RU2714870C1 - Micromechanical gyroscope - Google Patents

Micromechanical gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2714870C1
RU2714870C1 RU2019118200A RU2019118200A RU2714870C1 RU 2714870 C1 RU2714870 C1 RU 2714870C1 RU 2019118200 A RU2019118200 A RU 2019118200A RU 2019118200 A RU2019118200 A RU 2019118200A RU 2714870 C1 RU2714870 C1 RU 2714870C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
quadrature
mmg
output
temperature sensor
Prior art date
Application number
RU2019118200A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Владимирович Моисеев
Яков Анатольевич Некрасов
Светлана Владимировна Павлова
Original Assignee
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 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2019118200A priority Critical patent/RU2714870C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2714870C1 publication Critical patent/RU2714870C1/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

Abstract

FIELD: instrument engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of accurate instrument making, in particular to the vibration micromechanical gyroscopes (MMG), which measures the angular velocity. Invention consists in the fact that in MMG with built-in temperature sensor, quadrature electrodes and controlled voltage sources, outputs of which are connected to quadrature electrodes, signal conversion device, which output is connected to inputs of controlled voltage sources, at that output of built-in temperature sensor is connected to input of signal conversion device, signal conversion device realizes functional dependence of voltage on quadrature electrodes compensating for quadrature noise from output signal of built-in temperature sensor.
EFFECT: higher MMG accuracy.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения, в частности к вибрационным микромеханическим гироскопам (ММГ), измеряющим угловую скорость.The invention relates to the field of precision instrumentation, in particular to vibratory micromechanical gyroscopes (MMG), measuring angular velocity.

В этих ММГ проводящая подвижная масса (ПМ) подвешена к опоре, закрепленной на основании с помощью упругого резонансного подвеса. Электроды, расположенные по разным осям подвеса ПМ, обеспечивают измерение перемещений ПМ и формирование сил (моментов) для управления движениями ПМ, в том числе формирование колебаний ПМ по оси первичных колебаний и измерение перемещений ПМ по оси вторичных колебаний. Для возбуждения колебаний ПМ по оси первичных колебаний в ММГ используется электронный блок, называемый блоком возбуждения первичных колебаний на частоте f1 (у современных ММГ f1>10кГц). Для формирования сил, действующих на ПМ, и измерения перемещений ПМ по оси первичных колебаний применяют электроды, которые имеют форму гребенок, при этом одни электроды расположены на ПМ (подвижные электроды), а другие, неподвижные - на основании. Такие электроды называют гребенчатыми.In these MMGs, a conductive moving mass (PM) is suspended from a support fixed to the base using an elastic resonant suspension. The electrodes located on different PM suspension axes provide measurement of PM motions and the formation of forces (moments) for controlling PM motions, including the formation of PM vibrations along the axis of primary vibrations and the measurement of PM motions along the secondary vibrations axis. To excite PM oscillations along the axis of primary oscillations in MMG, an electronic unit is used, called the primary oscillation excitation unit at a frequency f 1 (for modern MMG f 1 > 10 kHz). To form the forces acting on the PM and measure the displacements of the PM along the axis of primary vibrations, electrodes are used that are in the form of combs, while some electrodes are located on the PM (moving electrodes), and others, stationary, on the base. Such electrodes are called comb electrodes.

Колебания ПМ по оси вторичных колебаний имеют место при действии сил Кориолиса, возникающих при вращении основания ММГ вокруг оси чувствительности ММГ. При этом ось чувствительности и оси первичных и вторичных колебаний ортогональны друг другу. Колебания ПМ, обусловленные силой Кориолиса, содержат информацию об измеряемой ММГ угловой скорости Ω, они являются полезными.PM oscillations along the axis of secondary vibrations occur under the action of Coriolis forces arising from the rotation of the MMG base around the MMG sensitivity axis. In this case, the axis of sensitivity and the axis of primary and secondary oscillations are orthogonal to each other. Vibrations of the PM caused by the Coriolis force contain information about the measured angular velocity ΩMM, they are useful.

Эти колебания ПМ измеряются с помощью электродов, расположенных по оси вторичных колебаний, изменения емкостей этих электродов преобразуются в канале вторичных колебаний в сигнал, пропорциональный Ω.These PM oscillations are measured using electrodes located along the axis of the secondary oscillations; changes in the capacitances of these electrodes are converted in the secondary oscillation channel into a signal proportional to Ω.

Однако на них накладываются вредные колебания ПМ, которые вызываются действующими на ПМ силами, обусловленными погрешностями изготовления чувствительного элемента (ЧЭ) ММГ.However, harmful vibrations of PM are superimposed on them, which are caused by forces acting on the PM, due to manufacturing errors of the sensitive element (SE) MMG.

