RU2410701C1 - Micromechanical sensor of angular speed - Google Patents
Micromechanical sensor of angular speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2410701C1 RU2410701C1 RU2009124889/28A RU2009124889A RU2410701C1 RU 2410701 C1 RU2410701 C1 RU 2410701C1 RU 2009124889/28 A RU2009124889/28 A RU 2009124889/28A RU 2009124889 A RU2009124889 A RU 2009124889A RU 2410701 C1 RU2410701 C1 RU 2410701C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inertial mass
- output
- inertial
- input
- sensor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерительной технике, и может быть использовано для измерения угловой скорости, например, в различных системах управления, навигации, стабилизации и наведения.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to measuring equipment, and can be used to measure angular velocity, for example, in various control systems, navigation, stabilization and guidance.
Известен датчик угловой скорости Mars-RR (Micromachined Angular Rate Sensor) [Geiger W. et al. A Silicon Rate Gyroscope with Decoupled Driving and Sensing Mechanisms MARS-RR. - Symposium Gyro Technology, Germany. - 1998], содержащий инерционную массу, закрепленную на упругих элементах подвеса относительно анкеров, скрепленных с подложкой. Упругие элементы подвеса позволяют инерционной массе перемещаться вдоль одной оси и вместе с несущей рамой вдоль второй оси. Электростатические датчики силы обеспечивают перемещение чувствительного элемента датчика положения вместе с несущей рамой и роторными элементами датчика силы.Known sensor angular velocity Mars-RR (Micromachined Angular Rate Sensor) [Geiger W. et al. A Silicon Rate Gyroscope with Decoupled Driving and Sensing Mechanisms MARS-RR. - Symposium Gyro Technology, Germany. - 1998], containing an inertial mass fixed on the elastic elements of the suspension relative to the anchors fastened to the substrate. The elastic suspension elements allow the inertial mass to move along one axis and together with the supporting frame along the second axis. Electrostatic force sensors provide movement of the sensor element of the position sensor together with the supporting frame and rotor elements of the force sensor.
Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений.The disadvantages are the low value of the force created by electrostatic comb engines, low accuracy and a small measurement range.
Известен датчик угловой скорости Micromachined Comb Drive Tuning Fork Gyroscope [United States Patent 5496436], содержащий первую и вторую инерционные массы, связанные с несущей рамой посредством стержневых упругих элементов подвеса. Несущая рама связана с основанием через упругие элементы подвеса, обеспечивающие угловое движение. Электростатический датчик силы возбуждает противофазные первичные поступательные колебания.Known angular velocity sensor Micromachined Comb Drive Tuning Fork Gyroscope [United States Patent 5496436], containing the first and second inertial mass associated with the supporting frame by means of rod elastic suspension elements. The supporting frame is connected to the base through elastic suspension elements that provide angular movement. An electrostatic force sensor excites out-of-phase primary translational oscillations.
При воздействии угловой скорости основания Кориолисовы силы создают переменный момент, приводящий к вторичным угловым колебаниям рамки. Угловые колебания измеряются емкостными датчиками, электроды которых расположены под первой и второй инерционными массами.Under the influence of the angular velocity of the base, the Coriolis forces create a variable moment, leading to secondary angular vibrations of the frame. Angular oscillations are measured by capacitive sensors, the electrodes of which are located under the first and second inertial masses.
Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений вследствие использования амплитудной модуляции сигнала.The disadvantages are the low value of the force generated by electrostatic comb engines, low accuracy and a small measurement range due to the use of amplitude modulation of the signal.
Наиболее близким из известных технических решений является датчик угловой скорости ADXRS 300 [Geen J. US Patent №5635640 Micromachined device with rotationally vibrated masses. - 3 June 1997], содержащий основание и крышку, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, пластины для формирования контура электростатической обратной связи и реализации режима компенсации. Первая и вторая инерционные массы посредством трех электростатических двигателей гребенчатой структуры приводятся в вибрационное движение параллельно плоскости основания так, чтобы колебания инерционных масс имели противоположные фазы.The closest known technical solution is the angular velocity sensor ADXRS 300 [Geen J. US Patent No. 5635640 Micromachined device with rotationally vibrated masses. - June 3, 1997], containing a base and a cover, the first and second inertial masses mounted on the elastic elements of the suspension, plates for forming an electrostatic feedback loop and implementing a compensation mode. The first and second inertial masses are driven by three electrostatic comb engines in vibrational motion parallel to the base plane so that the inertial mass oscillations have opposite phases.
