RU2649226C1 - Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа - Google Patents
Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649226C1 RU2649226C1 RU2016147450A RU2016147450A RU2649226C1 RU 2649226 C1 RU2649226 C1 RU 2649226C1 RU 2016147450 A RU2016147450 A RU 2016147450A RU 2016147450 A RU2016147450 A RU 2016147450A RU 2649226 C1 RU2649226 C1 RU 2649226C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gap
- capacitance
- voltage
- electrodes
- code
- Prior art date
Links
- 230000010360 secondary oscillation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
- G01C19/5614—Signal processing
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в частности к устройству для измерения зазора между неподвижными электродами и подвижной массой (ПМ). Устройство для измерения зазора между неподвижными электродами канала вторичных колебаний и ПМ в микромеханическом гироскопе RR-типа включает в себя ПМ, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и ПМ, два преобразователя емкость-напряжение (код), входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, и дополнительно введенное вычислительное устройство, реализующее функцию вида , входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код), где V1, V2 - сигналы на выходе соответственно первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код). Технический результат – повышение точности работы ММГ при работе в жестких условиях. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области микромеханики, в частности к вибрационным микромеханическим гироскопам (ММГ) RR-типа.
ММГ этого типа содержат подвижную массу (ПМ) и электроды, которые образуют электростатический задатчик силы и датчик перемещения, систему возбуждения колебаний ПМ чувствительного элемента (ЧЭ) по оси первичных колебаний и систему измерения перемещения ПМ по оси вторичных колебаний.
Подробно работа вибрационных ММГ описана в литературе [1, 2].
На точность измерения угловой скорости ММГ RR-типа влияет изменение зазора между ПМ и электродами, от которого зависит величина масштабного коэффициента ММГ. При работе ММГ в жестких условиях, т.е. при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне (100-150°С), вибрациях и ударах, может происходить изменение величины зазора.
В общем виде текущая величина зазора d определяется:
d=d0+Δd,
где d0 - номинальный зазор между ПМ и неподвижными электродами емкостного датчика по оси вторичных колебаний; Δd - величина изменения зазора при внешних воздействиях.
Существуют различные способы и устройства для определения зазора между электродами и ПМ ММГ, которые в совокупности образуют дифференциальный датчик по оси вторичных колебаний.
Один из способов измерения зазора между электродами и ПМ ММГ описан в [3] и заключается в первоначальном измерении величины электрической емкости между ПМ и одним из электродов; перемещении ПМ до ее касания с основанием, на котором расположен электрод; измерении величины указанной емкости в этом положении; вычислении рабочего зазора по соотношению (1) из [3].
Недостатком этого способа является то, что величина зазора определяется на этапе сборки ММГ и не учитывает изменение зазора при функционировании ММГ.
Известно устройство, описанное в работе [4], которое близко по своему составу к предложенному и содержит: генератор переменного напряжения, соединенный с проводящей ПМ; электроды емкостного датчика, расположенного по оси вторичных колебаний; преобразователи ток-напряжение в виде трансрезистивных усилителей на операционных усилителях с резисторами, включенными между выходом и инвертирующим входом операционных усилителей; аналого-цифровой преобразователь и процессор.
Данное устройство позволяет измерять перемещение ПМ, но не решает задачу определения зазора.
В качестве прототипа выбрано устройство, описанное в работе [5]
Этот ММГ содержит подвижную массу на резонансном подвесе; дифференциальный емкостный датчик, образованный электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, и подвижной массой; дополнительные электроды, расположенные по оси вторичных колебаний; источник напряжения, соединенный с одним из дополнительных электродов; преобразователь емкость-напряжение, вход которого соединен с электродами дифференциального емкостного датчика. В ММГ введено вычислительное устройство, входы которого соединены с выходами источника напряжения и преобразователя емкость-напряжение. Это вычислительное устройство формирует напряжение, поступающее к электроду задатчика силы, измеряет напряжение с выхода преобразователя емкость-напряжение и преобразует его в сигнал, пропорциональный величине зазора.
Недостатком прототипа является то, что величина зазора определяется при отсутствии внешних воздействий, и при определении зазора ММГ не функционирует по своему прямому назначению. Поэтому оно не может быть использовано для диагностики изменения характеристик ММГ в процессе работы, реализации алгоритмов управления положением ПМ и преобразования сигналов в ММГ для повышения точности ММГ при работе последнего в жестких условиях.
Задачей изобретения является повышение точности устройства для измерения зазора между неподвижными электродами емкостного датчика по оси вторичных колебаний и ПМ (далее - зазора) в микромеханическом гироскопе RR-типа.
Техническим результатом предлагаемого устройства является возможность измерения текущей величины зазора с учетом его изменения при внешних воздействиях (ускорениях, вибрациях, температурных изменениях).