К указанным погрешностям могут быть отнесены отклонения от заданных размеров элементов подвеса ПМ и электродов, наличие остаточного давления в камере ЧЭ и т.д.The indicated errors may include deviations from the given sizes of the PM suspension elements and electrodes, the presence of residual pressure in the CE chamber, etc.

Амплитуда вредных колебаний ПМ может значительно превышать амплитуду колебаний ПМ, обусловленных Ω, что затрудняет измерение полезной составляющей колебаний и соответственно снижает точность ММГ. Вредные колебания ПМ, сдвинутые по фазе по отношению к полезным на ±90°, или силы, ортогональные к силе Кориолиса, называют квадратурной помехой. Для ее подавления используются различные способы, в частности, синхронное детектирование сигналов в канале вторичных колебаний. Для синхронного детектирования используют демодулятор с опорным сигналом, фаза которого совпадает с фазой полезного сигнала. В этом случае выделяется амплитуда полезного сигнала, а квадратурный сигнал преобразуется в высокочастотный сигнал, спектр которого начинается с частоты 2f1. Эта составляющая отфильтровывается фильтром низкой частоты. Однако, если фаза опорного сигнала нестабильна, то подавление квадратурного сигнала демодулятором оказывается недостаточным и в высокоточных ММГ применяют дополнительно различные способы компенсации квадратурной помехи.The amplitude of harmful PM vibrations can significantly exceed the amplitude of PM vibrations caused by Ω, which makes it difficult to measure the useful component of vibrations and, accordingly, reduces the accuracy of MMG. Harmful PM vibrations, phase-shifted relative to useful by ± 90 °, or forces orthogonal to the Coriolis force, are called quadrature noise. To suppress it, various methods are used, in particular, synchronous detection of signals in the channel of secondary vibrations. For synchronous detection, a demodulator with a reference signal is used, the phase of which coincides with the phase of the useful signal. In this case, the amplitude of the useful signal is extracted, and the quadrature signal is converted into a high-frequency signal, the spectrum of which begins with a frequency of 2f 1 . This component is filtered by a low-pass filter. However, if the phase of the reference signal is unstable, then the suppression of the quadrature signal by the demodulator is insufficient and, in high-precision MMGs, various methods of compensating for the quadrature interference are additionally applied.

Подробно работа вибрационных ММГ описана в литературе [1, 2]. В работе [2, стр. 101] описаны способы подавления квадратурной помехи, один из которых заключается в формировании постоянного напряжения определенной величины на так называемых квадратурных электродах.The operation of vibrating MMGs is described in detail in the literature [1, 2]. In [2, p. 101], methods for suppressing quadrature interference are described, one of which is the formation of a constant voltage of a certain magnitude on the so-called quadrature electrodes.

Способы подавления квадратурной помехи в ММГ, в том числе и за счет использования квадратурных электродов, приведены в отечественных и зарубежных публикациях [3-7].Ways to suppress quadrature noise in MMG, including through the use of quadrature electrodes, are given in domestic and foreign publications [3-7].

В ММГ RR-типа квадратурные электроды могут представлять собой плоские электроды в виде секторов, частично расположенных над зубцовой зоной гребенчатых электродов или отверстиями в ПМ [3, 4]. В ММГ LL-типа квадратурные электроды выполняются как гребенчатые со смещенными от центрального положения зубцами [5].In MMR of the RR type, quadrature electrodes can be flat electrodes in the form of sectors partially located above the tooth zone of the comb electrodes or holes in the PM [3, 4]. In MM-type LL-type quadrature electrodes are performed as comb electrodes with teeth displaced from the central position [5].

Если на квадратурных электродах сформировать компенсирующее напряжение UЭ, то за счет изменения площади перекрытия при колебаниях ПМ вдоль оси первичных колебаний между этими электродами и ПМ происходит изменение электростатической силы с частотой первичных колебаний. Эти изменения в зависимости от положения электродов относительно оси чувствительности находятся в фазе или в противофазе с квадратурной помехой, их амплитуда пропорциональна (UЭ)2 [5]. За счет выбора квадратурных электродов и подбора величины UЭ можно сформировать силы электрического поля FЭ (или моменты), которые находятся в противофазе силам (моментам), вызывающим квадратурную помеху в ММГ, и равны им по амплитуде. В этом случае сила FЭ компенсирует силы, вызывающие появление квадратурной помехи.If compensating voltage U E is formed on the quadrature electrodes, then due to a change in the overlap area during PM oscillations along the axis of the primary oscillations, the electrostatic force changes with the primary oscillation frequency between these electrodes and the PM. These changes depending on the position of the electrodes relative to the axis of sensitivity are in phase or out of phase with quadrature noise, their amplitude is proportional to (U E ) 2 [5]. Due to the choice of quadrature electrodes and the selection of U E, it is possible to form electric field forces F E (or moments) that are in antiphase to the forces (moments) that cause quadrature interference in the MMG and are equal in amplitude. In this case, the force F e compensates for the forces causing the appearance of quadrature noise.

