RU2714955C1

RU2714955C1 - Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope

Info

Publication number: RU2714955C1
Application number: RU2019116162A
Authority: RU
Inventors: Николай Владимирович Моисеев; Яков Анатольевич Некрасов; Светлана Владимировна Павлова
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2020-02-21

Abstract

FIELD: micromechanics.

SUBSTANCE: invention relates to micromechanics, in particular to vibration-type micromechanical gyroscopes (MMG). Substance of the invention consists in the fact that the experimentally determined dependence of the compensating voltage amplitude on the in-phase electrodes on the output signal of the built-in temperature sensor with variation of the ambient temperature, then this relationship is realized by means of introduction of voltage conversion unit, voltage is generated on in-phase electrodes by modulation of output signal of voltage conversion unit by reference signal of demodulator.

EFFECT: higher MMG accuracy.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области микромеханики, в частности, к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа.The invention relates to the field of micromechanics, in particular, to micromechanical gyroscopes (MMGs) of vibration type.

Известно, что после возбуждения гармонических колебаний подвижной массы (ПМ) чувствительного элемента (ЧЭ) по оси первичных колебаний с амплитудой Х₀ и угловой частотой ω, изменение положения ПМ по этой оси может быть описано выражением X₀sin(ωt).It is known that after the excitation of harmonic oscillations of the moving mass (PM) of the sensing element (SE) along the axis of primary vibrations with amplitude X ₀ and angular frequency ω, a change in the position of the PM along this axis can be described by the expression X ₀ sin (ωt).

В этом случае при наличии угловой скорости Ω основания ММГ, на ПМ по оси вторичных колебаний действует сила Кориолиса F_c, для которой справедливо выражение:In this case, in the presence of the angular velocity Ω of the MMG base, the Coriolis force F _c acts on the PM along the axis of secondary vibrations, for which the expression is true:

где k - коэффициент пропорциональности,where k is the coefficient of proportionality,

t - время.t is time.

В реальных конструкциях ММГ на ПМ помимо силы Кориолиса F_c могут воздействовать и другие силы, вызывающие колебания ПМ по оси вторичных колебаний с угловой частотой ω. Эти силы могут либо совпадать по фазе с силой F_c, либо быть сдвинуты по фазе на 90°.In real MMG designs, in addition to the Coriolis force F _c , other forces that cause PM vibrations along the axis of secondary vibrations with an angular frequency ω can also affect the PM These forces can either be in phase with the force F _c , or be phase shifted by 90 °.

Колебания ПМ по оси вторичных колебаний измеряются емкостным датчиком, формируемым с помощью соответствующей электродной структуры, который преобразует эти колебания в электрический сигнал S(t), содержащий три составляющие: полезный сигнал с амплитудой Ω(t), квадратурную и синфазную помехи.Oscillations of the PM along the axis of secondary vibrations are measured by a capacitive sensor formed using the corresponding electrode structure, which converts these vibrations into an electrical signal S (t) containing three components: a useful signal with amplitude Ω (t), quadrature and common mode noise.

Сигнал S(t) может быть представлен выражением (2):The signal S (t) can be represented by the expression (2):

где k₁ - коэффициент преобразования емкостного датчика,where k ₁ is the conversion coefficient of the capacitive sensor,

Δϕ - сдвиг фазы в канале вторичных колебаний,Δϕ is the phase shift in the channel of secondary vibrations,

B_q - амплитуда квадратурной помехи,B _q - the amplitude of the quadrature interference,

B_i - амплитуда синфазной помехи.B _i - the amplitude of the common mode noise.

Соответственно, силы, вызывающие появление квадратурной и синфазной помех, будем обозначать соответствующими индексами: F_q и F_i;.Accordingly, the forces causing the appearance of quadrature and common-mode interference will be denoted by the corresponding indices: F _q and F _i ;.

Для выделения сигнала, пропорционального измеряемой угловой скорости Ω(t), из сигнала S(t) в канале вторичных колебаний используются:To extract a signal proportional to the measured angular velocity Ω (t) from the signal S (t) in the channel of secondary oscillations, use:

- синхронный детектор или демодулятор, осуществляющий операцию перемножения сигнала S(t) на опорный сигнал, который должен совпадать по фазе с сигналом cos(ωt+Δϕ);- a synchronous detector or demodulator that performs the operation of multiplying the signal S (t) by a reference signal, which must coincide in phase with the signal cos (ωt + Δϕ);

- фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с выходом демодулятора.- low-pass filter (LPF), the input of which is connected to the output of the demodulator.