При наличии угловой скорости под действием силы Кориолиса одна инерционная масса будет подниматься, а другая - опускаться по отношению к плоскости вибрации. Чувствительные элементы емкостного датчика положения формируют выходной сигнал датчика угловой скорости.In the presence of angular velocity under the action of the Coriolis force, one inertial mass will rise and the other will fall with respect to the plane of vibration. Sensitive elements of the capacitive position sensor form the output signal of the angular velocity sensor.
Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений вследствие использования амплитудной модуляции сигнала.The disadvantages are the low value of the force generated by electrostatic comb engines, low accuracy and a small measurement range due to the use of amplitude modulation of the signal.
Задачей является создание датчика угловых скоростей, измеряющего угловые скорости с большей точностью и расширенным частотным диапазоном.The objective is to create an angular velocity sensor that measures angular velocities with greater accuracy and an extended frequency range.
Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерения угловой скорости, расширение диапазона измерений.The technical result is to increase the accuracy and sensitivity of measuring angular velocity, expanding the range of measurements.
Технический результат достигается тем, что в микромеханический датчик угловой скорости, содержащий основание и крышку, несущую раму, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, датчики положения каждой инерционной массы, дополнительно введены вторые датчики положения каждой инерционной массы, постоянные магниты, первый и второй компараторы, первый и второй ключи и источник постоянного тока, инерционные массы выполнены из монокристаллического кремния в виде пластин с прямоугольной оптической щелью каждая и закреплены в несущей раме с возможностью перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию, инерционные массы размещены в зазоре между постоянными магнитами, первые датчики положения каждой инерционной массы выполнены в виде пары, состоящей из излучателя и двухсегментного фотоприемника, оптические оси которых проходят через оптические щели, вторые датчики положения выполнены в виде пары, состоящей из излучателя и фотоприемника, световой поток которых модулируется краем пластины, излучатели и фотоприемники обоих датчиков положения каждой пластины закреплены в отверстиях на основании и крышке, соответственно, с возможностью фиксации первым датчиком перемещения инерционной массы по продольной оси, а вторым датчиком - по поперечной оси, на поверхности каждой инерционной массы, параллельно поперечной оси, напылены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой токопроводящими шинами, каждая из которых токоподводами через упругие элементы подвеса первой инерционной массы соединены с выходом первого ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход первого компаратора, к первому входу которого подключены выход одного сегмента фотоприемника первого датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента, а с выхода фотоприемника второго датчика положения первой инерционной массы снимается выходной сигнал, излучатели датчиков положения первой инерционной массы подключены к источнику постоянного тока, токопроводящие шины второй инерционной массы токоподводами через упругие элементы подвеса второй инерционной массы соединены с выходом второго ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход второго компаратора, к первому входу которого подключены выход одного сегмента фотоприемника второго датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента фотоприемника второго датчика, излучатели датчиков положения второй инерционной массы подключены к источнику постоянного тока.The technical result is achieved by the fact that in the micromechanical angular velocity sensor containing a base and a lid supporting the frame, the first and second inertial masses mounted on the elastic elements of the suspension, the position sensors of each inertial mass, additionally introduced the second position sensors of each inertial mass, permanent magnets, the first and second comparators, the first and second keys and a direct current source, inertial masses are made of single-crystal silicon in the form of plates with a rectangular optical slit giving and fixed in the supporting frame with the ability to move along two mutually perpendicular longitudinal and transverse axes in a plane parallel to the base, inertial masses are placed in the gap between the permanent magnets, the first position sensors of each inertial mass are made in the form of a pair consisting of a radiator and a two-segment photodetector, the optical axes of which pass through the optical slits, the second position sensors are made in the form of a pair consisting of an emitter and a photodetector, the luminous flux of which is modulated by m plates, emitters and photodetectors of both position sensors of each plate are