Таким образом компенсация квадратурной помехи в описанных выше ММГ, которые являются аналогами предложенного устройства, достигается за счет соединения источника напряжения с квадратурными электродами, при этом величина напряжения, необходимого для подавления квадратурной помехи, выбирается расчетным путем [5, формулы на стр. 10, 11] или экспериментально [фиг. 7 патента 3].Thus, the compensation of the quadrature noise in the MMG described above, which are analogues of the proposed device, is achieved by connecting the voltage source with the quadrature electrodes, while the voltage required to suppress the quadrature noise is selected by calculation [5, formulas on pages 10, 11 ] or experimentally [Fig. 7 of patent 3].

Недостатком аналогов является то, что силы, вызывающие квадратурную помеху в ММГ, могут изменяться при изменении температуры окружающей среды. Это отмечено в работе [2, стр. 101]. Поэтому при выборе фиксированного значения напряжения UЭ компенсация квадратурной помехи во всем диапазоне рабочих температур не обеспечивается, что ухудшает точность ММГ и, соответственно, сужает области применения таких ММГ.The disadvantage of analogues is that the forces causing quadrature interference in the MMG can change with changing ambient temperature. This is noted in [2, p. 101]. Therefore, when choosing a fixed value of voltage U E, compensation for quadrature interference in the entire range of operating temperatures is not provided, which affects the accuracy of MMG and, accordingly, narrows the scope of such MMG.

Известны ММГ со встроенным датчиком температуры (ВДТ) и блоком температурной коррекции (БТК) выходного сигнала, на вход которого поступают сигналы с выхода канала вторичных колебаний и ВДТ [8-11]. Сигнал с выхода канала вторичных колебаний помимо сигнала, пропорционального Ω, содержит зависимую от температуры окружающей среды аддитивную составляющую. Эту составляющую после калибровки ММГ, заключающейся в определении этой составляющей при разных угловых скоростях вращения ММГ и температурах окружающей среды, компенсируют с достижимой погрешностью в БТК.Known MMG with a built-in temperature sensor (VDT) and the temperature correction unit (BTK) of the output signal, the input of which receives signals from the output channel of the secondary oscillations and VDT [8-11]. The signal from the output of the secondary oscillation channel, in addition to the signal proportional to Ω, contains an additive component dependent on the ambient temperature. After calibrating the MMG, this component, which consists in determining this component at different angular velocities of rotation of the MMG and ambient temperatures, is compensated with an achievable error in the BTX.

Известен ММГ с квадратурными электродами и соединенными с ними управляемыми источниками напряжения [6], который выбран в качестве прототипа. Входы для управления источниками напряжения в этом ММГ соединены с устройством преобразования сигнала, зависящего в том числе от зазора (d) между квадратурными электродами и ПМ. Изменение квадратурной помехи, обусловленное изменением температуры окружающей среды в этом ММГ, так же, как и в ММГ по патентам [3-5], приводит к ухудшению их точности.Known MMG with quadrature electrodes and connected to them controlled voltage sources [6], which is selected as a prototype. The inputs for controlling voltage sources in this MMG are connected to a signal conversion device, which also depends on the gap (d) between the quadrature electrodes and the PM. A change in the quadrature interference caused by a change in the ambient temperature in this MMG, as well as in the MMG according to patents [3-5], leads to a deterioration in their accuracy.

Решаемая техническая проблема - уменьшение влияния изменений температуры окружающей среды на степень подавления квадратурной помехи квадратурными электродами.The technical problem to be solved is the reduction of the influence of changes in ambient temperature on the degree of suppression of quadrature interference by quadrature electrodes.

Достигаемый технический результат - повышение точности ММГ.Achievable technical result - improving the accuracy of MMG.

Сущность изобретения заключается в том, что в ММГ со встроенным датчиком температуры, квадратурными электродами и управляемыми источниками напряжения, выходы которых соединены с квадратурными электродами, устройством преобразования сигнала, выход которого соединен со входами управляемых источников напряжения, при этом:The essence of the invention lies in the fact that in MMG with a built-in temperature sensor, quadrature electrodes and controlled voltage sources, the outputs of which are connected to quadrature electrodes, a signal conversion device, the output of which is connected to the inputs of controlled voltage sources, while:

- выход встроенного датчика температуры соединен со входом устройства преобразования сигнала;- the output of the built-in temperature sensor is connected to the input of the signal conversion device;

- устройство преобразования сигнала реализует функциональную зависимость напряжения на квадратурных электродах, компенсирующего квадратурную помеху, от выходного сигнала встроенного датчика температуры.- the signal conversion device implements the functional dependence of the voltage on the quadrature electrodes, compensating for the quadrature noise, from the output signal of the built-in temperature sensor.

