RU2806242C1 - Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor - Google Patents
Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806242C1 RU2806242C1 RU2023123201A RU2023123201A RU2806242C1 RU 2806242 C1 RU2806242 C1 RU 2806242C1 RU 2023123201 A RU2023123201 A RU 2023123201A RU 2023123201 A RU2023123201 A RU 2023123201A RU 2806242 C1 RU2806242 C1 RU 2806242C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- frame
- input
- adder
- optical
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Компенсационный микрооптоэлектромеханический датчик предназначен для измерения угловой скорости подвижных объектов, и может быть использован, например, в системах управления самолетов, кораблей, автомобилей и прочих.The compensation micro-optoelectromechanical sensor is designed to measure the angular velocity of moving objects, and can be used, for example, in control systems of aircraft, ships, cars and others.
Известен микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости, выполненный на диэлектрической подложке, содержащий опорные элементы, закрепленные на подложке с противоположных сторон, рамку, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами через упругие перемычки, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с рамкой через упругие элементы, раму, расположенную внутри инерционной массы с зазором относительно подложки и связанную с инерционной массой через дополнительные упругие перемычки, систему возбуждения колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, выполненных в раме, систему емкостного съема выходных колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, выполненных в инерционной массе [Бусурин В.И., Васецкий С.О., Штек С.Г., Жеглов М.А., Микромеханический датчик угловой скорости. Патент № 2790042 от 14.02.2023 г.] (прототип). Принцип действия данного датчика основан на измерении оптической мощности в системе съема выходных колебаний, возникающих из-за воздействия угловой скорости на инерционную массу. К недостаткам датчика можно отнести сильную подверженность действию линейного ускорения вдоль оси системы съема выходных колебаний, связанные с малой величиной зазора между клиновидными оптическими элементами и узлами оптического считывания.A known micro-optoelectromechanical angular velocity sensor is made on a dielectric substrate, containing support elements fixed to the substrate on opposite sides, a frame located with a gap relative to the substrate and connected to the support elements through elastic bridges, an inertial mass located with a gap relative to the substrate and connected to the frame through elastic elements, a frame located inside the inertial mass with a gap relative to the substrate and connected to the inertial mass through additional elastic jumpers, an oscillation excitation system consisting of fixed electrodes fixed to the substrate and movable electrodes made in the frame, a capacitive pickup system for output oscillations , consisting of fixed electrodes mounted on a substrate, and movable electrodes made in an inertial mass [Busurin V.I., Vasetsky S.O., Shtek S.G., Zheglov M.A., Micromechanical angular velocity sensor. Patent No. 2790042 dated February 14, 2023] (prototype). The operating principle of this sensor is based on measuring optical power in a system for collecting output oscillations that arise due to the effect of angular velocity on the inertial mass. The disadvantages of the sensor include its strong susceptibility to linear acceleration along the axis of the output vibration pickup system, associated with the small gap between the wedge-shaped optical elements and the optical reading units.
Целью настоящего патента является устранение указанных недостатков. Техническим результатом предлагаемого изобретения, - является использование системы компенсации низкочастотного смещения рамки, и как следствие повышение точности измерений.The purpose of this patent is to eliminate these disadvantages. The technical result of the proposed invention is the use of a system for compensating for low-frequency frame displacement, and as a result, increasing the accuracy of measurements.
Предлагаемый компенсационный микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости содержит подложку из диэлектрического материала, рамку, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с опорными элементами, инерционную массу, расположенную с зазором относительно подложки и связанную с рамкой через упругие элементы, систему возбуждения колебаний, состоящую из неподвижных электродов, закрепленных на подложке, и подвижных электродов, закрепленных на внешней стороне, два узла оптического считывания, содержащие источник оптического излучения, оптический модулятор, два фотоприемника, связанные по оптическому лучу, при этом, каждый оптический модулятор, детектирующий колебания, индуцированные инерциальными смещениями, выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения, поверхности отражения которых расположены под углом 90° к друг другу, и клиновидного оптического элемента, закрепленного на наружной стороне рамки напротив призм полного внутреннего отражения, причем величина симметричных зазоров между отражающими поверхностями призм полного внутреннего отражения и гранями клиновидного оптического элемента является равномерной и не превышает величину длины волны источника оптического излучения. На поверхности клиновидного оптического элемента имеется тонкопленочное покрытие диоксида кремния, а призмы полного внутреннего отражения выполнены по планарной технологии из диоксида кремния.The proposed compensation micro-optoelectromechanical angular velocity sensor contains a substrate made of dielectric material, a frame located with a gap relative to the substrate and connected to support elements, an inertial mass located with a gap relative to the substrate and connected to the frame through elastic elements, an oscillation excitation system consisting of fixed electrodes, fixed on the substrate, and movable electrodes fixed on the outer side, two optical reading units containing an optical radiation source, an optical modulator, two photodetectors connected along an optical beam, and each optical modulator detecting oscillations induced by inertial displacements is made in in the form of two total internal reflection prisms, the reflection surfaces of which are located at an angle of 90° to each other, and a wedge-shaped optical element mounted on the outer side of the frame opposite the total internal reflection prisms, and the size of the symmetrical gaps between the reflective surfaces of the total internal reflection prisms and the edges of the wedge-shaped optical element element is uniform and does not exceed the wavelength of the optical radiation source. The surface of the wedge-shaped optical element has a thin film coating of silicon dioxide, and the total internal reflection prisms are made using planar silicon dioxide technology.