fixed in the holes on the base and cover, respectively, with the possibility of fixing by the first sensor the displacement of the inertial mass along the longitudinal axis, and the second sensor on the transverse axis, on the surface of each inertial mass, parallel to the transverse axis conductive tracks are sprayed, the beginnings and ends of which are interconnected by conductive buses, each of which is connected through current-carrying elements of the suspension of the first inertial mass s with the output of the first key, to the first input of which a DC source is connected, and the output of the first comparator is connected to the second input, the output of one segment of the photodetector of the first sensor is connected to the first input, and the output of the second segment is connected to the second input, and from the output of the second the position sensor of the first inertial mass, the output signal is taken, the emitters of the position sensors of the first inertial mass are connected to a constant current source, the conductive buses of the second inertial mass of the current lead the water through the elastic suspension elements of the second inertial mass is connected to the output of the second key, to the first input of which a DC source is connected, and the output of the second comparator is connected to the second input, the output of one segment of the photodetector of the second sensor is connected to the first input, and the output is connected to the second input the second segment of the photodetector of the second sensor, the emitters of the sensors of the position of the second inertial mass are connected to a constant current source.
Технический результат достигается за счет того, что первая и вторая инерционные массы совершают автоколебания под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала.The technical result is achieved due to the fact that the first and second inertial masses self-oscillate under the action of an alternating DC signal generated in the feedback circuit. In this case, the presence of the input action leads to a shift in the center of oscillations and the appearance of temporary modulation of the signal.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного микромеханического датчика угловой скорости, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".The analysis of the prior art by the applicant has established that there are no analogs characterized by sets of features identical to all the features of the claimed micromechanical angular velocity sensor, therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.Search results for known technical solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototypes showed that they do not follow explicitly from the prior art.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".From the prior art determined by the applicant, the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the indicated technical result was not revealed, therefore, the claimed invention corresponds to the "inventive step".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена электро-кинематическая схема датчика и введены следующие обозначения:The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the electro-kinematic diagram of the sensor and the following notation:
1. Первая инерционная масса.1. The first inertial mass.
2. Вторая инерционная масса.2. The second inertial mass.
3. Первые упругие элементы подвеса.3. The first elastic elements of the suspension.
4. Вторые упругие элементы подвеса.4. The second elastic elements of the suspension.
5. Несущая рама.5. The supporting frame.
6. Постоянные магниты.6. Permanent magnets.
7. Основание.7. The basis.
8. Первая оптическая щель.8. The first optical slit.
9. Вторая оптическая щель.9. The second optical slit.
10. Крышка.10. The cover.
11. Первый излучатель.11. The first emitter.
12. Второй излучатель.12. The second emitter.
13. Первый двухсегментный фотоприемник.13. The first two-segment photodetector.
14. Второй двухсегментный фотоприемник.14. The second two-segment photodetector.
15. Третий излучатель.15. The third emitter.
16. Четвертый излучатель.16. The fourth emitter.
17. Первый фотоприемник.17. The first photodetector.
18. Второй фотоприемник.18. The second photodetector.
19. Первые токопроводящие дорожки.19. The first conductive paths.
20. Вторые токопроводящие дорожки.20. The second conductive paths.
21. Первая токопроводящая шина.21. The first conductive bus.
22. Вторая токопроводящая шина.22. The second conductive bus.
23. Третья токопроводящая шина.23. The third conductive bus.
24. Четвертая токопроводящая шина.24. The fourth conductive bus.
25. Первый токоподвод.25. The first current lead.
26. Второй токоподвод.26. The second current lead.
27. Первый ключ.27. The first key.
28. Источник постоянного тока.28. The source of direct current.
29. Первый компаратор.29. The first comparator.
30. Третий токоподвод.30. The third current lead.
31. Четвертый токоподвод.31. The fourth current lead.