Предлагаемое устройство может быть применено как в ММГ RR-, так и LL-типа.The proposed device can be used both in MMR RR- and LL-type.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого ММГ RR-типа, на фиг. 2 - LL-типа, описанный в патенте [5].In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed MMR RR-type, in FIG. 2 - LL-type described in the patent [5].

На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 and 2, the following notation is accepted:

1 - основание, на которое подвешена ПМ;1 - the base on which the PM is suspended;

2 - упругий резонансный подвес (далее - упругий подвес);2 - elastic resonant suspension (hereinafter referred to as elastic suspension);

3 - источник переменного напряжения, подаваемого на ПМ (далее - ИПН);3 - source of alternating voltage supplied to the PM (hereinafter - IPN);

4 - ПМ;4 - PM;

5, 6 - неподвижные гребенчатые электроды датчика угла/датчика перемещения;5, 6 - fixed comb electrodes of the angle sensor / displacement sensor;

7, 8 - неподвижные гребенчатые электроды датчика момента/датчика силы;7, 8 - fixed comb electrodes of the torque sensor / force sensor;

9, 10 - неподвижные плоские электроды датчика угла, расположенные на крышке ММГ над ПМ (далее - измерительные электроды);9, 10 - stationary flat electrodes of the angle sensor located on the cover of the MMG above the PM (hereinafter referred to as measuring electrodes);

11, 12 - неподвижные плоские электроды датчика угла, расположенные на крышке ММГ частично над зубцовой зоной ПМ (далее - первая пара квадратурных электродов);11, 12 - fixed flat electrodes of the angle sensor located on the cover MMG partially above the tooth zone PM (hereinafter - the first pair of quadrature electrodes);

13 - управляемый источник напряжения (УИН);13 - controlled voltage source (UIN);

14 - устройство возбуждения первичных колебаний (УВПК);14 - device for the excitation of primary oscillations (UVPK);

15 - канал вторичных колебаний (КВК), включающий в себя преобразователь емкость-напряжение и демодулятор;15 - channel secondary oscillations (KVK), which includes a capacitance-voltage Converter and a demodulator;

16 - датчик температуры, встроенный в ММГ (ВДТ);16 - temperature sensor built into MMG (VDT);

17 - устройство преобразования сигнала, реализующее зависимость напряжения на квадратурных электродах, компенсирующего квадратурную помеху, от выходного сигнала ВДТ (далее - УПС);17 - a signal conversion device that implements the dependence of the voltage on the quadrature electrodes, compensating for the quadrature noise, on the output signal of the VDT (hereinafter - UPS);

18, 19 - вторая пара квадратурных электродов;18, 19 - the second pair of quadrature electrodes;

U0 - напряжение питания управляемого источника напряжения;U 0 is the supply voltage of the controlled voltage source;

UКВ - напряжение, компенсирующее квадратурную помеху;U KV is the voltage compensating for the quadrature noise;

UВЫХ - выходной сигнал ММГ.U OUT - the output of MMG.

Квадратурные электроды ЧЭ LL-типа (11, 12 и 18, 19 на фиг. 2), в отличие от ЧЭ RR-типа, являются гребенчатыми. У квадратурных электродов 11, 12 зубцы на ПМ 4 смещены от центрального положения вверх по вертикали, а у электродов 18, 19 - вниз по вертикали. В зависимости от фазы квадратурной помехи с элементом 13 могут быть соединены либо электроды 12, 18, либо 11, 19.The quadrature electrodes of CE LL-type (11, 12 and 18, 19 in Fig. 2), in contrast to CE RR-type, are comb. For quadrature electrodes 11, 12, the teeth on PM 4 are displaced from the central position upward vertically, and for electrodes 18, 19 - downward vertically. Depending on the phase of the quadrature interference, either electrodes 12, 18 or 11, 19 can be connected to element 13.

ПМ 4 может совершать колебания вдоль оси X (ось первичных колебаний) и оси Y (ось вторичных колебаний).PM 4 can oscillate along the X axis (primary axis) and the Y axis (secondary axis).

На фиг. 3 приведены экспериментально полученные зависимости квадратурной помехи от температуры окружающей среды, измеряемой с помощью ВДТ, для двух ММГ RR-типа отечественной разработки.In FIG. Figure 3 shows the experimentally obtained dependences of the quadrature noise on the ambient temperature, measured with the aid of the RCCB, for two domestic-made RR-type MMGs.