Это позволяет формировать путем преобразования сигнала с выхода предлагаемого устройства поправки к выходному сигналу ММГ, повышающие его точность, контролировать изменения зазора, вызванные внешними воздействиями, и в определенной степени получать информацию о внешних воздействиях на ММГ.
В качестве возможного использования предлагаемого устройства, в котором измеряется текущее значение зазора, можно указать системы подстройки резонансной частоты (см. [2] стр. 220-221, выражение 8.7 и выражение 5.8 на стр. 114). Измерение текущего зазора позволяет вводить поправки в сигналы управления и измерения соответствующих систем ММГ для повышения точности работы ММГ при работе в жестких условиях.
Технический результат достигается тем, что в ММГ RR-типа, включающем в себя ПМ на резонансном подвесе, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и ПМ, два преобразователя емкость-напряжение (код), входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, введено вычислительное устройство, реализующее функцию вида , входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователя емкость-напряжение (код). Функция вида получена из приведенных ниже выражений 1-4.
Более подробно электродная структура ММГ RR-типа описана в [6].
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - основание;
2 - упругий подвес;
3 - проводящая ПМ на резонансном подвесе (далее - ПМ);
4 - источник напряжения переменного тока, подаваемого на ПМ;
5, 6 - неподвижные электроды емкостного датчика по оси вторичных колебаний, расположенные на крышке ММГ над ПМ (далее - неподвижные электроды);
7, 8 - преобразователи емкость-напряжение (код) (далее - ПЕН);
9 - вычислительное устройство, реализующее функцию вида , где V1, V2 - сигналы на выходе, соответственно, первого и второго ПЕН.
Источник переменного тока 4 соединен с основанием 1, к которому с помощью упругих подвесов 2 подвешена ПМ 3, являющаяся подвижным электродом. На крышке ММГ расположены неподвижные электроды 5, 6, которые соединены с соответствующими ПЕН 7, 8. Выходы с ПЕН соединены с вычислительным устройством 9, реализующим функцию вида .
На неподвижных электродах 5, 6 формируют напряжения переменного тока с амплитудой V, полученные емкости C1 конденсатора, образованного ПМ и одним из неподвижных электродов датчика, и С2 конденсатора, образованного ПМ и вторым неподвижным электродом датчика, преобразуют в напряжение (код).
Выходной сигнал с ПЕН 7 будет пропорционален значению емкости C1 и в соответствии с формулой 8 [7] будет зависеть от угла поворота α ПМ вокруг оси вторичных колебаний под действием сил Кориолиса и величины зазора d:
где - V1 - сигнал на выходе первого ПЕН; V и ω - амплитуда и угловая частота соответственно напряжения тока, подаваемого на ПМ; R - сопротивление резистора ПЕН; ε - диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме ε=1); ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума, равная 8,85⋅10-12; S1 - площадь первого неподвижного электрода; r - радиус электрода.
Для второго преобразователя ПЕН 8 аналогично в соответствии с формулой 9 [7]:
где - V2 - сигнал на выходе второго ПЕН; S2 - площадь второго неподвижного электрода;
Исходя из предположения, что S1=S2=S, дальнейшее сложение и умножение выходных сигналов V1, V2 и последующее деление суммы на произведение приведет к следующему выражению:
Из выражения (3) получаем формулу для определения текущей величины зазора d:
Таким образом, в предложенном устройстве текущая величина зазора определяется с помощью вычислительного устройства 9.
Пример структуры ПЕН может быть представлен в виде схемы, приведенной на фиг. 2, где приняты следующие обозначения:
4 - источник напряжения переменного тока V, подаваемого на ПМ;
10 - конденсатор С1, образованный ПМ и одним из неподвижных электродов емкостного датчика по оси вторичных колебаний;
11 - резистор R1;
12 - операционный усилитель ОУ;
13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Другие варианты ПЕН могут быть выполнены в соответствии с [8].
Техническая реализация ПЕН не влияет на суть работы предлагаемого устройства.
Достижение технического результата изобретения подтверждено математическим моделированием.
Литература
1. В.Я. Распопов. Микромеханические приборы. // Учебное пособие. Тул. гос. университет. Тула, 2002, 392 с.
2. Cenk Acar, Andrei Shkel. MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness. Springer Science+Business Media, LLC, 2009, 256 c.
3. Патент РФ №2324894.
4. Патент РФ №229630.
5. Патент РФ №2338997.
6. Некрасов Я.А., Павлова С.В., Моисеев Н.В. Оптимизация электродной структуры микромеханического гироскопа RR-типа. // Материалы 20-й Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам, 2015, с. 294-298.
7. Евстифеев М.И., Ковалев А.С., Елисеев Д.П. Исследование электромеханической модели микромеханического гироскопа RR-типа с учетом вибраций основания. //Гироскопия и навигация, №3 (82), 2013.
