-type MMG electrodes in Fig. 4 include stators 24, 25 of a capacitive PM position sensor along the axis of primary vibrations, which have teeth on the side surfaces and together with the PM teeth form a comb electrode structure, a pair of power electrodes 28, 29 and a pair of electrodes 30, 31 of the capacitive PM position sensor located along the axis of the secondary vibrations. This MMG design is described in more detail in the work (Peshekhonov V.G. et al. Results of the development of a micromechanical gyroscope. - Gyroscopy and navigation. - 2005. - No. 3. - P.44-51).

К опоре 23 подключены последовательно включенные первое устройство сдвига фазы 32 электрического сигнала на 90° и первый источник переменного напряжения 33.To the support 23 are connected in series with the first device for phase shift 32 of the electrical signal by 90 ° and the first AC voltage source 33.

К статорам 24, 25 подключены входы первого (34), а к электродам 30, 31 - второго (35) дифференциальных усилителей, которые могут быть выполнены как трансрезистивные усилители.The inputs of the first (34) are connected to the stators 24, 25, and the second (35) differential amplifiers, which can be made as transresistive amplifiers, are connected to the electrodes 30, 31.

Входы для опорного сигнала демодуляторов 36, 37 соединены с первым источником переменного напряжения 33, а сигнальные входы этих демодуляторов подключены соответственно к выходам усилителей 34, 35.The inputs for the reference signal of the demodulators 36, 37 are connected to the first AC voltage source 33, and the signal inputs of these demodulators are connected respectively to the outputs of the amplifiers 34, 35.

Входы третьего демодулятора 38 соединены с выходами демодуляторов 36, 37.The inputs of the third demodulator 38 are connected to the outputs of the demodulators 36, 37.

Входы четвертого демодулятора 41 соединены с выходом демодулятора 36 и через второе устройство сдвига фазы электрического сигнала на 90° (39) - с выходом демодулятора 37.The inputs of the fourth demodulator 41 are connected to the output of the demodulator 36 and through the second device phase shift of the electrical signal by 90 ° (39) with the output of the demodulator 37.

Входы пятого демодулятора 47 соединены со вторым источником переменного напряжения 43 и выходом третьего демодулятора 38.The inputs of the fifth demodulator 47 are connected to the second AC voltage source 43 and the output of the third demodulator 38.

Выход четвертого демодулятора 41 через интегратор 42 и первое устройство суммирования 44 соединен с одним входом модулятора 45. При этом другой вход устройства суммирования 44 соединен со вторым источником переменного напряжения 43. Другой вход модулятора 45 через устройство сдвига фазы электрического сигнала 40 соединен с выходом демодулятора 36.The output of the fourth demodulator 41 through the integrator 42 and the first summing device 44 is connected to one input of the modulator 45. In this case, the other input of the summing device 44 is connected to the second AC voltage source 43. The other input of the modulator 45 is connected to the output of the demodulator 36 through the phase shifter 40 .

Выход пятого демодулятора 47 через второй интегратор 48 соединен с одноименными входами первого и второго усилителей 50, 51. К разнополярным входам этих усилителей подключены через второе устройство суммирования 49 выходы модулятора и дифференцирующего устройства 46, вход которого соединен с выходом демодулятора 37.The output of the fifth demodulator 47 through the second integrator 48 is connected to the inputs of the first and second amplifiers 50, 51 of the same name. The outputs of the modulator and differentiating device 46, the input of which is connected to the output of the demodulator 37, are connected to the bipolar inputs of these amplifiers 49.

Формирование тестового воздействия производится следующим образом.The formation of the test effect is as follows.

Перемещения ПМ по оси первичных колебаний γ имеют гармонический характер и описываются выражением (2). С помощью емкостного датчика, в который входят статоры 24, 25 преобразователя емкость -напряжение, на элементах 34, 36 эти колебания преобразуются в электрический сигналThe displacements of the PM along the axis of primary oscillations γ have a harmonic character and are described by expression (2). Using a capacitive sensor, which includes the stators 24, 25 of the capacitor-voltage converter, these elements are converted into an electric signal on elements 34, 36

Figure 00000013
Figure 00000013

который из-за задержки в фильтре низших частот демодулятора 36 может отставать на угол Δφ по отношению к колебаниям γ(t). С помощью элемента 40 это отставание может быть скомпенсировано, и в этом случае на вход модулятора 45 будет поступать сигнал, синфазный γ(t). На другой вход модулятора 45 поступает выходной сигнал элемента 44, который может содержать постоянную составляющую (А42) с выхода интегратора 42 и сигнал

Figure 00000014
which, due to a delay in the low-pass filter of the demodulator 36, may lag by an angle Δφ with respect to the oscillations γ (t). By means of element 40, this lag can be compensated, and in this case, a signal in phase γ (t) will be input to the modulator 45. At the other input of the modulator 45 receives the output signal of the element 44, which may contain a constant component (A 42 ) from the output of the integrator 42 and the signal
Figure 00000014

С учетом того, что с выхода интегратора 48 поступает постоянное напряжение U48 нa входы усилителей 50, 51, которые имеют один знак, а на разноименные входы этих усилителей поступает сигнал с выхода элемента 45, то ω4321 после преобразований, описанных выше при получении выражения для момента М, можно прийти к выражению, в котором содержится составляющая sin(ω21t)sin(ω1t), как и в выражении (9).Considering the fact that the output of the integrator 48 receives a constant voltage U 48 to the inputs of the amplifiers 50, 51, which have the same sign, and the opposite input of these amplifiers receives a signal from the output of the element 45, then ω 43 = ω 21 after the transformations described above upon receipt of the expression for moment M, one can arrive at an expression that contains the component sin (ω 21 t) sin (ω 1 t), as in expression (9).

Таким образом, и в ММГ с электродной структурой с неизменяющейся площадью перекрытия между ПМ и электродами по оси вторичных колебаний может быть сформировано желаемое тестовое воздействие на ПМ.Thus, in MMG with an electrode structure with a constant overlap area between the PM and the electrodes along the axis of the secondary vibrations, the desired test effect on the PM can be formed.

На фиг.5 показана конструкция ММГ LL-типа. Здесь ПМ 52 подвешена с помощью торсионов 58, которые прикреплены к опорам 57, находящимся на основании. На основании под ПМ 52 находится электрод 53, который с ПМ 52 образует емкостной датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний. На основании находится и статор 55 с зубцами 56. Боковые поверхности ПМ 52 также имеют зубцы 54, которые с зубцами 56 образуют гребенчатую электродную структуру, используемую в ММГ для формирования емкостных датчиков перемещения и момента. На фиг.5 показаны возможные размещения вспомогательных электродов, предназначенных для формирования предлагаемого тестового воздействия. Помимо описанного выше расположения электродов над или под зубцами ПМ эти электроды могут быть расположены вне зубцовой зоны, как это показано для группы электродов 59, находящихся на периферии боковой поверхности, или между зубцов, как это показано для группы электродов 60.Figure 5 shows the construction of MM-LL-type. Here, the PM 52 is suspended using torsions 58, which are attached to the supports 57 located on the base. On the base under the PM 52 is an electrode 53, which with the PM 52 forms a capacitive PM displacement sensor along the axis of the secondary vibrations. On the base there is also a stator 55 with teeth 56. The lateral surfaces of the PM 52 also have teeth 54, which with teeth 56 form a comb electrode structure used in the MMG to form capacitive displacement and moment sensors. Figure 5 shows the possible placement of auxiliary electrodes intended for the formation of the proposed test effects. In addition to the above-described arrangement of electrodes above or below the PM teeth, these electrodes can be located outside the tooth zone, as shown for the group of electrodes 59 located on the periphery of the side surface, or between the teeth, as shown for the group of electrodes 60.