На фиг. 3 обозначены:In FIG. 3 are indicated:

q - квадратурная помеха;q is the quadrature interference;

Т - температура, измеренная с помощью ВДТ;T is the temperature measured using RCC;

q(T) - зависимость квадратурной помехи от температуры окружающей среды;q (T) is the dependence of the quadrature noise on the ambient temperature;

1 - зависимость q(T) для первого ММГ;1 - dependence q (T) for the first MMG;

2 - зависимость q(T) для второго ММГ.2 - dependence q (T) for the second MMG.

На фиг. 4 приведены экспериментально полученные зависимости изменения фазы опорного сигнала демодулятора (входящего в состав КВК 15, на фиг. не показан) от температуры окружающей среды для двух ММГ RR-типа отечественной разработки, в котором элементы 14, 15 реализованы за счет использования специализированной интегральной схемы, описанной в [13].In FIG. Figure 4 shows the experimentally obtained dependences of the phase change of the reference signal of the demodulator (which is part of KVK 15, not shown in Fig.) On the ambient temperature for two MMR RR-types of domestic design, in which the elements 14, 15 are implemented through the use of a specialized integrated circuit, described in [13].

На фиг. 4 обозначены:In FIG. 4 are indicated:

Δϕ - сдвиг фазы опорного сигнала демодулятора;Δϕ is the phase shift of the reference signal of the demodulator;

Т - температура, измеренная с помощью ВДТ;T is the temperature measured using RCC;

Δϕ(Т) - зависимость сдвига фазы опорного сигнала демодулятора от температуры;Δϕ (T) is the temperature dependence of the phase shift of the demodulator reference signal;

1 - зависимость Δϕ(Т) для первого ММГ;1 - dependence Δϕ (T) for the first MMG;

2 - зависимость Δϕ(Т) для второго ММГ.2 - dependence Δϕ (T) for the second MMG.

К основанию 1 с помощью упругого подвеса 2, выполненного в виде торсионов, подвешена проводящая ПМ 4, которая выполнена в виде диска, часть секторов которого выполнена в виде гребенок. ПМ 4 может перемещаться как вокруг оси, перпендикулярной к плоскости диска (ось первичных колебаний X), так и вокруг горизонтальной оси (ось вторичных колебаний Y).Conducting PM 4, which is made in the form of a disk, part of which sectors is made in the form of combs, is suspended from the base 1 by means of an elastic suspension 2 made in the form of torsion bars. PM 4 can move both around an axis perpendicular to the plane of the disk (axis of primary vibrations X) and around a horizontal axis (axis of secondary vibrations Y).

Неподвижные электроды 5-8 представляют собой гребенчатые электроды, часть из которых используется при формировании датчика угла ПМ 4 (элементы 7, 8), а другие - в качестве датчика момента (элементы 5, 6). Эти электроды соединены с УВПК 14.Fixed electrodes 5-8 are comb electrodes, some of which are used in the formation of the PM 4 angle sensor (elements 7, 8), and others as a moment sensor (elements 5, 6). These electrodes are connected to UVPK 14.

Источник переменного напряжения 3 соединен с ПМ 4.The AC voltage source 3 is connected to PM 4.

Входы канала вторичных колебаний 15 соединены с измерительными электродами 9, 10, и одним из выходов УВПК 14.The inputs of the channel of the secondary oscillations 15 are connected to the measuring electrodes 9, 10, and one of the outputs UVPK 14.

Измерительные электроды 9, 10 расположены симметрично относительно горизонтальной оси. Они соединены со входами преобразователя емкость-напряжение (на фиг. 1 не показан), входящего в состав КВК 15. Варианты построения канала вторичных колебаний достаточно подробно описаны в разных публикациях, например, в [1, 2, 8].The measuring electrodes 9, 10 are located symmetrically with respect to the horizontal axis. They are connected to the inputs of the capacitance-voltage converter (not shown in Fig. 1), which is part of the KVK 15. The options for constructing the secondary-oscillation channel are described in sufficient detail in various publications, for example, in [1, 2, 8].

Выход УИН 13 соединен с квадратурными электродами 11, 12.The output of the UIN 13 is connected to the quadrature electrodes 11, 12.

Выход ВДТ 16 через УПС 17 соединен со входом управления УИН 13. Предложенное устройство работает следующим образом: Через межэлектродные емкости, образованные ПМ 4 и электродами 7-10 проходит ток, величина которого определяется напряжением и частотой ИПН 3 и величинами межэлектродных емкостей, которые зависят от положения ПМ 4. Эти токи преобразуются УВПК 14 в моменты, вызывающие колебания ПМ 4 вокруг оси первичных колебаний, а в КВК 15 при вращении основания с угловой скоростью Ω в сигнал, пропорциональный Ω.The output of the VDT 16 through the UPS 17 is connected to the control input of the UIN 13. The proposed device works as follows: A current passes through the interelectrode capacitances formed by the PM 4 and electrodes 7-10, the magnitude of which is determined by the voltage and frequency of the IPN 3 and the values of the interelectrode capacitances, which depend on positions of PM 4. These currents are converted by UVPC 14 at moments causing PM 4 vibrations around the axis of primary vibrations, and in KVK 15 when the base rotates with an angular velocity Ω into a signal proportional to Ω.