Из-за погрешностей формирования опорного сигнала его фаза может быть сдвинута по отношению к Δϕ на величину

Due to errors in the formation of the reference signal, its phase can be shifted with respect to Δϕ by

Как показано в [1] в этом случае выходной сигнал демодулятора S_д может быть представлен в видеAs shown in [1] in this case, the output signal of the demodulator S _d can be represented as

Величины B_i,

B_q зависят от температуры ЧЭ. Изменение температуры приводит к изменению сигнала S_д даже при неизменной величине Ω. Т.е. из-за изменения величин B_i и

выходной сигнал S_д содержит составляющие, из-за которых измерение угловой скорости происходит с погрешностью. Это снижает точность ММГ.The values of B _i ,

B _q depend on the temperature of the SE. A change in temperature leads to a change in the signal S _d even at a constant value of Ω. Those. due to changes in the values of B _i and

the output signal S _d contains components, because of which the measurement of angular velocity occurs with an error. This reduces the accuracy of MMG.

Для уменьшения составляющей

обусловленной квадратурной помехой, используют различные способы ее компенсации, в частности, специальные, так называемые квадратурные электроды, описанные, например, в отечественных и зарубежных патентах [2-8].To reduce the component

due to quadrature interference, various methods of its compensation are used, in particular, special, so-called quadrature electrodes, described, for example, in domestic and foreign patents [2-8].

Особенности работы устройств подавления квадратурной помехи рассмотрены в работах [9-10].Features of the operation of quadrature noise suppression devices are considered in [9-10].

Пример ММГ, в котором осуществляется компенсация сил F_q и F_i и, соответственно, снижение квадратурной и синфазной помех, приведен в [11]. Указанный ММГ содержит электроды, которые в описании к патенту индексированы буквами "С", "Q","P", означающими соответственно "Coriolis-sensing, quadrature и phase-compensated electrodes" (далее для удобства эти электроды называются измерительными, квадратурными и синфазными электродами).An example of MMG, in which the compensation of forces F _q and F _i and, accordingly, the reduction of the quadrature and common-mode interference, is given in [11]. The specified MMG contains electrodes, which in the patent description are indexed with the letters "C", "Q", "P", meaning "Coriolis-sensing, quadrature and phase-compensated electrodes" (hereinafter, for convenience, these electrodes are called measuring, quadrature and common-mode electrodes).

Способ компенсации синфазной помехи, предложенный в [11], заключается в формировании переменного напряжения на синфазных электродах, фаза которого совпадает с фазой силы Кориолиса F_c, а амплитуда этого напряжения определяется в системе с отрицательной обратной связью, образованной последовательно соединенными измерительными электродами, преобразователем емкость-напряжение, демодулятором, первым и вторым ФНЧ, модулятором и синфазными электродами. Эти элементы совместно с ЧЭ формируют систему с отрицательной обратной связью по перемещению ЧЭ, в которой при определенных условиях подавляется синфазная помеха за счет формирования с помощью синфазных электродов силы, компенсирующей силу F_i. В этой системе компенсации при

сигнал на выходе первого ФНЧ с достаточно широкой полосой пропускания (как указано, она равна 32 Гц), в соответствии с выражением (3) содержит две составляющие - B_i и Ω. В ней используется частотное разделение сигналов, пропорциональных B_i и Ω, чтобы исключить влияние изменений во времени угловой скорости Ω. Поэтому полоса пропускания второго ФНЧ выбрана низкой (0,1 Гц).The common mode interference compensation method proposed in [11] consists in generating an alternating voltage at the common-mode electrodes, the phase of which coincides with the phase of the Coriolis force F _c , and the amplitude of this voltage is determined in the system with negative feedback formed by series-connected measuring electrodes, a capacitance converter -voltage, demodulator, first and second low-pass filters, modulator and common-mode electrodes. These elements, together with the SE, form a system with negative feedback on the movement of the SE, in which under certain conditions the in-phase noise is suppressed due to the formation of a force that compensates for the force F _i using in-phase electrodes. In this compensation system, when

the signal at the output of the first low-pass filter with a fairly wide passband (as indicated, it is 32 Hz), in accordance with expression (3) contains two components - B _i and Ω. It uses the frequency separation of signals proportional to B _i and Ω to exclude the influence of changes in time of the angular velocity Ω. Therefore, the passband of the second low-pass filter is selected low (0.1 Hz).

Частотное разделение сигналов эффективно в том случае, когда спектры этих сигналов не совпадают. Величина B_i может считаться медленно меняющейся, т.к. ее изменение может вызываться изменениями силы F_i при относительно медленных изменениях температуры ЧЭ. В случае, когда ММГ используется только для измерения быстро изменяющихся угловых скоростей, спектр сигнала угловой скорости Ω будет лежать выше полосы пропускания второго фильтра и составляющая, зависящая от Ω, не появится на выходе второго ФНЧ и не будет влиять на работу системы компенсации.Frequency separation of signals is effective when the spectra of these signals do not match. The value of B _i can be considered slowly changing, because its change can be caused by changes in the force F _i at relatively slow changes in the temperature of the SE. In the case when the MMG is used only for measuring rapidly changing angular velocities, the spectrum of the angular velocity signal Ω will lie above the passband of the second filter and the component depending on Ω will not appear at the output of the second low-pass filter and will not affect the operation of the compensation system.