Принцип формирования тестового воздействия при этом аналогичен описанному применительно к электродам над зубцовой зоной. И в том и другом случае при движении ПМ происходит изменение площади перекрытия между ПМ и соответствующими электродами, на которых формируют изменяющееся во времени напряжение. В результате формируется сила или момент, действующие на ПМ в той же фазе, что и момент, вызывающий квадратурную помеху, с изменяющейся по известному закону во времени амплитудой. Основное отличие между электродной структурой на фиг.5 и на фиг.З в величине тестового воздействия, которое пропорционально площади перекрытия. Величина площади перекрытия имеет важное значение для подавления квадратурной помехи, однако тестовое воздействие, необходимое для нормальной работы систем подстройки и диагностики, может быть на несколько порядков ниже величины квадратурной помехи, которую необходимо подавить в ММГ.The principle of the formation of the test effect is similar to that described with respect to the electrodes above the tooth zone. In both cases, when the PM moves, the overlap area changes between the PM and the corresponding electrodes, on which a time-varying voltage is formed. As a result, a force or moment is formed, acting on the PM in the same phase as the moment causing the quadrature noise, with the amplitude changing according to the well-known law in time. The main difference between the electrode structure in FIG. 5 and FIG. 3 is the magnitude of the test effect, which is proportional to the overlap area. The size of the overlap area is important for suppressing quadrature interference, however, the test effect necessary for the normal operation of the tuning and diagnostic systems can be several orders of magnitude lower than the value of the quadrature interference, which must be suppressed in the MMG.

На фиг.6 элементы соединены следующим образом.6, the elements are connected as follows.

Входы дифференциального усилителя 61 подключены к статорам 24, 25 емкостного датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Входы дифференциального усилителя 62 подключены к электродам 20, 20а.The inputs of the differential amplifier 61 are connected to the stators 24, 25 of the capacitive PM displacement sensor along the axis of the primary oscillations. The inputs of the differential amplifier 62 are connected to the electrodes 20, 20a.

Входы для опорного сигнала демодуляторов 63, 64 соединены с первым источником переменного напряжения 33, а сигнальные входы этих демодуляторов подключены соответственно к выходам усилителей 61, 62.The inputs for the reference signal of the demodulators 63, 64 are connected to the first AC voltage source 33, and the signal inputs of these demodulators are connected respectively to the outputs of the amplifiers 61, 62.

Выходы демодуляторов 63, 64 соединены с входами демодулятора 65. Входы демодулятора 66 соединены с выходом демодулятора 65 и источником 21. Выход демодулятора 66 через интегратор 67 соединен с электродом 16.The outputs of the demodulators 63, 64 are connected to the inputs of the demodulator 65. The inputs of the demodulator 66 are connected to the output of the demodulator 65 and the source 21. The output of the demodulator 66 through the integrator 67 is connected to the electrode 16.

Формирование тестового воздействия в ММГ с такой электродной структурой описано выше.The formation of the test effect in MMG with such an electrode structure is described above.

Наряду с моментом, обусловленным действием ускорения Кориолиса, на ПМ действует сформированное тестовое воздействие.Along with the moment due to the action of Coriolis acceleration, the formed test effect acts on the PM.

Принимая во внимание только член с составляющей sin(ω21t), получим, что суммарный момент МΣ Taking into account only the term with the component sin (ω 21 t), we obtain that the total moment M Σ

Figure 00000015
Figure 00000015

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

Под действием этого момента перемещения ПМ по оси вторичных колебаний могут быть описаны выражениемUnder the action of this moment, the movement of the PM along the axis of the secondary oscillations can be described by the expression

Figure 00000016
Figure 00000016

где Δω=ω21, a k(Δω) и ψ(Δω) - соответственно масштабный коэффициент и вносимый резонансным подвесом фазовый сдвиг, которые зависят от расстройки резонансных контуров или разности их резонансных частот ω1, ω2.where Δω = ω 21 , ak (Δω) and ψ (Δω) are the scale factor and the phase shift introduced by the resonant suspension, which depend on the detuning of the resonant circuits or the difference in their resonant frequencies ω 1 , ω 2 .

Высокочастотное напряжение источника 33 вызывает протекание токов через электроды емкостных датчиков, которые зависят от величин емкостей между этими электродами и ПМ. Эти токи усиливаются усилителями 61, 62 и демодуляторами 63, 64 преобразуются в электрические сигналы, пропорциональные перемещениям ПМ (γ, α) по соответствующим осям.The high-frequency voltage of the source 33 causes currents to flow through the electrodes of the capacitive sensors, which depend on the capacitances between these electrodes and the PM. These currents are amplified by amplifiers 61, 62 and demodulators 63, 64 are converted into electrical signals proportional to the movements of the PM (γ, α) along the corresponding axes.

Низкочастотная составляющая произведения электрических сигналов, которые пропорциональны перемещениям γ, α, будет содержать члены, пропорциональные величинам Ω(t)sin(ψ(Δω)) и sin(ω21t)cos(ψ(Δω)). Эта составляющая выделяется демодулятором 65.The low-frequency component of the product of electrical signals, which are proportional to the displacements γ, α, will contain terms proportional to the quantities Ω (t) sin (ψ (Δω)) and sin (ω 21 t) cos (ψ (Δω)). This component is allocated by the demodulator 65.

При совмещении резонансных частот (Δω=0) угол ψ=90° и составляющая сигнала на частоте ω21, т.е. обусловленная тестовым воздействием, равна нулю, а составляющая, пропорциональная Ω(t), принимает максимальное значение.When combining resonant frequencies (Δω = 0), the angle ψ = 90 ° and the signal component at a frequency of ω 21 , i.e. due to the test action is equal to zero, and the component proportional to Ω (t) takes the maximum value.

Для подстройки резонансной частоты ω2 в демодуляторе 66 в качестве опорного сигнала используется напряжение источника 21.To adjust the resonant frequency ω 2 in the demodulator 66, the voltage of the source 21 is used as a reference signal.

Низкочастотная составляющая произведения сигнала, представляющего сумму сигналов (Ω(t)sin(ψ(Δω))+sin(ω21t)cos(ψ(Δω))), и опорного сигнала вида sin(ω21t) выделяется демодулятором 66. Эта составляющая пропорциональна cos(ψ(Δω). Поэтому если эту составляющую через интегратор подать на электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, то за счет известного изменения отрицательной жесткости резонансная частота ω2 будет изменяться, пока входной сигнал не окажется равным нулю, что имеет место при ψ=90°.The low-frequency component of the product of the signal representing the sum of the signals (Ω (t) sin (ψ (Δω)) + sin (ω 21 t) cos (ψ (Δω))), and a reference signal of the form sin (ω 21 t) is extracted by the demodulator 66. This component is proportional to cos (ψ (Δω). Therefore, if this component is fed through an integrator to electrodes located along the axis of secondary vibrations, then due to a known change in negative stiffness, the resonant frequency ω 2 will change until the input signal is equal to zero, which has place at ψ = 90 °.

Таким образом, предложенный способ формирования тестового воздействия и подстройки частоты обеспечивает требуемую настройку резонансной частоты подвеса ПМ. Можно отметить, что усилители 61, 62 могут быть выполнены по схеме трансрезистивного дифференциального усилителя, для формирования датчика перемещения ПМ 15 могут дополнительно использоваться электроды 24а, 25а, ПМ 15 электрически связана с опорой 23, поэтому общий электрод всех емкостных датчиков может быть обозначен как ПМ 15 и как опора 23.Thus, the proposed method of forming a test effect and adjusting the frequency provides the required tuning of the resonant frequency of the PM suspension. It can be noted that the amplifiers 61, 62 can be made according to the transresistive differential amplifier scheme, to form the PM 15 displacement sensor, the electrodes 24a, 25a, PM 15 can be additionally used electrically connected to the support 23, therefore, the common electrode of all capacitive sensors can be designated as PM 15 and as a support 23.