Предлагаемый датчик угловой скорости отличается от известного наличием системы компенсации низкочастотного смещения рамки. Блок обработки содержит два сумматора, входы первого сумматора соединены с выходами фотоприемников первого узла оптического считывания, входы второго сумматора соединены с выходами фотоприемников второго узла оптического считывания, выход первого сумматора соединен со входом суммирования вычитающего устройства, а выход второго сумматора соединен с вычитающим входом вычитающего устройства, причем выход вычитающего устройства соединен со входом полосового фильтра, который имеет полосу пропускания, равную собственной частоте колебаний рамки, выход которого соединён со входом синхронного демодулятора, выход которого соединен со входом первого фильтра низких частот, при этом выход вычитающего устройства также соединен со входом второго фильтра низких частот, выход которого соединен со входом пропорционально-интегрирующего регулятора, выход которого соединен с системой компенсации низкочастотного смещения рамки, выполненной в виде неподвижных электродов, закрепленных на подложке напротив сторон рамки с узлами оптического считывания, и подвижных электродов, закрепленных на внешней стороне рамки по бокам от каждого клиновидного оптического элемента. The proposed angular velocity sensor differs from the known one by the presence of a system for compensating for low-frequency frame displacement. The processing unit contains two adders, the inputs of the first adder are connected to the outputs of the photodetectors of the first optical reading node, the inputs of the second adder are connected to the outputs of the photodetectors of the second optical reading node, the output of the first adder is connected to the summation input of the subtracting device, and the output of the second adder is connected to the subtracting input of the subtracting device , and the output of the subtracting device is connected to the input of a bandpass filter, which has a bandwidth equal to the natural frequency of the frame, the output of which is connected to the input of a synchronous demodulator, the output of which is connected to the input of the first low-pass filter, while the output of the subtracting device is also connected to the input of the second a low-pass filter, the output of which is connected to the input of a proportional-integrating regulator, the output of which is connected to a system for compensating for low-frequency frame displacement, made in the form of fixed electrodes mounted on the substrate opposite the sides of the frame with optical reading units, and movable electrodes mounted on the outer side of the frame on the sides of each wedge-shaped optical element.
Применение системы компенсации низкочастотного смещения рамки позволяет снизить воздействие линейного ускорения вдоль оси измерений, и как следствие повысить точность измерений.The use of a low-frequency frame displacement compensation system makes it possible to reduce the impact of linear acceleration along the measurement axis, and as a result increase the measurement accuracy.
На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого компенсационного микрооптоэлектромеханического датчика угловой скорости. Предлагаемый микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости содержит подложку из диэлектрического материала 1, систему возбуждения колебаний 2, рамку 3, узлы оптического считывания 4, инерциальную массу 5.In fig. Figure 1 shows the design of the proposed compensatory micro-optoelectromechanical angular velocity sensor. The proposed micro-optoelectromechanical angular velocity sensor contains a substrate made of dielectric material 1, an oscillation excitation system 2, a frame 3, optical reading units 4, and an inertial mass 5.
На фиг. 2 показаны конструкция узла оптического считывания 4, связь с блоком обработки 11, и системой компенсации низкочастотного смещения рамки, выполненной в виде неподвижных электродов 9 закрепленных на подложке узла оптического считывания 4, и подвижных электродов 10, закрепленных на наружной стороне рамки 3 по бокам от клиновидных оптических элементов 14. Узел оптического считывания 4 содержит источник оптического излучения 6, оптический модулятор 7, фотоприемники 8, связанные по оптическому лучу. Выходы фотоприемников соединены со входами блока обработки 11.In fig. Figure 2 shows the design of the optical reading unit 4, the connection with the processing unit 11, and the system for compensating for low-frequency displacement of the frame, made in the form of fixed electrodes 9 fixed on the substrate of the optical reading unit 4, and movable electrodes 10 fixed on the outer side of the frame 3 on the sides of the wedge-shaped optical elements 14. The optical reading unit 4 contains an optical radiation source 6, an optical modulator 7, photodetectors 8, connected along an optical beam. The outputs of the photodetectors are connected to the inputs of the processing unit 11.