Для компенсации синфазной помехи, т.е. для снижения B_i до 0, сила электрического поля F_э, создаваемая синфазными электродами, должна уравновешивать силу F_i, т.е. условием отсутствия синфазной помехи в ММГ является равенство амплитуд этих сил и сдвиг фаз между этими силами 180°. Таким образом, если F_i=F_acos(ωt), тоTo compensate for common mode interference, i.e. to reduce B _i to 0, the electric field strength F _e created by the in-phase electrodes must balance the force F _i , i.e. the condition for the absence of common-mode interference in the MMG is the equality of the amplitudes of these forces and a phase shift between these forces of 180 °. Thus, if F _i = F _a cos (ωt), then

где F_a - амплитуда силы F_i.where F _a is the amplitude of the force F _i .

Амплитуда F_a зависит от конфигурации электродов и способов формирования напряжения на них. В случае расположения пары синфазных электродов с двух сторон ПМ по оси вторичных колебаний, формирования на них противофазных напряжений с амплитудой А вида ±Acos(ωt) и наличия постоянного напряжения величиной Е между ПМ и этими электродами, сила F_э может быть определена из выражения:The amplitude F _a depends on the configuration of the electrodes and methods for generating voltage on them. In the case of the location of a pair of common-mode electrodes on both sides of the PM along the axis of secondary vibrations, the formation of antiphase voltages on them with an amplitude A of the form ± Acos (ωt) and the presence of a constant voltage of magnitude E between the PM and these electrodes, the force F _e can be determined from the expression:

где k_э - коэффициент, зависящий от конструкции и геометрических размеров синфазных электродов.where k _e - coefficient depending on the design and geometric dimensions of the common-mode electrodes.

В устройстве с системой компенсации по патенту [11] при достаточно высоком контурном усилении обеспечивается выполнение условия (4).In a device with a compensation system according to the patent [11], at sufficiently high contour amplification, condition (4) is satisfied.

Однако, когда ММГ используется для измерения угловых скоростей в низкочастотной области, погрешности подавления силы F_i и измерения Ω, возрастают, т.к. в этом случае разделение составляющих B_i и Ω происходит с погрешностью. А в случае использования ММГ для измерения постоянных на длительных интервалах времени значений Ω (например, как это имеет место при циркуляции объекта, на котором установлен ММГ) данный способ не применим, т.к. система компенсации синфазной помехи будет компенсировать не только силу F_i, но и F_c.However, when MMG is used to measure angular velocities in the low-frequency region, the errors in the suppression of the force F _i and the measurement of Ω increase because in this case, the separation of the components B _i and Ω occurs with an error. And in the case of using MMG to measure constant values of Ω over long time intervals (for example, as is the case with the circulation of the object on which the MMG is installed) this method is not applicable, because the common mode interference compensation system will compensate not only the force F _i , but also F _c .

Компенсация силы F_i сигналом постоянной амплитуды, т.е. без системы компенсации, не эффективна, т.к. величина синфазной помехи, как показывают эксперименты, зависит от температуры [12].Compensation of the force F _{i by a} signal of constant amplitude, i.e. without compensation system, not effective, because the magnitude of the common mode noise, as shown by experiments, depends on temperature [12].

Известны ММГ со встроенным датчиком температуры (ВДТ) и блоком температурной коррекции (БТК) выходного сигнала, на вход которого поступают сигналы с выхода канала формирования выходного сигнала и ВДТ [13-15]. При таком способе компенсируются температурные изменения сигналов в канале формирования выходного сигнала, обусловленные разными погрешностями (как погрешности, возникающие при изготовлении чувствительного элемента, так и температурные нестабильности элементов электроники). В этом случае оказывается невозможным точно подобрать сигнал, компенсирующий температурные погрешности. Кроме того, при таком способе компенсации имеют место колебания ПМ с переменной амплитудой под действием изменяющейся силы F_i, что может вызывать дополнительные погрешности измерения Ω в ММГ из-за нелинейности емкостного датчика перемещения ПМ.Known MMG with a built-in temperature sensor (RHT) and a temperature correction unit (BTK) of the output signal, the input of which receives signals from the output channel of the output signal and the RHT [13-15]. With this method, the temperature changes in the signals in the channel for generating the output signal are compensated for due to different errors (both errors that occur during the manufacture of the sensitive element and the temperature instabilities of the electronics). In this case, it is impossible to accurately select a signal that compensates for temperature errors. In addition, with this compensation method, fluctuations of the PM with a variable amplitude occur under the influence of a changing force F _i , which can cause additional measurement errors Ω in the MMG due to the nonlinearity of the capacitive PM displacement sensor.