Для подавления квадратурной помехи на квадратурных электродах 11, 12 с помощью УИН 13 увеличивают напряжение, наблюдая сигнал на выходе преобразователя емкость-напряжение КВК 15 при Ω=0. Если при этом амплитуда наблюдаемого сигнала падает, продолжают эту процедуру до тех пор, пока амплитуда не начнет возрастать, а фаза сигнала изменится на противоположную. Значение напряжения на электродах 11 и 12, соответствующее минимуму наблюдаемого сигнала, является компенсационным напряжением.To suppress the quadrature noise on the quadrature electrodes 11, 12 with the help of a UIN 13, the voltage is increased by observing the signal at the output of the capacitor-voltage converter KVK 15 at Ω = 0. If in this case the amplitude of the observed signal decreases, continue this procedure until the amplitude begins to increase, and the phase of the signal changes to the opposite. The voltage value at the electrodes 11 and 12, corresponding to the minimum of the observed signal, is a compensation voltage.

Если при увеличении напряжения на квадратурных электродах 11, 12 сигнал на выходе преобразователя емкость-напряжение возрастает, то необходимо подключить выход УИН 13 к другой паре квадратурных электродов, 18 и 19, расположенных симметрично электродам 11, 12 относительно оси Y.If, when the voltage at the quadrature electrodes 11, 12 increases, the signal at the output of the capacitor-voltage converter increases, then it is necessary to connect the output of the UIN 13 to another pair of quadrature electrodes, 18 and 19, located symmetrically to the electrodes 11, 12 relative to the Y axis.

Задавая температуру окружающей среды, например, при установке ММГ в термокамере, измеряя сигнал на выходе ВДТ 16 (UТ) и повторяя описанную выше процедуру определения компенсационного напряжения UЭ, можно получить данные, необходимые для определения зависимости напряжений, компенсирующих квадратурную помеху от выходного сигнала ВДТ 16: UЭ=f(UТ). УПС 17, реализующее эту зависимость, может быть сформировано с помощью цифровых (например, микроконтроллера с цифро-аналоговым преобразователем) или аналоговых элементов [12].By setting the ambient temperature, for example, when installing MMG in a heat chamber, measuring the signal at the output of the VDC 16 (U T ) and repeating the above procedure for determining the compensation voltage U E , you can obtain the data necessary to determine the dependence of the voltages compensating for the quadrature noise from the output signal VDT 16: U E = f (U T ). UPS 17, which implements this dependence, can be formed using digital (for example, a microcontroller with a digital-to-analog converter) or analog elements [12].

При изменении температуры окружающей среды соответствующее изменение сигнала на выходе ВДТ 16 приводит к такому изменению сигнала на выходе УПС 17, которое формирует напряжение на квадратурных электродах, соответствующее значению, при котором квадратурная помеха компенсируется.When the ambient temperature changes, a corresponding change in the signal at the output of the VDC 16 leads to such a change in the signal at the output of the UPS 16, which generates a voltage on the quadrature electrodes, corresponding to the value at which the quadrature noise is compensated.

Анализ экспериментально полученных зависимостей q(T) и Δϕ(Т), приведенных на фиг. 3, 4 демонстрирует, что:An analysis of the experimentally obtained dependences q (T) and Δϕ (T) shown in FIG. 3, 4 demonstrates that:

- изменение квадратурной помехи q(T) в рабочем диапазоне температур может составлять ≈10% от ее среднего уровня. Это показывает, что подавление квадратурной помехи фиксированным значением компенсационного напряжения на квадратурных электродах недостаточно эффективно;- the change in the quadrature interference q (T) in the operating temperature range can be ≈10% of its average level. This shows that the suppression of quadrature interference by a fixed value of the compensation voltage on the quadrature electrodes is not effective enough;

- с учетом изменения Δϕ на уровне 0,5-1° составляющая выходного сигнала ММГ, обусловленная квадратурной помехой, может быть оценена величиной 0,5-1°/с. Погрешность ММГ (нестабильность нулевого сигнала) при изменении температуры окружающей среды в диапазоне 125°С, оказывается на три порядка больше, чем погрешность при постоянной температуре.- taking into account the change in Δϕ at the level of 0.5-1 °, the component of the MMG output signal due to the quadrature noise can be estimated as 0.5-1 ° / s. MMG error (zero signal instability) when the ambient temperature changes in the range of 125 ° C, is three orders of magnitude greater than the error at constant temperature.

