RU2686441C1 - Микромеханический гироскоп - Google Patents

Микромеханический гироскоп Download PDF

Info

Publication number
RU2686441C1
RU2686441C1 RU2018137747A RU2018137747A RU2686441C1 RU 2686441 C1 RU2686441 C1 RU 2686441C1 RU 2018137747 A RU2018137747 A RU 2018137747A RU 2018137747 A RU2018137747 A RU 2018137747A RU 2686441 C1 RU2686441 C1 RU 2686441C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
digital
analog
output
converter
synchronous detector
Prior art date
Application number
RU2018137747A
Other languages
English (en)
Inventor
Тамара Георгиевна Нестеренко
Павел Фёдорович Баранов
Ван Хао Ло
Дык Бьен Буй
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority to RU2018137747A priority Critical patent/RU2686441C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2686441C1 publication Critical patent/RU2686441C1/ru

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
    • G01C19/5607Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
    • G01C19/5621Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks the devices involving a micromechanical structure

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания. Сущность изобретения заключается в том, что в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, вторым, третьим и четвертым цифроаналоговыми преобразователями. Технический результат – повышение быстродействия микромеханического гироскопа. 2 ил.

Description

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.
Известен микромеханический гироскоп [RU №2279634, МПК G01C 19/56, опубл. 10.07.2006], с непрерывной стабилизацией первичных колебаний за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты, длительными переходными процессами и как следствие обладающий невысоким быстродействием. Термозависимые характеристики системы фазовой автоподстройки частоты уменьшают стабильность амплитуды, частоты первичных колебаний и, как следствие, стабильность масштабного коэффициента микромеханического гироскопа.
Из патента RU №2656119 [МПК G01C 19/56 опубл. 30.05.2018], известен микромеханический гироскоп (прототип) который содержит подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний. Система возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа содержит подвижные электроды двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенные в общей точке, к которой последовательно подключены преобразователь ток-напряжение, синхронный детектор, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, который соединен с первым, вторым и третьим цифро-аналоговыми преобразователями. Выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом синхронного детектора. Выход второго цифро-аналогового преобразователя через первый усилитель подключен к неподвижным электродам первого конденсатора гребенчатого двигателя. Выход третьего цифро-аналогового преобразователя подсоединен через второй усилитель к неподвижным электродам второго конденсатора гребенчатого двигателя.
К достоинствам прототипа следует отнести стабильность масштабного коэффициента, увеличенную за счет использования в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний синхронного детектирования синфазной и квадратурной составляющих в суммарном токе, протекающем через электроды гребенчатого двигателя, с последующим расчетом собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа. Существенным недостатком прототипа является двухтактная реализация возбуждения и стабилизации первичных колебаний, следствием чего является недостаточно высокое быстродействие и точность стабилизации частоты первичных колебаний.
Технической проблемой, которую решает данное изобретение, является повышение быстродействия микромеханического гироскопа.
Технический результат достигается тем что, в микромеханическом гироскопе, содержащем подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний, состоящую из подвижных электродов двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенных в общей точке, и последовательно подключенного к ним преобразователя ток-напряжение, а также синхронного детектора, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и усилителя, в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, и второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, со вторым, с третьим и с четвертым цифро-аналоговыми преобразователями, при этом выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом первого синхронного детектора, выход второго цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом второго синхронного детектора, выход третьего цифро-аналогового преобразователя соединен через первый усилитель с неподвижным электродом первого конденсатора гребенчатого двигателя, выход четвертого цифро-аналогового преобразователя соединен через второй усилитель с неподвижным электродом второго конденсатора гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.