К недостаткам способа-прототипа, в качестве которого выбран способ по патенту [11], можно отнести то, что область применения описываемого в нем ММГ ограничена. В случае, когда предполагается использование ММГ для измерения угловых скоростей в низкочастотной области, погрешности подавления F_i и измерения Ω возрастают. А в случае использования ММГ для измерения постоянных на длительных интервалах времени значений Ω способ-прототип не применим.The disadvantages of the prototype method, which is selected as the method according to the patent [11], include the fact that the scope of the MMG described in it is limited. In the case when it is assumed to use MMG for measuring angular velocities in the low-frequency region, the errors of suppression F _i and measurements Ω increase. And in the case of using MMG for measuring constant values over long time intervals of Ω, the prototype method is not applicable.

Решаемая техническая проблема - уменьшение влияния изменений температуры окружающей среды и исключение влияния измеряемой угловой скорости на степень подавления синфазной помехи.The technical problem to be solved is the reduction of the influence of changes in ambient temperature and the exclusion of the influence of the measured angular velocity on the degree of suppression of common mode interference.

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

Сущность изобретения заключается в том, что предварительно экспериментально определяют зависимость амплитуды компенсирующего напряжения на синфазных электродах от выходного сигнала встроенного датчика температуры при изменении температуры окружающей среды; затем реализуют эту зависимость с помощью введения блока преобразования напряжения; формируют напряжение на синфазных электродах путем модуляции выходного сигнала блока преобразования напряжения опорным сигналом демодулятора.The essence of the invention lies in the fact that previously experimentally determine the dependence of the amplitude of the compensating voltage on the in-phase electrodes on the output signal of the built-in temperature sensor when the ambient temperature changes; then realize this dependence by introducing a voltage conversion unit; generate voltage on the common-mode electrodes by modulating the output signal of the voltage conversion unit with the reference signal of the demodulator.

Поставленная задача достигается тем, что зависимость амплитуды А компенсирующего напряжения на синфазных электродах от выходного сигнала встроенного датчика температуры V_дт при изменении температуры окружающей среды определяют следующим образом:The problem is achieved in that the dependence of the amplitude A of the compensating voltage on the common-mode electrodes on the output signal of the built-in temperature sensor V _dt when the ambient temperature changes is determined as follows:

а) установив микромеханический гироскоп в термокамеру на неподвижном основании;a) installing a micromechanical gyroscope in a heat chamber on a fixed base;

б) изменяют с определенным шагом (ДТ) температуру в термокамере;b) change with a certain step (DT) the temperature in the heat chamber;

в) изменяя напряжение на входе модулятора на каждом шаге изменения температуры в термокамере, добиваются нулевого значения выходного сигнала микромеханического гироскопа;c) by changing the voltage at the input of the modulator at each step of the temperature change in the heat chamber, achieve a zero value of the output signal of the micromechanical gyroscope;

г) измеряют соответствующие значения напряжений на выходе встроенного датчика температуры и амплитуды А после достижения нулевого значения выходного сигнала микромеханического гироскопа;d) measure the corresponding voltage values at the output of the built-in temperature and amplitude sensor A after reaching a zero value of the output signal of the micromechanical gyroscope;

д) аппроксимируют зависимости A(V_дт) полученных на каждом шаге изменения температуры.d) approximate the dependence A (V _dt ) obtained at each step of the temperature change.

Заявленный способ поясняется чертежами.The claimed method is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена блок-схема микромеханического гироскопа.In FIG. 1 shows a block diagram of a micromechanical gyroscope.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 the following notation is accepted:

1 - подвижная масса (ПМ) ЧЭ ММГ;1 - moving mass (PM) CE MMG;

2-5 - неподвижные гребенчатые электроды;2-5 - fixed comb electrodes;

6 - подвижный измерительный электрод;6 - movable measuring electrode;

7, 8 - неподвижные измерительные электроды;7, 8 - stationary measuring electrodes;

9 - подвижный синфазный электрод;9 - movable common-mode electrode;

10, 11 - неподвижные синфазные электроды;10, 11 - fixed in-phase electrodes;

12 - канал управления первичными колебаниями (далее - КУПК);12 - channel control primary oscillations (hereinafter - KUPK);

13 - блок формирования опорных сигналов;13 - block forming the reference signals;

14 - канал формирования выходного сигнала;14 - channel for generating the output signal;

15 - преобразователь емкость-напряжение (ПЕН);15 - capacitor-voltage converter (PEN);

16 - демодулятор;16 - demodulator;

17 - модулятор;17 - modulator;

18 - встроенный в ММГ датчик температуры (ВДТ);18 - built-in temperature sensor MMG (VDT);

19 - источник постоянного напряжения (ИПН);19 - a constant voltage source (IPN);

20 - блок преобразования напряжения (БПН).20 - voltage conversion unit (BPN).