В ММГ на фиг.4 формирование тестового воздействия осуществляется с помощью элементов 43-45 и 49-51, как описано выше. Формируемый с помощью этих элементов момент создает те составляющие колебаний ПМ с частотой ω1, которые ортогональны колебаниям, вызываемым ускорением Кориолиса. Амплитуда этих колебаний изменяется с частотой ω43 источника напряжения 43. При совпадении частот ω1 и ω2 сигнал на выходе демодулятора 38 синфазен с колебаниями, вызываемыми ускорением Кориолиса, и ортогонален колебаниям, амплитуда которых изменяется с частотой ω43. Поэтому на выходе демодулятора 38 при совпадении частот ω1 и ω2 присутствует только сигнал, пропорциональный угловой скорости Ω.In MMG in figure 4, the formation of a test effect is carried out using elements 43-45 and 49-51, as described above. The moment formed using these elements creates those components of the PM oscillations with a frequency of ω 1 that are orthogonal to the oscillations caused by the Coriolis acceleration. The amplitude of these oscillations varies with the frequency ω 43 of the voltage source 43. When the frequencies ω 1 and ω 2 coincide, the signal at the output of the demodulator 38 is in phase with the oscillations caused by the Coriolis acceleration and is orthogonal to the oscillations whose amplitude varies with the frequency ω 43 . Therefore, at the output of the demodulator 38, when the frequencies ω 1 and ω 2 coincide, there is only a signal proportional to the angular velocity Ω.

Если в спектре сигнала на выходе демодулятора 38 отсутствуют составляющие с частотой ω43, то выходной сигнал демодулятора 47 оказывается равным 0.If in the spectrum of the signal at the output of the demodulator 38 there are no components with a frequency of ω 43 , then the output signal of the demodulator 47 is equal to 0.

В случае, когда

Figure 00000017
на выходе демодулятора 38 появляется постоянная составляющая, обусловленная квадратурной помехой, и составляющая на частоте ω43. Последняя демодулятором 47 преобразуется в постоянное напряжение, которое приводит к тому, что выходное напряжение интегратора становится нарастающим или уменьшающимся. Соответственно изменяются напряжения на электродах 28, 29, и это из-за изменения отрицательной жесткости приводит к изменению частоты ω2 до тех пор, пока она не станет равной ω1.In the case when
Figure 00000017
at the output of the demodulator 38, a constant component appears due to quadrature interference, and a component at a frequency of ω 43 . The latter by the demodulator 47 is converted to a constant voltage, which leads to the fact that the output voltage of the integrator becomes increasing or decreasing. Correspondingly, the voltages at the electrodes 28, 29 change, and this, due to a change in the negative stiffness, leads to a change in the frequency ω 2 until it becomes equal to ω 1 .

При настройке в резонанс (ω12) демодулятор 41 выделяет постоянное напряжение, пропорциональное квадратурной помехе, которое через интегратор 42 поступает к модулятору 45, формирующему напряжение на частоте с фазой, совпадающей с первичными колебаниями ПМ. Это напряжение, поступая в противофазе на электроды 30, 31 при наличии постоянного напряжения между ПМ и этими электродами создает момент, подавляющий квадратурную помеху.When tuned to resonance (ω 1 = ω 2 ), the demodulator 41 emits a constant voltage proportional to the quadrature noise, which is supplied through an integrator 42 to a modulator 45, which generates a voltage at a frequency with a phase that coincides with the primary PM oscillations. This voltage, acting in antiphase to the electrodes 30, 31 in the presence of a constant voltage between the PM and these electrodes, creates a moment that suppresses the quadrature noise.

За счет дифференцирования выходного сигнала демодулятора 37 элементом 46 и формирования из выходного сигнала элемента 46 противофазных напряжений на электродах 28, 29 в ММГ обеспечивается снижение добротности подвеса по оси вторичных колебаний. Здесь можно отметить, что при большой величине добротности подвеса в канале вторичных колебаний при настройке в резонанс коэффициент передачи элемента 46 (точнее, тракта из емкостного датчика по оси вторичных колебаний, демодуляторов 35, 37, усилителей 50, 51 и датчика момента на электродах 28, 29) определяет масштабный коэффициент ММГ.Due to the differentiation of the output signal of the demodulator 37 by the element 46 and the formation of the output signal of the element 46 of the out-of-phase voltages at the electrodes 28, 29 in the MMG, a decrease in the Q-factor of the suspension along the axis of the secondary vibrations is provided. It can be noted here that with a large value of the Q-factor of the suspension in the secondary oscillation channel when tuning into resonance, the transmission coefficient of element 46 (more precisely, the path from the capacitive sensor along the axis of the secondary oscillations, demodulators 35, 37, amplifiers 50, 51 and the torque sensor on the electrodes 28 29) determines the scale factor of MMG.

Таким образом, показано, что предложенные способы формирования тестового воздействия и подстройки частоты обеспечивают требуемую настройку резонансной частоты подвеса ПМ в ММГ с электродной структурой, в которой отсутствуют электроды по оси вторичных колебаний с изменяемой при колебаниях ПМ площадью перекрытия.Thus, it is shown that the proposed methods for generating a test action and adjusting the frequency provide the required tuning of the resonance frequency of the PM suspension in MMG with an electrode structure in which there are no electrodes along the axis of secondary vibrations with a change in the overlap area.

На фиг.7 в отличие от фиг.6 управляемое устройство сдвига фазы электрического сигнала 68 включено между выходом демодулятора 63 и входом демодулятора 65, а выход интегратора соединен со входом для управления элемента 68.In Fig. 7, in contrast to Fig. 6, a controlled phase shifter of the electric signal 68 is connected between the output of the demodulator 63 and the input of the demodulator 65, and the output of the integrator is connected to the input for controlling the element 68.

Предложенный способ определения сдвига фазы сигнала основан на анализе реакции ПМ на тестовое воздействие, которое создается с помощью источника напряжения 21 и электродов, с которыми он соединен. Создаваемые таким образом колебания ПМ по оси вторичных колебаний, как отмечалось выше, являются модулированными по амплитуде колебаниями на частоте ω1, которые совпадают по фазе с квадратурной помехой. Сигнал, пропорциональный амплитуде этих колебаний, может быть выделен с помощью последовательной демодуляции сигнала емкостного датчика по оси вторичных колебаний с помощью демодуляторов, опорными сигналами которых являются соответственно сигнал емкостного датчика положения ММГ по оси первичных колебаний и источник 21. Этот сигнал принимает нулевое значение только при сдвиге фазы между сигналами демодулятора, равным 90°. При отличии от 90° входной сигнал интегратора 67 будет изменяться и соответственно изменять сдвиг фазы, вносимый элементом 68, до тех пор, пока не будет достигнут этот сдвиг. Напряжение на входе элемента 68 (выходе интегратора 67) определяет величину фазового сдвига, необходимого для компенсации отличия сдвига фаз между сигналами емкостных датчиков от 90°.The proposed method for determining the phase shift of the signal is based on the analysis of the PM response to the test effect, which is created using the voltage source 21 and the electrodes with which it is connected. The PM vibrations thus created along the axis of the secondary vibrations, as noted above, are amplitude modulated oscillations at a frequency of ω 1 , which coincide in phase with the quadrature noise. A signal proportional to the amplitude of these oscillations can be extracted using sequential demodulation of the capacitive sensor signal along the secondary oscillation axis using demodulators, the reference signals of which are the MMG capacitive position sensor signal along the primary oscillation axis and source 21. This signal takes a zero value only when phase shift between signals of the demodulator equal to 90 °. At a difference from 90 °, the input signal of the integrator 67 will change and accordingly change the phase shift introduced by the element 68, until this shift is achieved. The voltage at the input of element 68 (output of the integrator 67) determines the amount of phase shift necessary to compensate for the difference in phase shift between the signals of capacitive sensors from 90 °.

Таким образом, по измеренной величине напряжения на выходе элемента 67 и известной функциональной зависимости между фазой и напряжением элемента 68 можно определить искомый сдвиг фаз.Thus, from the measured value of the voltage at the output of the element 67 and the known functional relationship between the phase and voltage of the element 68, the desired phase shift can be determined.