Использование в микромеханическом гироскопе в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний двух ветвей: синхронный детектор - фильтр нижних частот - аналого-цифровой преобразователь для синхронного детектирования синфазной и квадратурной составляющих в суммарном токе, протекающем через электроды гребенчатого двигателя, с последующим расчетом собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа, позволяет за один такт измерений реализовать возбуждение и стабилизацию первичных колебаний, что увеличивает быстродействие работы микромеханического гироскопа в два раза.
Изобретение поясняется следующими чертежами. На Фиг. 1 изображена конструкция микромеханического гироскопа. На Фиг. 2 представлена структурная схема системы возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит подвижную массу 1, выполненную в виде диска, который подвижен относительно основания 2. Подвижная масса 1 установлена на основании с помощью упругих элементов 3. Упругие элементы 3 жестко прикреплены одними концами к подвижной массе 1, а другими концами - к основанию 2. Упругие элементы 3 размещены в микромеханическом гироскопе с возможностью совершения угловых первичных колебаний подвижной массы 1 вокруг оси Z, перпендикулярной плоскости подвижной массы и вторичных колебаний подвижной массы вокруг осей X и Y в плоскости подвижной массы. На основании 2 с противоположных сторон закреплены неподвижные электроды 4, образующие с электродами, закрепленными на нижней поверхности подвижной массы 1, плоские конденсаторы, которые являются емкостными датчиками вторичных угловых колебаний подвижной массы 1 относительно основания 2. К выходу емкостного датчика подключена система съема выходной информации.
На подвижной массе 1 с двух противоположных сторон выполнены подвижные гребенчатые электроды 5, 6, образующие с неподвижными гребенчатыми электродами 7, 8 соответственно конденсаторы 9, 10 (Фиг. 2) электростатического гребенчатого двигателя.
Подвижные электроды 5, 6 конденсаторов 9, 10 гребенчатого двигателя соединены между собой в общей точке, к которой последовательно подключен преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН). Преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) последовательно через первый синхронный детектор 12 (СД1), первый фильтр нижних частот 13 (ФНЧ1), первый аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП1) соединен с микроконтроллером 15 (МК), так же преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) последовательно через второй синхронный детектор 16 (СД2), второй фильтр нижних частот 17 (ФНЧ2), второй аналого-цифровой преобразователь 18 (АЦП2) соединен с микроконтроллером 15 (МК). Микроконтроллер 15 (МК) соединен с первым цифро-аналоговым преобразователем 19 (ЦАП1), со вторым цифро-аналоговым преобразователем 20 (ЦАП2), с третьим цифро-аналоговым преобразователем 21 (ЦАП3) и с четвертым цифро-аналоговым преобразователем 22 (ЦАП4). Выход первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1) соединен со вторым входом первого синхронного детектора 12 (СД1). Выход второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2) соединен со вторым входом второго синхронного детектора 16 (СД2). Выход третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) подсоединен через первый усилитель 23 (У1) к неподвижным электродам 7 конденсатора 9 гребенчатого двигателя. Выход четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) подсоединен через второй усилитель 24 (У2) неподвижным электродам 8 конденсатора 10 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.
Преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) может быть выполнен по типовой схеме преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе. В качестве синхронных детекторов 12 (СД1) и 16 (СД2) могут использоваться любые аналоговые перемножители, например, AD734. Фильтры нижних частот 13 (ФНЧ1) и 17 (ФНЧ2) могут быть выполнены по схеме активного фильтра Бесселя нижних частот третьего порядка на частоту среза 0,1 Гц. В качестве аналого-цифровых преобразователей 14 (АЦП1) и 18 (АЦП2) могут быть использованы любые сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи. Может быть использован любой 32-битный микроконтроллер 15 (МК). В качестве цифро-аналоговых преобразователей 19 (ЦАП1), 20 (ЦАП2), 21 (ЦАП3) и 22 (ЦАП4) могут быть использованы любые 14-битный цифро-аналоговые преобразователи с частотой дискретизации не менее, чем в 100 раз больше частоты возбуждения первичных колебаний микромеханического гироскопа. Усилители 23 (У1) и 24 (У2) могут выполнены на любых операционных усилителях, например, ОР270.