На фиг. 2 приведена блок-схема последовательности операций, позволяющих получить зависимость амплитуды компенсирующего напряжения на входе модулятора от выходного сигнала встроенного датчика температуры:In FIG. 2 is a flowchart illustrating the dependence of the amplitude of the compensating voltage at the input of the modulator on the output signal of the built-in temperature sensor:

блок 21 - установка ММГ на неподвижном основании в термокамере;block 21 - installation of MMG on a fixed base in a heat chamber;

блок 22 - изменение температуры в термокамере на величину ΔT;block 22 - temperature change in the heat chamber by ΔT;

блок 23 - изменение напряжения на входе модулятораblock 23 - voltage change at the input of the modulator

блок 24 - измерение выходного сигнала ММГ;block 24 - measurement of the output signal MMG;

блок 25 - выработка решения о продолжении изменения на входе модулятора или переходе к следующей операции;block 25 - the development of a decision on the continuation of changes at the input of the modulator or the transition to the next operation;

блок 26 - измерение выходного сигнала ВДТ (V_дт) и напряжения на входе модулятора;block 26 - measurement of the output signal of the VDT (V _dt ) and the voltage at the input of the modulator;

блок 27 - аппроксимация зависимости амплитуды компенсирующего напряжения А от выходного сигнала ВДТ.block 27 is an approximation of the dependence of the amplitude of the compensating voltage A on the output signal of the RCCB.

На фиг. 3 приведены экспериментально полученные зависимости синфазной помехи от температуры окружающей среды, измеряемой с помощью ВДТ, для двух образцов ММГ RR-типа.In FIG. Figure 3 shows the experimentally obtained dependences of the common-mode noise on the ambient temperature, measured with the aid of the VDT, for two RR-type MMG samples.

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

s - синфазная помеха,s is the common mode interference

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

s(T) - зависимость синфазной помехи от температуры,s (T) is the dependence of the common mode noise on temperature,

28 - зависимость s(T) для первого ММГ,28 - dependence s (T) for the first MMG,

29 - зависимость s(T) для второго ММГ.29 - s (T) dependence for the second MMG.

ММГ включает в себя ЧЭ, представляющий собой ПМ 1 (или связанные между собой ПМ) на упругом подвесе с гребенчатыми (2-5), измерительными (6-8), и синфазными (9-11) электродами, КУПК 12 с блоком формирования опорных сигналов 13, канал формирования выходного сигнала 14, включающий в себя последовательно соединенные ПЕН 15 и демодулятор 16, модулятор 17, ВДТ 18, ИПН 19 и БПН 20.MMG includes a CE, which is PM 1 (or interconnected PM) on an elastic suspension with comb (2-5), measuring (6-8), and in-phase (9-11) electrodes, KUPK 12 with a support forming unit signals 13, the channel for generating the output signal 14, which includes serially connected PEN 15 and a demodulator 16, a modulator 17, VDT 18, IPN 19 and BPN 20.

Одна пара неподвижных гребенчатых электродов 2 и 3, расположенных по оси первичных колебаний с двух сторон ПМ 1 соединена со входом КУПК 12, другая пара неподвижных гребенчатых электродов 4 и 5, расположенных аналогично паре электродов 2 и 3, соединена с выходом КУПК 12. Подвижным гребенчатым электродом является ПМ 1.One pair of fixed comb electrodes 2 and 3, located along the primary oscillation axis on two sides of PM 1, is connected to the input of KUKK 12, another pair of fixed comb electrodes 4 and 5, located similarly to the pair of electrodes 2 and 3, is connected to the output of KUKK 12. Movable comb the electrode is PM 1.

Измерительные электроды образованы подвижным 6 и двумя неподвижными измерительными электродами 7 и 8, которые расположены по оси вторичных колебаний с противоположных сторон ПМ 1, а синфазные электроды образованы подвижным 9 и двумя неподвижными электродами 10 и 11, которые также расположены по оси вторичных колебаний с противоположных сторон ПМ 1.The measuring electrodes are formed by the movable 6 and two stationary measuring electrodes 7 and 8, which are located along the axis of the secondary oscillations from opposite sides of the PM 1, and the common-mode electrodes are formed by the movable 9 and two stationary electrodes 10 and 11, which are also located along the axis of the secondary waves from the opposite sides PM 1.

Измерительные электроды 7 и 8 соединены со входами ПЕН 15 канала формирования выходного сигнала 14, выход которого соединен со входом демодулятора 16.The measuring electrodes 7 and 8 are connected to the inputs of the PEN 15 of the channel for generating the output signal 14, the output of which is connected to the input of the demodulator 16.

Неподвижные синфазные электроды 10 и 11 соединены с выходами модулятора 17, вход которого соединен с выходом БПН 20 и с блоком формирования опорных сигналов 13.The fixed common-mode electrodes 10 and 11 are connected to the outputs of the modulator 17, the input of which is connected to the output of the BPN 20 and to the block forming the reference signals 13.