- характер зависимостей q(T) показывает, что они могут быть аппроксимированы в УПС с погрешностью на уровне 1%. Это позволяет за счет реализации зависимости q(T) в УПС 17 снизить остаточное изменение квадратурной помехи в диапазоне рабочих температур до величины 0,005-0,01%, то есть снизить погрешность ММГ (нестабильность нулевого сигнала) на 2 порядка. Таким образом, за счет сохранения высокого уровня подавления помехи при работе ММГ в широком диапазоне температур, достигается повышение точности ММГ.- the nature of the dependences q (T) shows that they can be approximated in the UPS with an error of 1%. This allows, due to the implementation of the q (T) dependence in OOPS 17, to reduce the residual change in the quadrature interference in the operating temperature range to 0.005-0.01%, i.e., to reduce the MMG error (zero signal instability) by 2 orders of magnitude. Thus, by maintaining a high level of interference suppression during MMG operation over a wide temperature range, MMG accuracy is improved.

Заявленный технический результат подтверждается расчетным путем, проведенном при оценке составляющих погрешностей ММГ, полученных при экспериментальных исследованиях образцов датчиков.The claimed technical result is confirmed by a calculation carried out in the evaluation of the components of the MMG errors obtained in experimental studies of sensor samples.

ЛитератураLiterature

1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие / Тула: Гриф и К., 476 с.1. Raspopov V.Ya. Micromechanical devices: Textbook / Tula: Grif and K., 476 p.

2. Acar С., Shkel A., MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness, Springer, 2008, 262 pp.2. Acar S., Shkel A., MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness, Springer, 2008, 262 pp.

3. Патент РФ №2344374.3. RF patent No. 2344374.

4. Патент РФ №2320962.4. RF patent No. 2320962.

5. Патент США №8104364.5. US patent No. 8104364.

6. Патент РФ №2626570.6. RF patent No. 2626570.

7. Беляева Т.А. Методы компенсации квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе RR-типа / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 126 с, Санкт-Петербург, 2009, инв. №141187.7. Belyaeva T.A. Compensation methods for quadrature interference in an RR-type micromechanical gyroscope / The dissertation for the degree of candidate of technical sciences, Concern Central Research Institute Elektropribor, 126 s, St. Petersburg, 2009, inv. No. 141187.

8. В.Г. Пешехонов и др. Результаты испытаний установочной партии микромеханических гироскопов rr-типа / Гироскопия и навигация, №1 (72), 2011, стр. 37-48.8. V.G. Peshekhonov et al. Test results for an installation batch of rr-type micromechanical gyroscopes / Gyroscopy and Navigation, No. 1 (72), 2011, pp. 37-48.

9. P. Prikhodko et al. Compensation of drifts in high-Q MEMS gyroscopes using temperature self-sensing, Sens.Actuators A: Phys. (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.sna2012.12.024.9. P. Prikhodko et al. Compensation of drifts in high-Q MEMS gyroscopes using temperature self-sensing, Sens.Actuators A: Phys. (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.sna2012.12.024.

10. Некрасов Я.А., Моисеев H.B., Люкшонков P. Г., Павлова СВ., Улучшение эксплуатационных характеристик отечественного микромеханического гироскопа RR-типа / XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 2014, стр. 226-235.10. Nekrasov Ya.A., Moiseev H.B., Lyukshonkov P. G., Pavlova SV., Improving the operational characteristics of the domestic RR-type micromechanical gyroscope / XXI St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2014, pp. 226-235.

11. Результаты исследования МЭМС-гироскопа с температурной самокомпенсацией / Некрасов Я.А., Люкшонков Р. Г. // XX II Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 2015 г - С288 - 293.11. Results of the study of a MEMS gyroscope with temperature self-compensation / Y. A. Nekrasov, R. G. Lukshonkov // XX II St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2015 - C288 - 293.

12. Справочник по нелинейным схемам: Проектирование устройств на базе аналоговых функциональных модулей и интегральных схем. Под ред. Шейнголд Д.Х. / М.: Мир, 1977.12. Handbook of nonlinear circuits: Designing devices based on analog function modules and integrated circuits. Ed. Sheingold D.Kh. / M.: Mir, 1977.

13. A. Ismail et al A HIGH PERFORMANCE MEMS BASED DIGITAL-OUTPUT GYROSCOPE. Transducers, 2013, Barcelona, 16-20 June 2013.13. A. Ismail et al A HIGH PERFORMANCE MEMS BASED DIGITAL-OUTPUT GYROSCOPE. Transducers, 2013, Barcelona, 16-20 June 2013.