8. Arashk Norouzpour-Shirazi. Interface Circuits and Systems for Inertial Sensors. //Tutorials of IEEE Sensors, 2013.
Claims (1)
- Устройство для измерения зазора между электродами канала вторичных колебаний и подвижной массой в микромеханическом гироскопе RR-типа, включающее в себя подвижную массу (ПМ) на резонансном подвесе, дифференциальный емкостный датчик, образованный двумя расположенными по оси вторичных колебаний неподвижными электродами и подвижной массой, два преобразователя емкость-напряжение (код), входы которых соединены с соответствующими электродами емкостного датчика, отличающееся тем, что дополнительно введено вычислительное устройство, реализующее функцию вида , входы которого соединены с выходами первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код), где V1, V2 - сигналы на выходе соответственно первого и второго преобразователей емкость-напряжение (код).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016147450A RU2649226C1 (ru) | 2016-12-02 | 2016-12-02 | Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016147450A RU2649226C1 (ru) | 2016-12-02 | 2016-12-02 | Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2649226C1 true RU2649226C1 (ru) | 2018-03-30 |
Family
ID=61867116
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016147450A RU2649226C1 (ru) | 2016-12-02 | 2016-12-02 | Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2649226C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040035206A1 (en) * | 2002-03-26 | 2004-02-26 | Ward Paul A. | Microelectromechanical sensors having reduced signal bias errors and methods of manufacturing the same |
RU2296301C1 (ru) * | 2005-09-23 | 2007-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и устройство для реализации данного способа |
RU2338997C2 (ru) * | 2006-07-13 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Способ измерения зазора между электродами и подвижной массой микромеханического устройства и устройство для его реализации |
RU2447403C1 (ru) * | 2010-12-07 | 2012-04-10 | Яков Анатольевич Некрасов | Микромеханический гироскоп |
-
2016
- 2016-12-02 RU RU2016147450A patent/RU2649226C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20040035206A1 (en) * | 2002-03-26 | 2004-02-26 | Ward Paul A. | Microelectromechanical sensors having reduced signal bias errors and methods of manufacturing the same |
RU2296301C1 (ru) * | 2005-09-23 | 2007-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и устройство для реализации данного способа |
RU2338997C2 (ru) * | 2006-07-13 | 2008-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Способ измерения зазора между электродами и подвижной массой микромеханического устройства и устройство для его реализации |
RU2447403C1 (ru) * | 2010-12-07 | 2012-04-10 | Яков Анатольевич Некрасов | Микромеханический гироскоп |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3353557B1 (en) | Improved microelectromechanical accelerometer device | |
JP2018531377A6 (ja) | 改良型微小電気機械加速度測定装置 | |
JP5259598B2 (ja) | 微小電気機械センサ及び微小電気機械センサの操作方法 | |
Momen et al. | A 3-axis MEMS capacitive accelerometer free of cross axis sensitivity | |
RU2580871C1 (ru) | Камертонный микрогироскоп | |
RU2301970C1 (ru) | Микромеханический гироскоп вибрационного типа | |
RU2649226C1 (ru) | Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа | |
RU2566655C1 (ru) | Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоэлектронный акселерометр для его реализации | |
RU2568147C1 (ru) | Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией | |
Baranova et al. | Simulation of translational vibrations effect on torque-to-balance RR-type MEMS gyroscope | |
Tavakoli et al. | Designing a new high performance 3-axis MEMS capacitive accelerometer | |
Trinh et al. | Design and analysis of a z-axis tuning fork gyroscope with guided-mechanical coupling | |
RU2296301C1 (ru) | Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и устройство для реализации данного способа | |
Li et al. | Open–loop operating mode of micromachined capacitive accelerometer | |
Langfelder et al. | Microelectromechanical systems integrating motion and displacement sensors | |
RU2338997C2 (ru) | Способ измерения зазора между электродами и подвижной массой микромеханического устройства и устройство для его реализации | |
Wang et al. | Dynamic analysis of the resonator for resonant accelerometer | |
RU2692122C1 (ru) | Твердотельный датчик линейных ускорений | |
RU2626570C1 (ru) | Микромеханический гироскоп RR-типа | |
Zając et al. | Coupled electro-mechanical simulation of capacitive MEMS accelerometer for determining optimal parameters of readout circuit | |
Langfelder et al. | MEMS integrating motion and displacement sensors | |
EP3001211B1 (en) | Resonant magnetic field sensor | |
Singh et al. | Design and analysis of high resonant frequency (1 MHz) MEMS accelerometer | |
RU2471149C2 (ru) | Микромеханический гироскоп компенсационного типа | |
Ocak | A tactical grade MEMS acceleroemeter |