Выход ВДТ 18 соединен со входом БПН 20, выход которого соединен со входом модулятора 17. Выходы блока формирования опорных сигналов 13 соединены с входами для опорных сигналов модулятора 17 и демодулятора 16. ИПН 19 подключен к ПМ 1.The output of the VDT 18 is connected to the input of the BPN 20, the output of which is connected to the input of the modulator 17. The outputs of the block for generating the reference signals 13 are connected to the inputs for the reference signals of the modulator 17 and the demodulator 16. IPN 19 is connected to the PM 1.

Компенсация синфазной помехи в ММГ осуществляется следующим образом.Compensation of common mode noise in MMG is as follows.

При наличии первичных колебаний ПМ 1, возбуждаемых КУПК 12, ПМ 1 совершает колебания по оси вторичных колебаний в той же фазе, что и колебания, обусловленные силой Кориолиса. Эти колебания преобразуются в электрический сигнал ПЕН 15 и выходной сигнал постоянного тока демодулятором 16. Этот сигнал является частью выходного сигнала S_дMMГ и может изменяться при изменении температуры окружающей среды. Эта часть выходного сигнала является смещением нуля ММГ и является важным показателем, характеризующим точность ММГ.In the presence of primary vibrations of PM 1 excited by KUPK 12, PM 1 vibrates along the axis of secondary vibrations in the same phase as the vibrations caused by the Coriolis force. These oscillations are converted into an electric signal PEN 15 and a direct current output signal by a demodulator 16. This signal is part of the output signal S _d MMG and can change with changing ambient temperature. This part of the output signal is the MMG zero offset and is an important indicator of the accuracy of the MMG.

В ММГ на неподвижных синфазных электродах 10 и 11 модулятор 17 формирует противофазные компенсирующие напряжения с амплитудой А вида ±Acos(ωt). В случае, когда напряжение ИПН 19 равно Е, сила электрического поля F_э определяется выражением (4). При соответствующем выборе амплитуды компенсирующего напряжения А может быть достигнута нулевая величина смещения нуля ММГ.In MMG, on stationary in-phase electrodes 10 and 11, the modulator 17 generates antiphase compensating voltages with an amplitude A of the form ± Acos (ωt). In the case when the voltage of the IPN 19 is equal to E, the electric field strength F _e is determined by the expression (4). With the appropriate choice of the amplitude of the compensating voltage A, a zero value of the MMG zero offset can be achieved.

В предложенном способе на вход модулятора поступает преобразованный БПН 20 сигнал ВДТ 18, который обозначим V_дт. Полагая, что коэффициент преобразования входного сигнала модулятора 17 в амплитуду компенсирующего напряжения А равен 1, и обозначая зависимость между выходным и входным сигналами БПН 20 как А(V_дт), получим, что формируемая сила F_э с учетом выражений 4-5 может быть представлена в виде:In the proposed method, the input of the modulator receives the converted BPN 20 signal VDT 18, which we denote V _dt . Assuming that the coefficient of conversion of the input signal of the modulator 17 to the amplitude of the compensating voltage A is 1, and denoting the relationship between the output and input signals of the BPN 20 as A (V _dt ), we obtain that the generated force F _e taking into account expressions 4-5 can be represented as:

В соответствии с предложенным способом зависимость А(V_дт), при которой достигается компенсация синфазной помехи, определяют экспериментально. После определения зависимость может быть реализована в БПН 20 с помощью аналоговых или цифровых элементов [16, 17].In accordance with the proposed method, the dependence A (V _dt ), at which the common-mode interference compensation is achieved, is determined experimentally. After determining the dependence can be implemented in BPN 20 using analog or digital elements [16, 17].

При этом важно место расположения датчика температуры. Из-за возможных градиентов температур при отдаленном от ЧЭ расположении датчика температуры, ошибки в измерении температуры могут приводить к погрешностям компенсации. Датчик температуры, встроенный в ММГ, позволяет измерять температуру ЧЭ. К таким встроенным датчикам могут быть отнесены измерители температуры, основанные на измерении резонансной частоты или добротности подвеса ПМ по оси первичных колебаний [14, 15].The location of the temperature sensor is important. Due to possible temperature gradients at a temperature sensor located far from the SE, errors in the temperature measurement can lead to compensation errors. The temperature sensor built into MMG allows you to measure the temperature of the SE. These built-in sensors can include temperature meters based on measuring the resonant frequency or Q factor of the PM suspension along the axis of primary vibrations [14, 15].

Последовательность операций при экспериментальном определении зависимости A(V_дт) заключается в следующем.The sequence of operations in the experimental determination of the dependence A (V _dt ) is as follows.

Блок 21. ММГ устанавливают на неподвижном основании в термокамере, ко входу модулятора взамен выхода БПН подключают управляемый источник напряжения.Block 21. MMG is installed on a fixed base in a heat chamber; a controlled voltage source is connected to the modulator input instead of the BPN output.