Claims (1)

Микромеханический гироскоп, содержащий опору на основании, к которой на упругом резонансном подвесе подвешена проводящая подвижная масса, способная совершать колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях по осям первичных и вторичных колебаний, соединенные с устройством возбуждения первичных колебаний гребенчатые электроды, канал вторичных колебаний с измерительными электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, квадратурные электроды, управляемый источник напряжения, соединенный с квадратурными электродами, встроенный датчик температуры, устройство преобразования сигнала, выход которого соединен с входом управляемого источника напряжения, отличающийся тем, что выход встроенного датчика температуры соединен с входом устройства преобразования сигнала, которое реализует определяемую экспериментально зависимость напряжения на квадратурных электродах, компенсирующего квадратурную помеху, от выходного сигнала встроенного датчика температуры.A micromechanical gyroscope containing a support on the base to which a conductive moving mass is suspended on an elastic resonant suspension, capable of oscillating in two mutually perpendicular directions along the axes of primary and secondary vibrations, comb electrodes connected to the primary oscillation excitation device, the secondary oscillation channel with measuring electrodes, located along the axis of secondary oscillations, quadrature electrodes, controlled voltage source connected to quadrature electrodes, sun a triple temperature sensor, a signal conversion device, the output of which is connected to the input of a controlled voltage source, characterized in that the output of the built-in temperature sensor is connected to the input of a signal conversion device, which implements the experimentally determined dependence of the voltage on the quadrature electrodes, which compensates for the quadrature noise, from the output signal of the built-in temperature sensor.
RU2019118200A 2019-06-11 2019-06-11 Micromechanical gyroscope RU2714870C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118200A RU2714870C1 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Micromechanical gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118200A RU2714870C1 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Micromechanical gyroscope

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2714870C1 true RU2714870C1 (en) 2020-02-19

Family

ID=69626191

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019118200A RU2714870C1 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Micromechanical gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2714870C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011133682A1 (en) * 2010-04-20 2011-10-27 Guiti Zolfagharkhani Microelectromechanical gyroscopes and related apparatus and methods
RU2535248C1 (en) * 2013-08-21 2014-12-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" 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
RU178349U1 (en) * 2017-11-23 2018-03-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" Micromechanical gyroscope

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011133682A1 (en) * 2010-04-20 2011-10-27 Guiti Zolfagharkhani Microelectromechanical gyroscopes and related apparatus and methods
RU2535248C1 (en) * 2013-08-21 2014-12-10 Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" 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
RU178349U1 (en) * 2017-11-23 2018-03-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" Micromechanical gyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8087295B2 (en) Dual-axis resonator gyroscope
RU2388999C1 (en) Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect
JP4458441B2 (en) Tuning fork gyro with split electrodes
US5806364A (en) Vibration-type angular velocity detector having sensorless temperature compensation
JP6451779B2 (en) Microelectromechanical gyroscope and method of operating microelectromechanical gyroscope
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
JP6278604B2 (en) Vibration gyro with bias correction function
JP2013253958A (en) Vibration gyro having bias correction function
US11493531B2 (en) Resonator electrode configuration to avoid capacitive feedthrough for vibrating beam accelerometers
JP2001264072A (en) Angular velocity sensor
RU2344374C1 (en) Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions)
US11249106B2 (en) Methods for closed loop operation of capacitive accelerometers
RU2714870C1 (en) Micromechanical gyroscope
RU109851U1 (en) WAVE SOLID GYROSCOPE BASED ON THE SYSTEM OF RELATED RESONATORS USING THE STANDING WAVE EFFECT
RU2447403C1 (en) Micromechanical gyroscope
RU2296301C1 (en) Method and device for measuring movement of movable mass of micro-mechanical gyroscope along axis of secondary oscillations
RU2320962C1 (en) Electrode structure for micro-mechanical gyroscope and micro-mechanical gyroscope on base of that structure
Weidlich et al. Modular Probecard-Measurement Equipment for Automated Wafer-Level Characterization of High Precision MEMS Gyroscopes
RU2714955C1 (en) Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope
RU2308682C1 (en) Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
RU2626570C1 (en) Micromechanical gyroscope rr-type
RU178349U1 (en) Micromechanical gyroscope
RU2347191C1 (en) Method of fine tuning of resonant frequency of suspension of mobile mass of micromechanical gyroscope on axes of secondary oscillations and micromechanical gyroscope
Sung et al. Resonant loop design and performance test for a torsional MEMS accelerometer with differential pickoff
RU2316731C1 (en) Method for adjusting resonance frequency of mobile mass suspension of micro-mechanical gyroscope with deep check connection on basis of speed of movement of mobile mass along secondary oscillations axis and a micro-mechanical gyroscope