Устройство работает следующим образом.
Микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1) по закону:
Figure 00000001
где Urm - амплитуда напряжения на выходе первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1), В; ω - частота напряжения, рад/с.
Одновременно микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2) по закону:
Figure 00000002
третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) по закону:
Figure 00000003
четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) по закону:
Figure 00000004
где Um - амплитуда напряжения, В; U0 - постоянное напряжение смещения, В.
Напряжение U1(t) с выхода третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) поступает на вход первого усилителя 23 (У1) и усиливается. Усиленное напряжение U1(t) с выхода первого усилителя 23(У1) поступает на конденсатор 9 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа. На конденсатор 10 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа поступает напряжение с выхода четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4), усиленное вторым усилителем 24 (У2). В результате, через конденсаторы 9, 10 гребенчатого двигателя начинает протекать ток, который поступает на вход преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) и преобразуется в пропорциональное напряжение. Напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) поступает на первый вход первого синхронного детектора 12 (СД1), на второй вход которого поступает напряжение с первого цифро-аналогового преобразователя 9 (ЦАП1). Напряжение с выхода синхронного детектора 12 (СД) фильтруется первым фильтром нижних частот 13 (ФНЧ1) и оцифровывается первым аналого-цифровым преобразователем 14 (АЦП1). Оцифрованное напряжение Up, пропорциональное синфазной составляющей суммарного тока, протекающего через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, передается и запоминается в микроконтроллере 15 (МК).
Параллельно напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) поступает на первый вход второго синхронного детектора 16 (СД2), на второй вход которого поступает напряжение со второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2). Напряжение с выхода второго синхронного детектора 16 (СД2) фильтруется вторым фильтром нижних частот 17 (ФНЧ2) и оцифровывается вторым аналого-цифровым преобразователем 18 (АЦП2). Оцифрованное напряжение Uq, пропорциональное квадратурной составляющей суммарного тока, протекающего через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, передается и запоминается в микроконтроллере 15 (МК).
Микроконтроллер 15 (МК) рассчитывает фазовый сдвиг ϕ в суммарном токе, протекающем через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, по формуле:
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
где U1 - напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение, В; Е - значение деноминатора, В; Т - время интегрирования, с.
Если фазовый сдвиг не равен 90°, что соответствует максимальной амплитуде первичных колебаний микромеханического гироскопа, то микроконтроллер 15 (МК) рассчитывает собственную резонансную частоту сор первичных колебаний микромеханического гироскопа по формуле:
Figure 00000008
где Q - значение добротности канала первичных колебаний микромеханического гироскопа.
Затем микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс изменяет значение частоты со на выходе третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) и четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) на рассчитанное значение собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа.
Таким образом, за один такт измерений происходит возбуждение и стабилизация первичных колебаний микромеханического гироскопа вокруг оси Z.
При возникновении вращения (угловой скорости) основания 2 вокруг осей X и Y возникают силы Кориолиса, под действием которых подвижная масса 1 начинает совершать вторичные угловые колебания вокруг осей X и Y. Амплитуды этих колебаний, пропорциональные измеряемым угловым скоростям, преобразуются в электрические сигналы при помощи емкостных датчиков, образованных неподвижными пластинами 4, закрепленными на основании 2 и подвижными пластинами, закрепленными на нижней поверхности подвижной массы 1.