32. Второй ключ.32. The second key.
33. Второй компаратор.33. The second comparator.
На фиг.2а представлен сигнал на выходе первого и второго ключей 27 32 при отсутствии ускорения по продольной оси.On figa presents a signal at the output of the first and second keys 27 32 in the absence of acceleration along the longitudinal axis.
На фиг.2б представлен сигнал на выходе первого и второго ключей 27 и 32 при наличии ускорения по продольной оси.On figb presents the signal at the output of the first and second keys 27 and 32 in the presence of acceleration along the longitudinal axis.
В предлагаемом микромеханическом датчике угловой скорости первая и вторая инерционные массы 1, 2 размещены на упругих элементах подвеса 3, 4 в несущей раме 5 в зазоре между двумя постоянными магнитами 6 с возможностью линейного перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию 7, и выполнена из монокристаллического кремния в виде пластины с прямоугольными оптическими щелями 8, 9. Магниты 6 закреплены на основании 7 и крышке 10. Первые датчики положения каждой инерционной массы 1, 2 выполнены в виде пар, состоящих из излучателей 11, 12 и двухсегментных фотоприемников 13, 14, оптические оси которых проходят через оптические щели 8, 9, излучатели 11, 12 и двухсегментные фотоприемники 13, 14 закреплены на основании 7 и крышке 10. Вторые датчики положения выполнены в виде пар, состоящих из излучателей 15,16 и фотоприемников 17, 18, оптические оси которых проходят рядом с краем инерционных масс 1, 2. Излучатели 11, 12, 15, 16 и фотоприемники 13, 14, 17, 18 обоих датчиков положения каждой инерционной массы 1, 2 закреплены в отверстиях на основании 7 и крышке 10, соответственно. На поверхности каждой инерционной массы 1, 2 параллельно поперечной оси напылены токопроводящие дорожки 19, 20, начала которых соединены между собой токопроводяшими шинами 21, 22, а концы соединены токопроводяшими шинами 23, 24. Токопроводящие шины 21, 23 токоподводами 25, 26 через упругие элементы подвеса 3 первой инерционной массы 1 соединены с выходом ключа 27, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 28, а ко второму входу подключен выход первого компаратора 29, к первому входу которого подключены выход одного сегмента двухсегментного фотоприемника 13 первого датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента. Излучатели 11, 15 датчиков положения первой инерционной массы 1 подключены к источнику постоянного тока 28, токопроводящие шины 22, 24 второй инерционной массы 2 токоподводами 30, 31 через упругие элементы подвеса 4 второй инерционной массы 2 соединены с выходом второго ключа 32, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 28, а ко второму входу подключен выход второго компаратора 33, к первому входу которого подключены выход одного сегмента двухсегментного фотоприемника 14 второго датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента двухсегментного фотоприемника 14 второго датчика, излучатели 12, 16 датчиков положения второй инерционной массы 2 подключены к источнику постоянного тока 28.In the proposed micromechanical angular velocity sensor, the first and second inertial masses 1, 2 are placed on the elastic suspension elements 3, 4 in the carrier frame 5 in the gap between two permanent magnets 6 with the possibility of linear movement along two mutually perpendicular longitudinal and transverse axes in a plane parallel to the base 7, and is made of single-crystal silicon in the form of a plate with rectangular optical slots 8, 9. Magnets 6 are mounted on the base 7 and the cover 10. The first position sensors of each inertial mass 1, 2 flaxen in the form of pairs consisting of emitters 11, 12 and two-segment photodetectors 13, 14, the optical axis of which pass through the optical slots 8, 9, emitters 11, 12 and two-segment photodetectors 13, 14 are fixed to the base 7 and the cover 10. Second position sensors made in the form of pairs consisting of emitters 15.16 and photodetectors 17, 18, the optical axis of which pass near the edge of the inertial masses 1, 2. Emitters 11, 12, 15, 16 and photodetectors 13, 14, 17, 18 of both position sensors each inertial mass 1, 2 are fixed in the holes on the base 7 and the cover 10, with tvetstvenno. On the surface of each inertial mass 1, 2 parallel to the transverse axis are sprayed conductive tracks 19, 20, the beginnings of which are interconnected by conductive tires 21, 22, and the ends are connected by conductive tires 23, 24. Conductive tires 21, 23 by current leads 25, 26 through elastic elements the suspension 3 of the first inertial mass 1 is connected to the output of the key 27, to the first input of which a DC source 28 is connected, and the output of the first comparator 29 is connected to the second input, the output of one segment of the two-segment is connected to its first input photodetector 13 of the first sensor, and the