Отметим, что можно уменьшить диапазон выходных напряжений элемента 67, если последовательно с элементом 68 включить последовательно элемент с постоянным сдвигом фазы, желаемым для выбранного режима работы ММГ.Note that it is possible to reduce the output voltage range of element 67 if, in series with element 68, an element with a constant phase shift desired for the selected MMG operating mode is connected in series.

Например, при работе ММГ с расстройкой на уровне 3-5% от резонансной частоты этот постоянный сдвиг фазы близок к 90°. Достоинством ММГ, в котором реализован этот способ определения и стабилизации сдвига фазы между сигналами емкостных датчиков, будет полное подавление квадратурной помехи демодулятором 65.For example, when MMG operates with a detuning of 3-5% of the resonant frequency, this constant phase shift is close to 90 °. The advantage of MMG, which implements this method of determining and stabilizing the phase shift between the signals of capacitive sensors, will be the complete suppression of quadrature interference by the demodulator 65.

Отметим, что входы элемента 62 могут быть подключены к электродам 16, 16а без изменения работы контура подстройки фазы.Note that the inputs of the element 62 can be connected to the electrodes 16, 16a without changing the operation of the phase adjustment loop.

На фиг.8 приведена часть блок-схемы варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки этого сдвига фазы. Сформированный таким образом сигнал используется в ММГ для формирования обратной связи по силе (моменту).On Fig shows a part of a block diagram of a variant MMG, which uses the proposed method for determining the phase shift of the signal in the channel of the secondary oscillations relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the channel of the primary oscillations in the MMG and adjusting this phase shift. The signal thus formed is used in the MMG to form feedback on the force (moment).

На фиг.8 элементы соединены следующим образом.In Fig. 8, the elements are connected as follows.

Входы первого (элемент 69) и второго (элемент 70) демодуляторов объединены и соединены с выходом емкостного датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний. Выходы этих демодуляторов через первое и второе усилительные звенья (соответственно элементы 71, 72) соединены с входами первого и второго модуляторов (соответственно элементы 73, 74), выходы которых соединены со входами суммирующего устройства 77. Входы для опорного сигнала одноименных демодуляторов и модуляторов соединены с выходами одноименных фазосдвигающих цепей (соответственно первой 75 и второй 76). Входы этих фазосдвигающих цепей через управляемую фазосдвигающую цепь 78 соединены с выходом емкостного датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Вход управления фазосдвигающей цепи 78 соединен через интегратор 80 и третий демодулятор 79 с источником напряжения B(t) и выходом второго демодулятора 70.The inputs of the first (element 69) and second (element 70) demodulators are combined and connected to the output of the capacitive PM displacement sensor along the axis of the secondary vibrations. The outputs of these demodulators through the first and second amplifying links (elements 71, 72, respectively) are connected to the inputs of the first and second modulators (elements 73, 74, respectively), the outputs of which are connected to the inputs of the adder 77. The inputs for the reference signal of the same demodulators and modulators are connected to outputs of the same phase-shifting circuits (respectively, the first 75 and second 76). The inputs of these phase-shifting circuits through a controlled phase-shifting circuit 78 are connected to the output of the capacitive PM displacement sensor along the axis of the primary vibrations. The control input of the phase-shifting circuit 78 is connected through an integrator 80 and a third demodulator 79 to a voltage source B (t) and the output of the second demodulator 70.

Приведенная на фиг.8 блок-схема может быть использована в ММГ на фиг.6 при замене ею элементов 65-67. В этом случае ММГ оказывается компенсационного типа. В нем производится компенсация квадратурной помехи и моментов, обусловленных ускорением Кориолиса соответственно каналами с демодуляторами 69 и 70 при условии, что фазосдвигающая цепь дает сдвиг 90°, цепь 76 - 0°. Подстройка сдвига фазы в устройстве на фиг.8 происходит аналогично тому. как это происходит в устройстве на фиг.7.The block diagram shown in Fig. 8 can be used in MMG in Fig. 6 when it replaces elements 65-67. In this case, MMG is of the compensation type. It compensates for quadrature interference and moments due to Coriolis acceleration by channels with demodulators 69 and 70, respectively, provided that the phase-shifting circuit gives a shift of 90 °, the circuit 76 - 0 °. The adjustment of the phase shift in the device of Fig. 8 occurs in a similar way. as it happens in the device of Fig.7.

На фиг.9 элементы соединены следующим образом.In Fig.9, the elements are connected as follows.

Для удобства представления электрических связей общий электрод всех емкостных датчиков перемещения и момента (ПМ 15) показан разделенным.For the convenience of presenting electrical connections, the common electrode of all capacitive displacement and moment sensors (PM 15) is shown divided.