Claims (1)

  1. Микромеханический гироскоп, содержащий подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний, состоящую из подвижных электродов двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенных в общей точке, последовательно подключенного к ним преобразователя ток-напряжение, а также синхронного детектора, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и усилителя, отличающийся тем, что в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, вторым, третьим и четвертым цифроаналоговыми преобразователями, при этом выход первого цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом первого синхронного детектора, выход второго цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом второго синхронного детектора, выход третьего цифроаналогового преобразователя соединен через первый усилитель с неподвижным электродом первого конденсатора гребенчатого двигателя, выход четвертого цифроаналогового преобразователя соединен через второй усилитель с неподвижным электродом второго конденсатора гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.
RU2018137747A 2018-10-25 2018-10-25 Микромеханический гироскоп RU2686441C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137747A RU2686441C1 (ru) 2018-10-25 2018-10-25 Микромеханический гироскоп

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018137747A RU2686441C1 (ru) 2018-10-25 2018-10-25 Микромеханический гироскоп

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2686441C1 true RU2686441C1 (ru) 2019-04-25

Family

ID=66314616

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018137747A RU2686441C1 (ru) 2018-10-25 2018-10-25 Микромеханический гироскоп

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2686441C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997045699A2 (en) * 1996-05-31 1997-12-04 The Regents Of The University Of California Micromachined vibratory rate gyroscope
RU2209394C2 (ru) * 2001-08-14 2003-07-27 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа" Микромеханический гироскоп
RU2272994C1 (ru) * 2004-10-01 2006-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Микромеханический гироскоп
RU2279634C2 (ru) * 2004-10-01 2006-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Микромеханический гироскоп
RU2447403C1 (ru) * 2010-12-07 2012-04-10 Яков Анатольевич Некрасов Микромеханический гироскоп
RU2656119C2 (ru) * 2016-11-30 2018-05-31 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Микромеханический гироскоп

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997045699A2 (en) * 1996-05-31 1997-12-04 The Regents Of The University Of California Micromachined vibratory rate gyroscope
RU2209394C2 (ru) * 2001-08-14 2003-07-27 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа" Микромеханический гироскоп
RU2272994C1 (ru) * 2004-10-01 2006-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Микромеханический гироскоп
RU2279634C2 (ru) * 2004-10-01 2006-07-10 Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Микромеханический гироскоп
RU2447403C1 (ru) * 2010-12-07 2012-04-10 Яков Анатольевич Некрасов Микромеханический гироскоп
RU2656119C2 (ru) * 2016-11-30 2018-05-31 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Микромеханический гироскоп

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4166256B2 (ja) コリオリの角速度計の操作方法、および、コリオリの角速度計に適した評価または制御を行う電子装置、および、パルス変調器
WO2011045909A1 (ja) 角速度センサ
CN109813341B (zh) 一种硅微机械陀螺驱动力耦合误差在线自校准系统
JP2004526942A (ja) 容量性センサのアナログ出力信号を処理するための方法および装置
CN106289212B (zh) 用于硅微音叉陀螺的集成测控单元
US7347096B2 (en) Digital accelerometer
EP3146294B1 (en) Stepped sinusoidal drive for vibratory gyroscopes
US8327705B2 (en) Frequency modulated micro-gyro signal processing method and device
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
CN115479595A (zh) 一种半球谐振陀螺分时复用参数辨识系统及方法
RU2686441C1 (ru) Микромеханический гироскоп
RU2344374C1 (ru) Электродная структура для микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп с этой структурой (варианты)
Guo-ming et al. Test and evaluation of a silicon resonant accelerometer implemented in SOI technology
RU2301970C1 (ru) Микромеханический гироскоп вибрационного типа
RU2566655C1 (ru) Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоэлектронный акселерометр для его реализации
RU2656119C2 (ru) Микромеханический гироскоп
RU2296301C1 (ru) Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и устройство для реализации данного способа
RU2289789C1 (ru) Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний
RU175041U1 (ru) Дифференциальный пьезоэлектронный акселерометр
RU2714955C1 (ru) Способ компенсации синфазной помехи в микромеханическом гироскопе
US20140107969A1 (en) Frequency-Modulated Micro-Gyro Half-Period Signal Processing Method
RU2697031C1 (ru) Система управления микромеханического гироскопа
RU2649226C1 (ru) Устройство измерения зазора в микромеханическом гироскопе RR-типа
RU2714870C1 (ru) Микромеханический гироскоп
RU2688880C1 (ru) Акселерометр

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201126

Effective date: 20201126