output of the second segment is connected to the second input. The emitters 11, 15 of the position sensors of the first inertial mass 1 are connected to a constant current source 28, the conductive busbars 22, 24 of the second inertial mass 2 by current leads 30, 31 through the elastic suspension elements 4 of the second inertial mass 2 are connected to the output of the second key 32, to the first input of which a DC source 28 is connected, and the output of the second comparator 33 is connected to the second input, the output of one segment of the two-segment photodetector 14 of the second sensor is connected to the first input, and the output of the second is connected to the second input egmenta two-segment photodetector 14, a second sensor radiators 12, position sensor 16 of the second inertial mass 2 is connected to a DC source 28.
Излучатели 11, 12, 15, 16 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых светодиодов КИПД80 В.The emitters 11, 12, 15, 16 can be made, for example, based on commercially available KIPD80 V.
Фотоприемники 17, 18 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых фотоприемников МГ-32.Photodetectors 17, 18 can be made, for example, based on mass-produced MG-32 photodetectors.
Двухсегментные фотоприемники 13, 14 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых оптронов VO0630T [Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М: Радио и связь, 1991].Two-segment photodetectors 13, 14 can be made, for example, based on commercially available optocouplers VO0630T [Password N.V., Kaydalov S.A. Photosensitive devices and their application: Handbook. M: Radio and communication, 1991].
Компараторы 29, 33 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) 521СА2.Comparators 29, 33 can be performed, for example, on the basis of a commercially available microcircuit (comparator) 521CA2.
Ключи 27, 32 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемого транзистора ГТ108.The keys 27, 32 can be performed, for example, on the basis of the commercially available transistor GT108.
Источник постоянного тока 28 может быть представлен любой типовой схемой, удовлетворяющей заданным параметрам питания токопроводящих дорожек 19, 20. [Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Н.Дулина, М.С.Жука. М: Энергия, 1977].The direct current source 28 can be represented by any typical circuit that meets the specified parameters of the power supply of conductive paths 19, 20. [Reference to the elements of electronic devices. Ed. V.N.Dulina, M.S. Zhuka. M: Energy, 1977].
Микромеханический датчик угловой скорости работает следующим образом:The micromechanical angular velocity sensor operates as follows:
Микромеханический датчик угловой скорости устанавливают на объект для измерения угловой скорости с учетом того, что ось чувствительности ортогональна плоскости основания 7 и проходит через его центр. В исходном состоянии первый излучатель 11 через первую оптическую щель 8 открыт для первого сегмента первого двухсегментного фотоприемника 13, а для второго его сегмента - закрыт. В результате, на выходе первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника появляется сигнал, который направляется на первый вход первого компаратора 29, выходное напряжение которого управляет первым ключом 27, который подключает источник постоянного тока 28 к первым токопроводящим дорожкам 19 через первую и третью токопроводящие шины 21, 23, первый и второй токоподводы 25, 26. В результате создания магнитного поля k токопроводяшими дорожками 19, имеющими длину l, при подаче на них электрического тока и взаимодействия этого магнитного поля с магнитным полем постоянных магнитов 6, имеющим индукцию , возникает сила , действующая на инерционную массу 1 по продольной оси и равнаяA micromechanical angular velocity sensor is mounted on an object for measuring angular velocity, taking into account that the sensitivity axis is orthogonal to the plane of the base 7 and passes through its center. In the initial state, the first emitter 11 through the first optical slot 8 is open for the first segment of the first two-segment photodetector 13, and for the second segment it is closed. As a result, a signal appears at the output of the first segment of this two-segment photodetector, which is sent to the first input of the first comparator 29, the output voltage of which controls the first switch 27, which connects the DC source 28 to the first conductive tracks 19 through the first and third conductive buses 21, 23 , the first and second current leads 25, 26. As a result of the creation of a magnetic field k conductive paths 19 having a length l, when applying electric current to them and the interaction of this magnetic field with a magnetic field of permanent magnets 6 having induction , there is a force acting on the inertial mass 1 along the longitudinal axis and equal to
. .