На фиг. 3 показана конструкция оптического модулятора 7. Оптический модулятор 7, выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения 13, выполненных по планарной технологии из диоксида кремния, поверхности отражения 12 которых расположены под углом 90° к друг другу, и клиновидного оптического элемента 14, закрепленного на внешней стороне рамки 3 напротив призм полного внутреннего отражения 13, причем величина симметричных зазоров между поверхностями отражения 12 призм полного внутреннего отражения 13 и гранями клиновидного оптического элемента 14 является равномерной и не превышает величину длины волны источника оптического излучения. На поверхности клиновидного оптического элемента 14 имеется покрытие из диоксида кремния.In fig. Figure 3 shows the design of the optical modulator 7. The optical modulator 7 is made in the form of two total internal reflection prisms 13, made using planar technology from silicon dioxide, the reflection surfaces 12 of which are located at an angle of 90° to each other, and a wedge-shaped optical element 14 mounted on on the outside of the frame 3 opposite the total internal reflection prisms 13, and the size of the symmetrical gaps between the reflection surfaces 12 of the total internal reflection prisms 13 and the edges of the wedge-shaped optical element 14 is uniform and does not exceed the wavelength of the optical radiation source. The surface of the wedge-shaped optical element 14 is coated with silicon dioxide.
На фиг. 4 показана схема предлагаемого компенсационного микрооптоэлектромеханического датчика угловой скорости. На рамку 3 действует сумма сил: F 1(Ω), создаваемая действующей угловой скоростью Ω вокруг оси OZ, F 2(a), создаваемая действующим линейным ускорением a вдоль оси OY, F 3[U вых(a)], создаваемая системой компенсации низкочастотного смещения рамки 23 вдоль оси OY. Выходы узлов оптического считывания 4 соединены со входами блок обработки 11. Выходы первого узла оптического считывания соединены со входами первого сумматора 15. Выходы второго узла оптического считывания 4 соединены со входами второго сумматора 16. Выход первого сумматора 15 соединен со входом суммирования вычитающего устройства 17, а выход второго сумматора 16 соединен с вычитающим входом вычитающего устройства 17. Выход вычитающего устройства 17 соединен со входом полосового фильтра 18 и второго фильтра низких частот 21. Полосовой фильтра 18 соединен с синхронным демодулятором 19, выход которого соединен со входом первого фильтра низких частот 20. Выход второго фильтра низких частот 21 соединен с пропорционально-интегрирующий регулятором 22, связанным с системой компенсации низкочастотного смещения рамки 23, выполненной в виде неподвижных электродов 9, закрепленных на подложке напротив сторон рамки 3 с узлами оптического считывания 4, и подвижных электродов 10, закрепленных на внешней стороне рамки по бокам от каждого клиновидного оптического элемента 14. Инвертор 24 изменяет направление движения рамки 3 относительно узлов оптического считывания 4.In fig. Figure 4 shows a diagram of the proposed compensatory micro-optoelectromechanical angular velocity sensor. The sum of forces acts on frame 3:F 1(Ω), created by the effective angular velocity Ω around the axisOZ,F 2(a), created by the acting linear accelerationa along the axisOY,F 3[U out(a)], created by a system for compensating for low-frequency displacement of the frame 23 along the axisOY. The outputs of the optical reading nodes 4 are connected to the inputs of the processing unit 11. The outputs of the first optical reading node are connected to the inputs of the first adder 15. The outputs of the second optical reading node 4 are connected to the inputs of the second adder 16. The output of the first adder 15 is connected to the summation input of the subtracting device 17, and the output of the second adder 16 is connected to the subtracting input of the subtracting device 17. The output of the subtracting device 17 is connected to the input of the band-pass filter 18 and the second low-pass filter 21. The band-pass filter 18 is connected to a synchronous demodulator 19, the output of which is connected to the input of the first low-pass filter 20. Output the second low-pass filter 21 is connected to a proportional-integrating regulator 22, connected to a system for compensating for low-frequency displacement of the frame 23, made in the form of fixed electrodes 9 mounted on the substrate opposite the sides of the frame 3 with optical reading units 4, and movable electrodes 10 mounted on the outer side of the frame on the sides of each wedge-shaped optical element 14. The inverter 24 changes the direction of movement of the frame 3 relative to the optical reading units 4.