Резисторы 87-92 включены между выходом и инвертирующим входом соответственно ОУ 81-86. Вход ОУ 81 соединен с электродом 16, вход ОУ 82 - с диаметрально расположенным электродом. Выходы ОУ 81, 82 через дифференциальный усилитель 105 соединены с входом демодулятора 93, другой вход которого соединен с источником напряжения 33. Выход демодулятора 93 соединен со входами демодуляторов 94, 95. Входы дифференциального усилителя 105а соединены со статорами гребенчатого двигателя. Выходы ОУ 84, 85 соединены с электродами, расположенными над зубцовой зоной ПМ с одной стороны оси чувствительности ММГ, ОУ 86 - с парой других, расположенных по другую сторону от оси чувствительности ММГ. Источник постоянного напряжения 103 через резисторы 108, 109 соединен соответственно с входами ОУ 84, 85. Источник постоянного напряжения 104 через резистор 111 соединен с входом ОУ 86. Выход дифференциального усилителя 105а соединен с входом демодулятора 94 и входом фазосдвигающей цепи 99, которая соединена с входом элемента 95. Источник переменного напряжения 100 соединен с входом элемента 96 и через резистор 113 - со входом ОУ 86. Резисторы 106, 107, 110, 112 соединены со входами ОУ 83-86 соответственно. Выходы демодуляторов 94-96 соединены соответственно с входом ФНЧ 114 и входом элемента 96, с входом интегратора 98, с входом интегратора 97. Выходы интеграторов 97, 98 соединены с резисторами 106, 112 соответственно. Выход элемента 95 через последовательно соединенные элемент с изменяемым коэффициентом передачи 115, дифференцирующее звено 101 и инвертирующее звено 102 соединены с резистором 107. В ММГ на фиг.9 контур автоподстройки резонансной частоты подвеса сформирован на элементах 81, 82, 105, 93, 94, 96, 97, 83. Эти элементы работают следующим образом. Усилители 81, 82, 105 и демодулятор 93 образуют преобразователь емкость - напряжение, который с электродами, соединенными со входами ОУ 81, 82, образуют датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний. Демодуляторы 94, 96 выделяют сигнал на частоте источника 100, создающего тестовое воздействие на ПМ, если резонансные частоты подвесов не совпадают. В этом случае выходное напряжение интегратора изменяется, при этом изменяются напряжения на синфазных входах ОУ 81, 82. Соответственно изменяется и напряжение на инвертирующих входах этих ОУ и на подключенных к ним электродах, что и приводит к изменению резонансной частоты. Дифференциальный усилитель 105а может быть сформирован аналогично цепи на элементах 81, 82, 105 и 93, он совместно с подключенными к нему статорами образует датчик перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Благодаря автоподстройке резонансной частоты сигнал на выходе демодулятора 95 пропорционален амплитуде колебаний ПМ с фазой квадратурной помехи. Средняя составляющая этих колебаний подавляется выходным сигналом интегратора 98, который поступает на электроды, расположенные над зубцовой зоной ПМ. Отрицательная обратная связь через звенья 101 и 115 позволяет изменять коэффициент передачи преобразователя ускорение Кориолиса - напряжение на выходе элемента 94, которым является ММГ путем изменения коэффициента передачи элемента в цепи отрицательной обратной связи. Отметим, что стабильный коэффициент передачи сохраняется только при действии системы автоподстройки частоты в случае работы ММГ в режиме с близко сведенными частотами.Resistors 87-92 are connected between the output and the inverting input, respectively, of the op-amp 81-86. The input of the OS 81 is connected to the electrode 16, the input of the OS 82 with a diametrically located electrode. The outputs of the op-amp 81, 82 through a differential amplifier 105 are connected to the input of the demodulator 93, the other input of which is connected to a voltage source 33. The output of the demodulator 93 is connected to the inputs of the demodulators 94, 95. The inputs of the differential amplifier 105a are connected to the stators of the comb motor. The outputs of the OS 84, 85 are connected to the electrodes located above the tooth zone of the PM on one side of the axis of sensitivity of the MMG, OS 86 - with a pair of others located on the other side of the axis of sensitivity of the MMG. The DC voltage source 103 through the resistors 108, 109 is connected respectively to the inputs of the op amp 84, 85. The DC voltage source 104 through the resistor 111 is connected to the input of the op-amp 86. The output of the differential amplifier 105a is connected to the input of the demodulator 94 and the input of the phase-shifting circuit 99, which is connected to the input element 95. An AC voltage source 100 is connected to the input of the element 96 and through the resistor 113 to the input of the op-amp 86. Resistors 106, 107, 110, 112 are connected to the inputs of the op-amp 83-86, respectively. The outputs of the demodulators 94-96 are connected respectively to the input of the low-pass filter 114 and the input of the element 96, with the input of the integrator 98, with the input of the integrator 97. The outputs of the integrators 97, 98 are connected to the resistors 106, 112, respectively. The output of the element 95 through a series-connected element with a variable gear ratio 115, the differentiating link 101 and the inverting link 102 are connected to the resistor 107. In the MMG in Fig. 9, a suspension resonance self-tuning loop is formed on the elements 81, 82, 105, 93, 94, 96 , 97, 83. These elements work as follows. Amplifiers 81, 82, 105 and demodulator 93 form a capacitance-voltage converter, which, with electrodes connected to the inputs of OA 81, 82, form a PM displacement sensor along the axis of secondary vibrations. Demodulators 94, 96 emit a signal at the frequency of the source 100, which creates a test effect on the PM, if the resonant frequencies of the suspensions do not match. In this case, the output voltage of the integrator changes, and the voltages at the common-mode inputs of the op-amps 81, 82 change. The voltage at the inverting inputs of these op-amps and the electrodes connected to them also changes, which leads to a change in the resonant frequency. The differential amplifier 105a can be formed similarly to the circuit on the elements 81, 82, 105 and 93; together with the stators connected to it, it forms a PM displacement sensor along the axis of the primary oscillations. Due to the automatic tuning of the resonant frequency, the signal at the output of the demodulator 95 is proportional to the amplitude of the PM oscillations with the quadrature noise phase. The average component of these oscillations is suppressed by the output signal of the integrator 98, which is supplied to the electrodes located above the tooth zone of the PM. Negative feedback through links 101 and 115 allows you to change the transmission coefficient of the converter Coriolis acceleration - the voltage at the output of the element 94, which is MMG by changing the transmission coefficient of the element in the negative feedback circuit. Note that a stable transmission coefficient is maintained only under the action of the automatic frequency control system in the case of MMG operation in a mode with closely reduced frequencies.

Элементы на фиг.10 соединены следующим образом.The elements of FIG. 10 are connected as follows.

Входы умножителя 116 объединены и подключены к одному входу умножителя 117, выход элемента 116 через резистор 118 соединен с конденсатором 119 и вторым входом элемента 117, выход которого соединен с входом элемента 101.The inputs of the multiplier 116 are combined and connected to one input of the multiplier 117, the output of the element 116 through the resistor 118 is connected to the capacitor 119 and the second input of the element 117, the output of which is connected to the input of the element 101.

Элементы 118, 119 образуют ФНЧ, который сглаживает выходной сигнал элемента 116, который пропорционален квадрату выходного сигнала ММГ. Коэффициент передачи звена обратной связи в ММГ на фиг.9 с такой реализацией элемента 115 зависит от уровня измеряемой угловой скорости Ω. Чем ниже уровень, тем слабее сигнал обратной связи. Благодаря этому при малых уровнях Ω ММГ работает при большей величине добротности, что позволяет повысить разрешающую способность ММГ. Учет изменения масштабного коэффициента ММГ может быть сделан при измерении сигнала на выходе элемента 116.Elements 118, 119 form a low-pass filter that smooths the output signal of element 116, which is proportional to the square of the output signal MMG. The transmission coefficient of the feedback link in MMG in Fig. 9 with such an implementation of element 115 depends on the level of the measured angular velocity Ω. The lower the level, the weaker the feedback signal. Due to this, at low levels of Ω, the MMG operates at a higher figure of merit, which improves the resolution of the MMG. The change in the MMG scale factor can be taken into account when measuring the signal at the output of element 116.

Необходимо отметить, что звено с переменным коэффициентом передачи может быть реализовано другими средствами. В частности, на пороговых элементах или с использованием элементов, у которых коэффициент передачи изменяется в зависимости от входного в соответствии с таблицей значений.It should be noted that the link with a variable transmission coefficient can be implemented by other means. In particular, on threshold elements or using elements in which the transmission coefficient varies depending on the input in accordance with the table of values.

На фиг.11 индикатор 120 соединен с выходом элемента 94 и источником 100.11, the indicator 120 is connected to the output of the element 94 and the source 100.

В случае исправности всех контуров в ММГ напряжение на выходе демодулятора 94 имеет составляющую, которая пропорциональна тестовому напряжению. Их сравнение позволяет производить оценку исправности ММГ.If all the loops in MMG are operational, the voltage at the output of demodulator 94 has a component that is proportional to the test voltage. Their comparison allows us to assess the health of MMG.

Для контроля исправности ММГ можно использовать сигналы с выходов интеграторов 97, 98, выходной сигнал которых определяется начальной расстройкой резонансных частот и уровнем квадратурной помехи. Для каждого образца микромеханического чувствительного элемента эти величины могут быть паспортизированы. Сравнение текущих значений сигналов с выхода интеграторов с паспортизированными значениями не должны выходить за определенную зону при исправной работе ММГ.To monitor the health of MMG, you can use the signals from the outputs of the integrators 97, 98, the output signal of which is determined by the initial detuning of the resonant frequencies and the level of quadrature interference. For each sample of a micromechanical sensitive element, these values can be certified. Comparison of the current values of the signals from the output of the integrators with the certified values should not go beyond a certain area with the MMG working properly.

Claims (16)