Инерционная масса 1 под действием силы перемещается по продольной оси, при этом первый излучатель 11 через первую оптическую щель 8 становится открыт для второго сегмента первого двухсегментного фотоприемника 13 и закрыт для первого его сегмента. Вследствие этого с выхода первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника сигнал поступать перестает, а на выходе второго его сегмента появляется сигнал. Этот сигнал направляется на второй вход первого компаратора 29, выходной сигнал которого направляется на первый ключ 27, что приводит к переключению им направления тока в токопроводящих дорожках 19. Далее процесс переключения повторяется, и инерционная масса 1 совершает автоколебания по продольной оси.Inertial mass 1 by force moves along the longitudinal axis, while the first emitter 11 through the first optical slot 8 becomes open to the second segment of the first two-segment photodetector 13 and is closed to its first segment. As a result, the signal stops coming from the output of the first segment of this two-segment photodetector, and a signal appears at the output of its second segment. This signal is sent to the second input of the first comparator 29, the output signal of which is sent to the first key 27, which leads to the switching of the current direction in the conductive tracks 19. Then, the switching process is repeated, and the inertial mass 1 self-oscillates along the longitudinal axis.
В исходном состоянии второй излучатель 12 через вторую оптическую щель 9 открыт для первого сегмента второго двухсегментного фотоприемника 14, а для второго его сегмента - закрыт. В результате, на выходе первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника появляется сигнал, который направляется на первый вход второго компаратора 33, выходное напряжение которого управляет вторым ключом 32, который подключает источник постоянного тока 28 ко вторым токопроводящим дорожкам 20 через вторую и четвертую токопроводящие шины 22, 24, третий и четвертый токоподводы 30, 31. Инерционная масса 2 перемещается по продольной оси, при этом второй излучатель 12 через вторую оптическую щель 9 становится открыт для второго сегмента второго двухсегментного фотоприемника 14 и закрыт для первого его сегмента. Вследствие этого с выхода первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника сигнал поступать перестает, а на выходе второго его сегмента появляется сигнал. Этот сигнал направляется на второй вход второго компаратора 33, выходной сигнал которого направляется на второй ключ 32, что приводит к переключению им направления тока в токопроводящих дорожках 19. Далее процесс переключения повторяется, и инерционная масса 2 совершает автоколебания по продольной оси в противофазе с первой инерционной массой 1.In the initial state, the second emitter 12 through the second optical slot 9 is open for the first segment of the second two-segment photodetector 14, and for the second segment it is closed. As a result, a signal appears at the output of the first segment of this two-segment photodetector, which is sent to the first input of the second comparator 33, the output voltage of which controls the second switch 32, which connects the DC source 28 to the second conductive tracks 20 through the second and fourth conductive buses 22, 24 , the third and fourth current leads 30, 31. The inertial mass 2 moves along the longitudinal axis, while the second emitter 12 through the second optical slot 9 becomes open for the second segment of the second uhsegmentnogo photodetector 14 and closed to its first segment. As a result, the signal stops coming from the output of the first segment of this two-segment photodetector, and a signal appears at the output of its second segment. This signal is sent to the second input of the second comparator 33, the output signal of which is sent to the second key 32, which leads to the switch of the current direction in the conductive paths 19. Then, the switching process is repeated, and the inertial mass 2 self-oscillates along the longitudinal axis in antiphase from the first inertial mass 1.