Блоки 22-25. Устанавливают фиксированную температуру в термокамере и изменяют напряжение управляемого источника напряжения до получения нулевого (или минимального) сигнала на выходе канала формирования выходного сигнала 14. При наличии квадратурной помехи производят настройку блока формирования опорных сигналов 13 таким образом, чтобы вырабатываемый им опорный сигнал обеспечивал подавление демодулятором 16 квадратурной помехи, например, по известному способу [19].Blocks 22-25. Set a fixed temperature in the heat chamber and change the voltage of the controlled voltage source until a zero (or minimum) signal is output at the output channel of the output signal 14. In the presence of quadrature interference, the reference signal generation block 13 is set up so that the reference signal generated by it provides suppression by the demodulator 16 quadrature interference, for example, by a known method [19].

Блок 26. При достижении нулевого сигнала на выходе канала формирования выходного сигнала 14 (выходной сигнал ММГ) производят измерение напряжения на выходе ВДТ 18 (V_дт) и напряжения на входе модулятора 17. Полученные данные фиксируются, например, в системе сбора данных.Block 26. When a zero signal is reached at the output of the channel for generating the output signal 14 (output signal MMG), the voltage at the output of the VDC 18 (V _dt ) and the voltage at the input of the modulator 17 are measured. The data obtained are recorded, for example, in a data acquisition system.

После этой операции переходят к блоку 22 и изменяют температуру в термокамере на величину ΔT и повторяют операции, указанные в блоках 22-26 до тех пор, пока диапазон изменения температуры в термокамере не будет соответствовать диапазону рабочих температур ММГ.After this operation, go to block 22 and change the temperature in the heat chamber by ΔT and repeat the operations indicated in blocks 22-26 until the range of temperature changes in the heat chamber corresponds to the range of operating temperature MMG.

Отметим, что уменьшение шага ΔТ позволяет получить большее количество экспериментально полученных точек зависимости A(V_дт), что обеспечивает более точную аппроксимацию этой зависимости, однако при этом возрастает продолжительность испытаний. На практике, при температурной компенсации выходных сигналов ММГ шаг ΔТ выбирается равным 5-10°С.Note that decreasing the step ΔТ allows one to obtain a larger number of experimentally obtained points of the dependence A (V _dt ), which provides a more accurate approximation of this dependence, however, the test duration increases. In practice, with temperature compensation of the MMG output signals, the step ΔТ is chosen equal to 5-10 ° C.

Блок 27. По полученным экспериментально парам значений А и V_дт определяют аналитическую зависимость А(V_дт), которую реализуют в БПН 20, выход которого соединяют со входом модулятора 17.Block 27. Based on the experimentally obtained pairs of values of A and V _dt , the analytical dependence A (V _dt ) is determined, which is implemented in BPN 20, the output of which is connected to the input of the modulator 17.

Экспериментальные исследования ММГ разработки АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» показали, что синфазная помеха в нем может изменяться на 8°/с при изменении температуры окружающей среды на 125°С [17]. Максимальный наклон зависимости 28 на фиг. 3 составляет 3,57°/с на 20°С или 0,18°/с на 1°С. При погрешностях аппроксимации на уровне 1% и ВДТ на уровне 0,1°С [18] погрешность компенсации составит 0,02°/с или ≈70°/ч, а для второго образца с наклоном ≈0,05°/с (зависимость 29 на фиг. 3) погрешность компенсации будет на уровне ≈20°/ч. При этом зависимость величины этой помехи от температуры окружающей среды носит монотонный характер, что позволяет при аппроксимации по 10-20 точкам снизить вносимую синфазной помехой погрешность на два порядка.Experimental studies of MMG developed by JSC Concern TsNII Elektribribor showed that the common-mode noise in it can change by 8 ° / s when the ambient temperature changes by 125 ° C [17]. The maximum slope of dependence 28 in FIG. 3 is 3.57 ° / s at 20 ° C or 0.18 ° / s at 1 ° C. With approximation errors at the level of 1% and RCCT at the level of 0.1 ° C [18], the compensation error will be 0.02 ° / s or ≈70 ° / h, and for the second sample with a slope of ≈0.05 ° / s (dependence 29 in Fig. 3) the compensation error will be at the level of ≈20 ° / h. In this case, the dependence of the magnitude of this noise on the ambient temperature is monotonous, which allows approximation by 10–20 points to reduce the error introduced by the common-mode noise by two orders of magnitude.

Таким образом, в ММГ, в котором реализован предложенный способ компенсации синфазной помехи, изменение температуры окружающей среды не приводит к изменению смещения нуля. Предложенный способ компенсации позволяет повысить точность ММГ и не влияет на работу ММГ при медленных изменениях измеряемой угловой скорости.Thus, in MMG, in which the proposed method for compensating common mode noise is implemented, a change in the ambient temperature does not lead to a change in the zero offset. The proposed compensation method improves the accuracy of MMG and does not affect the operation of MMG with slow changes in the measured angular velocity.