1. Способ формирования тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа, заключающийся в изменении напряжений на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний подвижной массы, перемещение которой по оси первичных колебаний γ изменяется во времени (t) в соответствии с выражением: γ(t)=sin(ω1t), где ω1 - угловая частота, отличающийся тем, что напряжение на одном или нескольких электродах изменяют так, что гармоническая составляющая A(t) на частоте ω1 величины
Figure 00000018
изменяется в соответствии с выражением: A(t)=B(t)sin(ω1t), амплитуда B(t)≠const, соответственно C(α,γ(t)) - емкость между подвижной массой и электродом, на котором изменяют напряжение, α - перемещения ПМ по оси вторичных колебаний.
1. The method of generating a test effect on the moving mass of a micromechanical gyroscope, which consists in changing the voltages at the electrodes located along the axis of the secondary vibrations of the moving mass, the movement of which along the axis of the primary vibrations γ varies in time (t) in accordance with the expression: γ (t) = sin (ω 1 t), where ω 1 is the angular frequency, characterized in that the voltage at one or more electrodes is changed so that the harmonic component A (t) at a frequency ω 1 of magnitude
Figure 00000018
varies in accordance with the expression: A (t) = B (t) sin (ω 1 t), the amplitude B (t) ≠ const, respectively C (α, γ (t)) is the capacitance between the moving mass and the electrode on which change the voltage, α - movement of the PM along the axis of secondary vibrations.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в микромеханическом гироскопе с электродной структурой, в которой при колебаниях подвижной массы по оси первичных колебаний изменяется площадь перекрытия между подвижной массой и одним или несколькими электродами, напряжение на этих электродах изменяют с частотой меньше частоты первичных колебаний.2. The method according to claim 1, characterized in that in a micromechanical gyroscope with an electrode structure in which the overlap area between the moving mass and one or more electrodes changes with oscillations of the moving mass along the axis of the primary vibrations, the voltage on these electrodes is changed with a frequency less than the frequency primary fluctuations. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в микромеханическом гироскопе с электродной структурой, в которой при колебаниях подвижной массы по оси первичных колебаний не изменяется площадь перекрытия между подвижной массой и одним или несколькими электродами, напряжение на этих электродах изменяют с частотой, равной частоте первичных колебаний синфазно с первичными колебаниями подвижной массы, при этом изменяя и амплитуду этих напряжений.3. The method according to claim 1, characterized in that in a micromechanical gyroscope with an electrode structure in which the overlap area between the moving mass and one or more electrodes does not change when the moving mass oscillates along the axis of the primary vibrations, the voltage on these electrodes changes with frequency, equal to the frequency of the primary oscillations in phase with the primary oscillations of the moving mass, while changing the amplitude of these stresses. 4. Электродная структура микромеханического гироскопа RR-типа для реализации способа формирования тестового воздействия по п.1, содержащая подвижную массу, имеющую вид секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, и электроды, расположенные над или под подвижной массой, отличающаяся тем, что часть этих электродов расположена над боковыми границами секторов.4. The electrode structure of an RR-type micromechanical gyroscope for implementing the method of generating a test action according to claim 1, containing a moving mass having the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and secondary vibrations of the moving mass, and electrodes located above or below the moving mass characterized in that a part of these electrodes is located above the lateral boundaries of the sectors. 5. Электродная структура микромеханического гироскопа по п.4, отличающаяся тем, что в подвижной массе выполнены отверстия, а часть электродов расположена над краями отверстий, ориентированных перпендикулярно к направлению первичных колебаний.5. The electrode structure of the micromechanical gyroscope according to claim 4, characterized in that the holes are made in the moving mass, and part of the electrodes are located above the edges of the holes oriented perpendicular to the direction of the primary vibrations. 6. Электродная структура микромеханического гироскопа LL-типа для реализации способа формирования тестового воздействия по п.1, содержащая подвижную массу, имеющую вид прямоугольника, первая пара сторон которого перпендикулярна направлению первичных колебаний, а вторая пара сторон им параллельна, и электроды, расположенные над или под подвижной массой, отличающаяся тем, что часть этих электродов расположена над боковыми границами одной или двух первой пары сторон.6. The electrode structure of an LL-type micromechanical gyroscope for implementing the method of generating a test action according to claim 1, containing a moving mass having the shape of a rectangle, the first pair of sides of which is perpendicular to the direction of the primary vibrations, and the second pair of sides parallel to them, and electrodes located above or under a moving mass, characterized in that a part of these electrodes is located above the lateral boundaries of one or two of the first pair of sides. 7. Электродная структура микромеханического гироскопа по п.6, отличающаяся тем, что в подвижной массе выполнены отверстия, а часть электродов расположена над краями отверстий, ориентированных перпендикулярно к направлению первичных колебаний.7. The electrode structure of the micromechanical gyroscope according to claim 6, characterized in that the holes are made in the moving mass, and part of the electrodes are located above the edges of the holes oriented perpendicular to the direction of the primary vibrations. 8. Способ подстройки резонансной частоты подвеса подвижной массы по оси вторичных колебаний, заключающийся в изменении напряжения на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, в зависимости от выделенной составляющей сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, отличающийся тем, что выделяют составляющую, пропорциональную B(t), где B(t) - амплитуда гармонической составляющей A(t), сформированной по способу формирования тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа по п.1.8. A method for adjusting the resonant frequency of the suspension of the moving mass along the axis of the secondary vibrations, which consists in changing the voltage at the electrodes located along the axis of the secondary vibrations, depending on the extracted signal component of the moving mass displacement sensor along the axis of the secondary vibrations, characterized in that a component proportional to B (t), where B (t) is the amplitude of the harmonic component A (t) formed by the method of generating a test action on the moving mass of the micromechanical gyroscope according to claim 1. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что составляющую, пропорциональную амплитуде B(t), выделяют путем последовательной демодуляции сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний вначале с опорным сигналом, синфазным первичным колебаниям подвижной массы, а затем с опорным сигналом, пропорциональным B(t).9. The method according to claim 8, characterized in that the component proportional to the amplitude B (t) is isolated by sequentially demodulating the signal of the moving mass displacement sensor along the axis of the secondary oscillations, first with a reference signal, in-phase primary oscillations of the moving mass, and then with a reference signal proportional to B (t). 10. Микромеханический гироскоп RR-типа, реализующий способ подстройки резонансной частоты по п.8, содержащий подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, при этом боковые поверхности этих секторов содержат зубцы, три пары электродов, расположенных над подвижной массой, которые также имеют вид секторов, при этом первая пара электродов расположена над зубцовыми зонами подвижной массы, которые расположены по одну сторону от оси чувствительности микромеханического гироскопа, вторая пара электродов расположена относительно этой оси симметрично, а третья пара электродов расположена на этой оси, и электроды каждой пары расположены симметрично относительно оси вторичных колебаний, статоры, расположенные на основании и имеющие зубцы, которые с зубцами подвижной массы образуют гребенчатую электродную структуру, подвес в виде торсионов, с помощью которого подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между статорами и содержащее первый датчик перемещения подвижной массы и устройство преобразования электрического сигнала, второй датчик перемещения подвижной массы, выполненный в виде дифференциального трансрезистивного усилителя, входы которого соединены с первой парой электродов, источник постоянного напряжения, соединенный со второй парой электродов, первый демодулятор, вход которого соединен с выходом трансрезистивного усилителя, а вход для опорного сигнала соединен с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, отличающийся тем, что в него введены источник переменного напряжения, который включен последовательно с источником постоянного напряжения, второй демодулятор, вход которого соединен с выходом первого демодулятора, а вход для опорного сигнала соединен с введенным источником переменного напряжения, и интегратор, вход которого соединен с выходом второго демодулятора, а выход - с третьей парой электродов.10. An RR-type micromechanical gyroscope that implements the resonance frequency adjustment method according to claim 8, comprising a moving mass made in the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and secondary moving mass oscillations, while the lateral surfaces of these sectors contain teeth, three pairs of electrodes located above the moving mass, which also have the form of sectors, while the first pair of electrodes is located above the tooth zones of the moving mass, which are located one at a time well, the side from the sensitivity axis of the micromechanical gyroscope, the second pair of electrodes is located symmetrically relative to this axis, and the third pair of electrodes is located on this axis, and the electrodes of each pair are located symmetrically with respect to the axis of secondary vibrations, the stators located on the base and having teeth that have teeth the masses form a comb electrode structure, a suspension in the form of torsion bars, by means of which the moving mass is suspended from a support mounted on the base, the primary excitation device oscillations included between the stators and containing the first moving mass displacement sensor and an electric signal conversion device, the second moving mass displacement sensor made in the form of a differential transresistive amplifier, the inputs of which are connected to the first pair of electrodes, a constant voltage source connected to the second pair of electrodes, the first demodulator, the input of which is connected to the output of the transresistive amplifier, and the input for the reference signal is connected to the output of the first displacement sensor moving mass, characterized in that an alternating voltage source is introduced into it, which is connected in series with a constant voltage source, a second demodulator, the input of which is connected to the output of the first demodulator, and the input for the reference signal is connected to the introduced alternating voltage source, and an integrator, input which is connected to the output of the second demodulator, and the output to the third pair of electrodes. 