При воздействии на микромеханический датчик угловой скорости он работает следующим образом. При наличии угловой скорости по оси чувствительности датчика на первую инерционную массу 1, движущуюся по продольной оси со скоростью и имеющую массу m, по поперечной оси действует сила равнаяWhen exposed to a micromechanical angular velocity sensor, it works as follows. In the presence of angular velocity along the axis of sensitivity of the sensor to the first inertial mass 1, moving along the longitudinal axis with speed and having mass m, a force acts along the transverse axis equal
Вследствие действия силы первая инерционная масса 1 совершает автоколебания по поперечной оси, при этом световой поток третьего излучателя 15, поступающий на первый фотоприемник 17, модулируется краем первой инерционной массы 1. Выходной сигнал первого фотоприемника 17 несет информацию об угловой скорости вращения микромеханического датчика угловой скорости .Due to the action of force the first inertial mass 1 self-oscillates along the transverse axis, while the light flux of the third emitter 15 arriving at the first photodetector 17 is modulated by the edge of the first inertial mass 1. The output signal of the first photodetector 17 carries information about the angular velocity of rotation of the micromechanical angular velocity sensor .
При наличии угловой скорости по оси чувствительности датчика вторая инерционная масса 2 совершает автоколебания по поперечной оси в противофазе с первой инерционной массой 1, при этом световой поток четвертого излучателя 16, поступающий на второй фотоприемник 18, модулируется краем второй инерционной массы 2. Выходной сигнал второго фотоприемника 18 несет информацию об угловой скорости вращения микромеханического датчика угловой скорости .In the presence of angular velocity along the sensitivity axis of the sensor, the second inertial mass 2 self-oscillates along the transverse axis in antiphase with the first inertial mass 1, while the light flux of the fourth emitter 16 entering the second photodetector 18 is modulated by the edge of the second inertial mass 2. The output signal of the second photodetector 18 carries information about the angular velocity of rotation of the micromechanical angular velocity sensor .
Дополнительным преимуществом микромеханического датчика угловой скорости является возможность измерения ускорения по продольной оси. При воздействии на микромеханический датчик ускорения по продольной оси на первую инерционную массу 1 по продольной оси будет действовать сила инерции. Это приводит к смещению центра колебаний первой инерционной массы 1. В итоге данные явления приведут к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе первого ключа 27 (фиг.2б). Аналогичным образом, но в противофазе произойдет смещение центра колебаний второй инерционной массы 2, что приведет к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе второго ключа 32.An additional advantage of the micromechanical angular velocity sensor is the ability to measure acceleration along the longitudinal axis. When exposed to a micromechanical acceleration sensor along the longitudinal axis, the inertial mass will act on the first inertial mass 1 along the longitudinal axis. This leads to a shift of the center of oscillation of the first inertial mass 1. As a result, these phenomena will lead to a change in the duration of the rectangular pulses at the output of the first key 27 (Fig.2b). Similarly, but in antiphase, the center of oscillation of the second inertial mass 2 will shift, which will lead to a change in the duration of the rectangular pulses at the output of the second key 32.
По изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе первого и второго ключа 27 и 32 можно определить измеряемое ускорение по продольной оси.By changing the duration of the rectangular pulses at the output of the first and second keys 27 and 32, it is possible to determine the measured acceleration along the longitudinal axis.
Повышение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний и уменьшении вследствие этого вредных моментов, действующих на первую и вторую инерционные массы 1 и 2.Improving the accuracy of measurements is achieved by introducing a mode of self-oscillations and reducing as a result of this harmful moments acting on the first and second inertial masses 1 and 2.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата при осуществлении изобретения в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве основание и крышка, несущая рама, первая и вторая инерционные массы с прямоугольными оптическими щелями и токопроводяшими дорожками, упругие элементы подвеса, первый и второй датчики положения каждой инерционной массы, два постоянных магнита, первый и второй ключи, первый и второй компараторы, источник постоянного тока могут быть эффективно использованы для измерения угловой скорости.The set of essential features of the invention ensures the achievement of a technical result in the implementation of the invention due to the fact that the base and cover contained in the claimed device, the supporting frame, the first and second inertial masses with rectangular optical slots and conductive tracks, elastic suspension elements, the first and second position sensors of each inertial mass, two permanent magnets, first and second keys, first and second comparators, a direct current source can be effectively used for For measuring angular velocity.