Список литературы:List of references:

1. Aranaud Walther et al. Bias Contribution in a MEMS Tuning Fork Gyroscope / Christophe Le Blanc / Journal Of Electromechanical Systems, vol. 22, №2, 2013.1. Aranaud Walther et al. Bias Contribution in a MEMS Tuning Fork Gyroscope / Christophe Le Blanc / Journal Of Electromechanical Systems, vol. 22, No. 2, 2013.

2. Патент РФ №2320962.2. RF patent No. 2320962.

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

4. Патент США №6067858.4. US Patent No. 6067858.

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

6. Патент США №8266961.6. US patent No. 8266961.

7. Патент РФ №26265707. RF patent No. 2626570

8. Патент РФ №25773698. RF patent No. 2577369

9. М. Saukoski, "System and circuit design for a capacitive MEMS gyroscope," Ph.D. dissertation, Helsinki University of Technology, 2008.9. M. Saukoski, "System and circuit design for a capacitive MEMS gyroscope," Ph.D. dissertation, Helsinki University of Technology, 2008.

10. Беляева Т.А. Методы компенсации квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе RR-типа / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.13.01: ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", Санкт-Петербург, 2009, инв. №141187, 126 с.10. Belyaeva T.A. Compensation methods for quadrature interference in an RR-type micromechanical gyroscope / Dissertation for the degree of candidate of technical sciences: 05.13.01: Concern Central Research Institute Elektropribor, St. Petersburg, 2009, inv. No. 141187, 126 p.

11. Патент США №815164111. US Patent No. 8151641

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. https://www.ti.com/product/MSP430F169.13. https://www.ti.com/product/MSP430F169.

14. I.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.sna2012.12.02414. I.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

15. Патент РФ №253524815. RF patent No. 2535248

16. Патент РФ №257736916. RF patent No. 2577369

17. Некрасов Я.А., Моисеев Н.В., Люкшонков Р.Г., Павлова С.В., Улучшение эксплуатационных характеристик отечественного микромеханического гироскопа RR-типа / XXI Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 2014, стр. 226-235.17. Nekrasov Ya.A., Moiseev N.V., Lukshonkov R.G., Pavlova S.V., Improving the operational characteristics of the domestic RR-type micromechanical gyroscope / XXI St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2014, p. . 226-235.

18. Люкшонков Р.Г. Термокомпенсация в микромеханических гироскопах с контуром стабилизации амплитуды первичных колебаний / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2016, СПб, 18 стр.18. Lukshonkov R.G. Thermal compensation in micromechanical gyroscopes with a stabilization circuit for the amplitude of primary oscillations / Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences, 2016, St. Petersburg, 18 pp.

19. A. Ismail et al A HIGH PERFORMANCE MEMS BASED DIGITAL-OUTPUT GYROSCOPE. Transducers 2013, Barcelona, SPAIN, 16-20 June 20119. A. Ismail et al A HIGH PERFORMANCE MEMS BASED DIGITAL-OUTPUT GYROSCOPE. Transducers 2013, Barcelona, SPAIN, 16-20 June 201

Claims

1. A method for compensating common-mode interference in a micromechanical gyroscope, which includes a sensing element with comb, measuring and common-mode electrodes, a primary oscillation control channel with a reference signal generating unit, an output signal generating channel with a capacitance-voltage converter and a demodulator connected in series, the input and output of the primary oscillation control channel are connected to comb electrodes; the capacitance-voltage converter input is connected to measure integral electrodes, a modulator, the output of which is connected to common-mode electrodes, the outputs of the reference signal generating unit are connected to inputs for the reference signals of the demodulator and the modulator, an integrated temperature sensor, which consists in the formation of an alternating voltage with a frequency of primary oscillations and amplitude A by using a modulator on common-mode electrodes, depending on the value of the common mode noise, characterized in that the temperature of the sensor is measured using the built-in temperature sensor, the output discharge temperature sensor signal with a voltage conversion unit that implements the amplitude-phase compensating voltage to the electrodes of the integrated temperature sensor output signal and changing the voltage at the input of the modulator.

2. The method according to p. 1, characterized in that the dependence of the amplitude A of the compensating voltage on the common-mode electrodes on the output signal of the built-in temperature sensor V _dt when the ambient temperature changes is determined experimentally by installing a micromechanical gyroscope in a heat chamber on a fixed base, for which it is changed with a certain step temperature (ΔТ) in the heat chamber, measure the output signal of the micromechanical gyroscope, change the voltage at the input of the modulator at each step of the temperature in the therm In the chamber, until the zero value of the output signal of the micromechanical gyroscope is obtained, the corresponding voltage values at the output of the built-in temperature sensor and the amplitude A of the compensating voltage are measured after reaching the zero value of the output signal of the micromechanical gyroscope, the dependence A (V _dt ) obtained at each step of the temperature change is approximated.