11. Микромеханический гироскоп RR-типа, реализующий способ подстройки резонансной частоты по п.8 и содержащий подвижную массу, выполненную в виде секторов симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, две пары электродов, в каждой из которых электроды расположены симметрично относительно этих осей над подвижной массой, при этом электроды первой пары являются электродами емкостного датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, а электроды второй пары являются электродами емкостного датчика момента, статоры, расположенные на основании и имеющие зубцы, которые с зубцами подвижной массы образуют гребенчатую электродную структуру, подвес в виде торсионов, с помощью которого подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между статорами и содержащее первый датчик перемещения подвижной массы и устройство преобразования электрического сигнала, второй датчик перемещения подвижной массы, выполненный в виде дифференциального усилителя, входы которого соединены с электродами первой пары, первый демодулятор, вход которого соединен с выходом второго датчика перемещения подвижной массы, а вход для опорного сигнала соединен с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, усилители, выходы которых соединены с электродами датчика момента, отличающийся тем, что в него введены источник переменного напряжения, второй и третий демодуляторы и модулятор, при этом выходы второго и третьего демодуляторов соединены соответственно через первый и второй интеграторы с входом устройства суммирования и одноименными входами усилителей, источник переменного напряжения через устройство суммирования соединен с модулятором, выход которого соединен с разноименными входами усилителей, при этом входы для опорного сигнала второго, третьего демодуляторов и модулятора соединены соответственно с выходом второго датчика перемещения подвижной массы через устройство сдвига фазы на 90°, с источником переменного напряжения и выходом второго датчика перемещения подвижной массы через устройство сдвига фазы.11. An RR-type micromechanical gyroscope that implements a resonance frequency adjustment method according to claim 8 and containing a moving mass made in the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of the micromechanical gyroscope and secondary moving mass oscillations, two pairs of electrodes, in each of which the electrodes are located symmetrically relative to these axes above the moving mass, the electrodes of the first pair being the electrodes of the capacitive sensor for moving the moving mass along the axis of the secondary vibrations, and the electron the odes of the second pair are electrodes of a capacitive moment sensor, stators located on the base and having teeth, which with the teeth of the moving mass form a comb-like electrode structure, a suspension in the form of torsion bars, by means of which the moving mass is suspended from a support mounted on the base, the primary oscillation excitation device included between the stators and containing a first moving mass displacement sensor and an electric signal conversion device, a second moving mass displacement sensor, made in in the form of a differential amplifier, the inputs of which are connected to the electrodes of the first pair, the first demodulator, the input of which is connected to the output of the second moving mass displacement sensor, and the input for the reference signal is connected to the output of the first moving mass displacement sensor, amplifiers whose outputs are connected to the moment sensor electrodes, characterized in that an alternating voltage source, second and third demodulators and a modulator are introduced into it, while the outputs of the second and third demodulators are connected respectively through the second and second integrators with the input of the summing device and the inputs of the amplifiers of the same name, the source of alternating voltage through the summing device is connected to a modulator, the output of which is connected to the opposite inputs of the amplifiers, while the inputs for the reference signal of the second, third demodulators and the modulator are connected respectively to the output of the second displacement sensor moving mass through a 90 ° phase-shift device, with an alternating voltage source and the output of a second moving mass displacement sensor through a device phase shift. 12. Способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ, содержащем, по крайней мере, один электрод, расположенный несоосно с направлением первичных колебаний подвижной массы, и подключенный к этому электроду источник напряжения B(t), заключающийся в первом синхронном детектировании сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале вторичных колебаний с помощью первого опорного сигнала, в качестве которого используют сигнал датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний, отличающийся тем, что после первого синхронного детектирования дополнительно осуществляют второе синхронное детектирование с помощью второго опорного сигнала, в качестве которого используют напряжение B(t), где B(t) - амплитуда гармонической составляющей A(t), сформированной по способу формирования тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа по п.1, и изменяют фазу первого опорного сигнала до тех пор, пока средняя величина сигнала после второго синхронного детектирования не станет равной нулю.12. The method of determining the phase shift of the signal in the secondary oscillation channel relative to the signal of the moving mass displacement sensor in the primary oscillation channel in the MMG, containing at least one electrode located misaligned with the direction of the primary oscillations of the moving mass, and a voltage source B connected to this electrode (t) consisting in the first synchronous detection of the signal of the moving mass displacement sensor in the secondary channel using the first reference signal, which is used as the signal yes a moving mass displacement sensor in the primary oscillation channel, characterized in that, after the first synchronous detection, a second synchronous detection is additionally performed using a second reference signal, the voltage B (t) being used, where B (t) is the amplitude of the harmonic component A (t ) formed by the method of generating a test effect on the moving mass of the micromechanical gyroscope according to claim 1, and the phase of the first reference signal is changed until the average signal value after the second sync detection will not be equal to zero. 13. Микромеханический гироскоп, содержащий подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, резонансный подвес подвижной массы, выполненный в виде торсионов, с помощью которых подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, входы и выходы которого соединены с соответствующими электродами гребенчатой структуры, электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, имеющие форму секторов, при этом, по крайней мере, один из электродов расположен над боковой границей одного из секторов, первый емкостной датчик перемещения подвижной массы по оси первичных колебаний, второй датчик перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, при этом к выходу второго датчика перемещения подвижной массы подключены входы первого и второго демодуляторов, выходы которых через усилительные звенья соединены соответственно с входами первого и второго модуляторов, входы для опорных сигналов одноименных модуляторов и демодуляторов соединены через первую и вторую фазосдвигающие цепи с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, выходы модуляторов через суммирующее устройство соединены, по крайней мере, с одним из электродов, расположенных по оси вторичных колебаний, отличающийся тем, что в него введены источник переменного напряжения, выход которого соединен с электродом, расположенным над боковой границей одного из секторов, третья фазосдвигающая цепь, которая выполнена как управляемая, последовательно соединенные третий демодулятор и интегратор, при этом входы третьего демодулятора соединены с выходом первого демодулятора и выходом введенного источника переменного напряжения, выход интегратора соединен с входом управления третьей фазосдвигающей цепи, которая включена между выходом первого датчика перемещения подвижной массы и входами первой и второй фазосдвигающих цепей.13. A micromechanical gyroscope containing a moving mass made in the form of sectors symmetrically located relative to the sensitivity axes of a micromechanical gyroscope and secondary oscillations of the moving mass, a resonant suspension of the moving mass made in the form of torsions, by means of which the moving mass is suspended from a support mounted on the base, comb electrode structure, a device for exciting primary oscillations, the inputs and outputs of which are connected to the corresponding electrodes of the comb structure, elec trodes located along the axis of secondary vibrations, having the shape of sectors, with at least one of the electrodes located above the lateral boundary of one of the sectors, the first capacitive sensor for moving the moving mass along the axis of the primary vibrations, the second sensor for moving the moving mass along the axis of the secondary vibrations , while the inputs of the first and second demodulators are connected to the output of the second moving mass displacement sensor, the outputs of which are connected through amplifying links to the inputs of the first and second modulators, the strokes for the reference signals of the same modulators and demodulators are connected through the first and second phase-shifting circuits with the output of the first moving mass displacement sensor, the outputs of the modulators are connected through at least one of the electrodes located along the axis of the secondary vibrations, characterized in that it introduced an AC voltage source, the output of which is connected to an electrode located above the lateral boundary of one of the sectors, the third phase-shifting circuit, which is designed as controlled connected in series to the third demodulator and integrator, while the inputs of the third demodulator are connected to the output of the first demodulator and the output of the input AC voltage source, the integrator output is connected to the control input of the third phase-shifting circuit, which is connected between the output of the first moving mass displacement sensor and the inputs of the first and second phase-shifting chains. 14. Микромеханический гироскоп с контуром автоподстройки частоты и демпфирующей обратной связью в канале вторичных колебаний, которая реализована в виде дифференцирующего звена, включенного между выходом датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний и расположенными на этой оси электродами, отличающийся тем, что последовательно с дифференцирующим звеном введено устройство с изменяемым коэффициентом передачи.14. A micromechanical gyroscope with a frequency-locked loop and damping feedback in the secondary oscillation channel, which is implemented as a differentiating element connected between the output of the moving mass displacement sensor along the secondary oscillation axis and electrodes located on this axis, characterized in that it is in series with the differentiating element introduced a device with a variable transmission coefficient. 15. Микромеханический гироскоп по п.14, отличающийся тем, что в него введено устройство выделения среднего значения модуля входной величины, выход и вход которого соединены соответственно со входом для изменения коэффициента передачи и входом устройства с изменяемым коэффициентом передачи.15. The micromechanical gyroscope according to claim 14, characterized in that a device for extracting the average value of the input quantity module is inserted into it, the output and input of which are connected respectively to the input for changing the transmission coefficient and the input of the device with a variable transmission coefficient. 16. Способ непрерывного тестирования исправности работы микромеханического гироскопа, заключающийся в сравнении реакции микромеханического гироскопа на тестовый сигнал с эталонным, отличающийся тем, что в качестве тестового сигнала используют модулированную по амплитуде силу (момент), синфазную с силой, вызывающую квадратурную помеху, которую формируют путем изменения напряжения на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний подвижной массы, а реакцию на тестовый сигнал определяют путем первой демодуляции выходного сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний с помощью опорного сигнала на частоте первичных колебаний и второй демодуляции с помощью опорного сигнала, пропорционального B(t), где B(t) - амплитуда гармонической составляющей A(t), сформированной по способу формирования тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа по п.1. 16. A method of continuous testing of the functioning of a micromechanical gyroscope, which consists in comparing the response of a micromechanical gyroscope to a test signal with a reference one, characterized in that the test signal is a force modulated in amplitude (moment), in phase with the force, causing quadrature interference, which is generated by voltage changes on the electrodes located along the axis of the secondary oscillations of the moving mass, and the response to the test signal is determined by first demodulating the output signal a moving mass displacement sensor along the axis of secondary vibrations using a reference signal at the frequency of primary vibrations and a second demodulation using a reference signal proportional to B (t), where B (t) is the amplitude of the harmonic component A (t) formed by the method of generating the test action on the moving mass of the micromechanical gyroscope according to claim 1.
RU2008135886/28A 2008-09-01 2008-09-01 Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect RU2388999C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008135886/28A RU2388999C1 (en) 2008-09-01 2008-09-01 Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect
PCT/RU2009/000447 WO2010024729A2 (en) 2008-09-01 2009-08-31 Micromechanical gyroscope and method for tuning thereof based on using of amplitude modulated quadrature