Таким образом приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:Thus, the above information proves that when implementing the claimed invention, the following conditions are met:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике, а именно в угловых акселерометрах для измерения углового ускорения, например в инерциальных системах навигации;- a tool embodying the proposed device in its implementation, is intended for use in measuring equipment, namely in angular accelerometers for measuring angular acceleration, for example in inertial navigation systems;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;- for the claimed invention in the form described in the independent claim, the possibility of its implementation using the means described before the filing date of the application has been confirmed;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to provide the specified technical result.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "industrial applicability".
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009124889/28A RU2410701C1 (en) | 2009-06-29 | 2009-06-29 | Micromechanical sensor of angular speed |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009124889/28A RU2410701C1 (en) | 2009-06-29 | 2009-06-29 | Micromechanical sensor of angular speed |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2410701C1 true RU2410701C1 (en) | 2011-01-27 |
Family
ID=46308552
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009124889/28A RU2410701C1 (en) | 2009-06-29 | 2009-06-29 | Micromechanical sensor of angular speed |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2410701C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2602407C1 (en) * | 2015-07-20 | 2016-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Micromechanical sensor of angular velocity with digital output |
RU2806242C1 (en) * | 2023-09-06 | 2023-10-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor |
-
2009
- 2009-06-29 RU RU2009124889/28A patent/RU2410701C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2602407C1 (en) * | 2015-07-20 | 2016-11-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения" | Micromechanical sensor of angular velocity with digital output |
RU2806242C1 (en) * | 2023-09-06 | 2023-10-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7316161B2 (en) | Rotation rate sensor | |
KR100393183B1 (en) | An apparatus for electrostatically driving a microactuator | |
JP4620055B2 (en) | Method for measuring rotational speed / acceleration using a Coriolis angular velocity meter and a Coriolis angular velocity meter for this purpose | |
JP2007304099A (en) | Use of electrode for negating lift effect of inertial sensor | |
CN109444466B (en) | FM inertial sensor and method for operating an FM inertial sensor | |
CN101109635A (en) | Micro-mechanical gyroscope based on tunneling effect | |
JP2001264072A (en) | Angular velocity sensor | |
KR20100109456A (en) | Mems gyroscope magnetic sensitivity reduction | |
RU2410701C1 (en) | Micromechanical sensor of angular speed | |
RU2410703C1 (en) | Linear microaccelerometre | |
RU2399915C1 (en) | Angular accelerometre | |
Yang et al. | A novel bulk micromachined gyroscope based on a rectangular beam-mass structure | |
EP1682854B1 (en) | Modulation method for signal crosstalk mitigation in electrostatically driven devices | |
RU155046U1 (en) | THREE-COMPONENT ANGULAR SPEED MEASURER BASED ON A SPHERICAL GYROSCOPE WITH ELECTROSTATIC SUSPENSION | |
KR20210053194A (en) | Methods for closed loop operation of capacitive accelerometers | |
RU163835U1 (en) | THREE-COMPONENT ANGULAR SPEED MEASURER BASED ON THE GYROSCOPE OF THE KOVALEV SPHERICAL FORM WITH ELECTROSTATIC SUSPENSION | |
RU2602407C1 (en) | Micromechanical sensor of angular velocity with digital output | |
RU2466354C1 (en) | Microsystem gyroscope | |
RU2561303C1 (en) | Linear microaccelerometer | |
RU2158903C1 (en) | Gyroscope-accelerometer with electrostatic suspension of rotor | |
JP2013108929A (en) | Vibration type gyro with high accuracy | |
JP2000131072A (en) | Capacity change detection circuit device | |
RU2509307C1 (en) | Linear accelerometer | |
RU2393428C1 (en) | Compensation-type micromechanical gyroscope | |
JP4834092B2 (en) | Angular velocity sensor |