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008135886/28A RU2388999C1 (en) 2008-09-01 2008-09-01 Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008135886A RU2008135886A (en) 2010-03-10
RU2388999C1 true RU2388999C1 (en) 2010-05-10

Family

ID=41585929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008135886/28A RU2388999C1 (en) 2008-09-01 2008-09-01 Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2388999C1 (en)
WO (1) WO2010024729A2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2447402C1 (en) * 2010-12-07 2012-04-10 Яков Анатольевич Некрасов Compensation-type micromechanical gyroscope
RU2471149C2 (en) * 2010-12-07 2012-12-27 Яков Анатольевич Некрасов Compensation-type micromechanical gyroscope
RU2485444C2 (en) * 2010-05-21 2013-06-20 Сергей Феодосьевич Коновалов Micromechanical vibration gyroscope
RU2626570C1 (en) * 2016-11-03 2017-07-28 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Micromechanical gyroscope rr-type
RU2708907C1 (en) * 2019-05-21 2019-12-12 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Solid-state wave gyroscope
RU2714955C1 (en) * 2019-05-24 2020-02-21 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9958271B2 (en) * 2014-01-21 2018-05-01 Invensense, Inc. Configuration to reduce non-linear motion
US9702697B2 (en) 2015-02-10 2017-07-11 Northrop Grumman Systems Corporation Bias and scale-factor error mitigation in a Coriolis vibratory gyroscope system
IT201900009582A1 (en) * 2019-06-20 2020-12-20 St Microelectronics Srl MEMS GYRO WITH REAL-TIME SCALE FACTOR CALIBRATION AND RELATED CALIBRATION METHOD
CN111578923B (en) * 2020-05-15 2021-10-12 中国人民解放军国防科技大学 Closed-loop control method and system for resonant gyroscope
CN113532406B (en) * 2021-07-15 2022-11-22 中南大学 Silicon gyroscope mass increasing type tuning method

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10248733B4 (en) * 2002-10-18 2004-10-28 Litef Gmbh Method for electronically tuning the read oscillation frequency of a Coriolis gyro
DE10248734B4 (en) * 2002-10-18 2004-10-28 Litef Gmbh Method for electronically tuning the read oscillation frequency of a Coriolis gyro
FR2849183B1 (en) * 2002-12-20 2005-03-11 Thales Sa VIBRATORY GYROMETER WITH DETECTION FREQUENCY ASSISTANCE ON FREQUENCY OF EXCITATION
WO2007105211A2 (en) * 2006-03-13 2007-09-20 Yishay Sensors Ltd. Dual-axis resonator gyroscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПЕШЕХОНОВ В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 23-25 мая 2005, с.268-274. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2485444C2 (en) * 2010-05-21 2013-06-20 Сергей Феодосьевич Коновалов Micromechanical vibration gyroscope
RU2447402C1 (en) * 2010-12-07 2012-04-10 Яков Анатольевич Некрасов Compensation-type micromechanical gyroscope
RU2471149C2 (en) * 2010-12-07 2012-12-27 Яков Анатольевич Некрасов Compensation-type micromechanical gyroscope
RU2626570C1 (en) * 2016-11-03 2017-07-28 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Micromechanical gyroscope rr-type
RU2708907C1 (en) * 2019-05-21 2019-12-12 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Solid-state wave gyroscope
RU2714955C1 (en) * 2019-05-24 2020-02-21 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008135886A (en) 2010-03-10
WO2010024729A3 (en) 2010-08-05
WO2010024729A2 (en) 2010-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2388999C1 (en) Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect
US7216538B2 (en) Vibratory angular rate sensor
TWI427272B (en) Arrangement for measuring rate of rotation with vibration sensor
JP4691255B2 (en) Sensor having a resonant structure, in particular an acceleration sensor or a rotational speed sensor, and an apparatus and method for self-testing
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
US8763441B2 (en) Method and apparatus for self-calibration of gyroscopes
CN106052667B (en) Resonator and the system of Coriolis axis control, device, method in vibratory gyroscope
JP3894587B2 (en) Micromachined speed sensor system for sensing rotational speed and method for minimizing parasitic drive voltage
US10260878B2 (en) Gyroscope with simplified calibration and simplified calibration method for a gyroscope
JPH09170927A (en) Vibration type angular velocity detecting device
JP6278604B2 (en) Vibration gyro with bias correction function
EP2351982A1 (en) Angular velocity sensor
JP7207441B2 (en) MEMS gyroscope sensitivity compensation
GB2377494A (en) An improved offset elimination system for a vibrating gyroscope
JP2003511684A (en) Feedback mechanism for rate gyroscope
RU2344374C1 (en) Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)
JP2012159429A (en) Tuning fork vibration type angular velocity sensor
RU2308682C1 (en) Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
RU2296301C1 (en) Method and device for measuring movement of movable mass of micro-mechanical gyroscope along axis of secondary oscillations
US20210284527A1 (en) Methods for vibration immunity to suppress bias errors in sensor devices
RU2320962C1 (en) Electrode structure for micro-mechanical gyroscope and micro-mechanical gyroscope on base of that structure
JP2006010408A (en) Vibratory gyro
RU2393428C1 (en) Compensation-type micromechanical gyroscope
RU2714870C1 (en) Micromechanical gyroscope
RU2370733C1 (en) Vibration-type micromechanical gyro

Legal Events

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

Effective date: 20200902