Устройство работает следующим образом. Первичные колебания рамки 3 вдоль оси OX создаются путем приложения переменного напряжения к системе возбуждения колебаний 2, соответствующей резонансной частоте колебаний рамки 3. В отсутствие угловой скорости, амплитуда колебаний рамки вдоль оси OY равна нулю. При внешнем вращении с угловой скоростью Ω вокруг оси OZ возникает сила Кориолиса, формирующая вторичные колебания рамки 3 вдоль оси OY. Амплитуда колебаний рамки 3 вдоль оси OY пропорциональна Ω. Эти колебания детектируются узлами оптического считывания 4. При этом, равномерный зазор между клиновидным оптическим элементом 14 и двумя призмами внутреннего отражения 13 изменяется по гармоническому закону. Изменение величины равномерного зазора приводит к изменению отражательной способности области, разделяющей поверхности отражения 12 призм полного внутреннего отражения 13 и клиновидного оптического элемента 14, что приводит к изменению мощности оптического излучения, поступающего на фотоприемник 8, и затем, после детектирования к формированию электрического сигнала, используемого в блоке обработки 11. В блоке обработки 11, реализуется дифференциальная измерительная схема, основанная на вычитающем устройстве 17. Сигналы, поступающие от вычитающего устройства 17 разделяются по частоте с помощью полосового фильтра 18 и второго фильтра низких частот 21. Полосовой фильтра 18 соединен с синхронным демодулятором 19, выход которого соединен со входом первого фильтра низкой частоты 20. Выходные сигналы второго фильтра низких частот 21 передаются на пропорционально-интегрирующий регулятор 22, связанный с системой компенсации низкочастотного смещения рамки 23, выполненной в виде неподвижных электродов 9, закрепленных на подложке напротив сторон рамки 3 с узлами оптического считывания 4, и подвижных электродов 10, закрепленных на внешней стороне рамки по бокам от каждого клиновидного оптического элемента 14. При воздействии линейного ускорения a вдоль оси OY создается дополнительное смещение рамки 3 вдоль оси OY. Такое смещение компенсируется системой компенсации низкочастотного смещения рамки 23. С помощью второго фильтра низкой частоты 21 формируются управляющие сигналы, поступающие на пропорционально-интегрирующий регулятор 22, который создает сигналы пропорциональные смещению рамки 3 под действием линейного ускорения a. Эти сигналы подаются на систему компенсации низкочастотного смещения рамки 23, выполненную в виде неподвижных электродов 9, закрепленных на подложке напротив сторон рамки 3 с узлами оптического считывания 4, и подвижных электродов 10, закрепленных на внешней стороне рамки по бокам от каждого клиновидного оптического элемента 14. Система компенсации низкочастотного смещения рамки 23 создает обратное по направлению смещение рамки 3, пропорциональное смещению рамки 3 от действия линейного ускорения a.The device works as follows. Primary oscillations of frame 3 along the OX axis are created by applying an alternating voltage to the oscillation excitation system 2, corresponding to the resonant frequency of frame 3 oscillations. In the absence of angular velocity, the amplitude of frame oscillations along the OY axis is zero. During external rotation with angular velocity Ω around the OZ axis, a Coriolis force arises, forming secondary oscillations of frame 3 along the OY axis. The amplitude of frame 3 oscillations along the OY axis is proportional to Ω. These vibrations are detected by optical reading units 4. In this case, the uniform gap between the wedge-shaped optical element 14 and two internal reflection prisms 13 changes according to a harmonic law. A change in the value of the uniform gap leads to a change in the reflectivity of the area separating the reflection surfaces 12 of the total internal reflection prisms 13 and the wedge-shaped optical element 14, which leads to a change in the power of optical radiation entering the photodetector 8, and then, after detection, to the formation of an electrical signal used in the processing unit 11. In the processing unit 11, a differential measuring circuit is implemented based on the subtracting device 17. The signals coming from the subtracting device 17 are separated by frequency using a bandpass filter 18 and a second low-pass filter 21. The bandpass filter 18 is connected to a synchronous demodulator 19, the output of which is connected to the input of the first low-pass filter 20. The output signals of the second low-pass filter 21 are transmitted to a proportional-integrating controller 22, connected to a system for compensating for low-frequency displacement of the frame 23, made in the form of fixed electrodes 9 mounted on the substrate opposite the sides of the frame 3 with optical reading units 4, and movable electrodes 10 fixed on the outer side of the frame on the sides of each wedge-shaped optical element 14. When exposed to linear acceleration a along the OY axis, an additional displacement of the frame 3 along the OY axis is created. This displacement is compensated by a system for compensating for low-frequency frame displacement 23. Using the second low-pass filter 21, control signals are generated that are supplied to the proportional-integrating controller 22, which creates signals proportional to the displacement of frame 3 under the influence of linear acceleration a . These signals are fed to a low-frequency frame displacement compensation system 23, made in the form of fixed electrodes 9 mounted on the substrate opposite the sides of the frame 3 with optical reading units 4, and movable electrodes 10 mounted on the outer side of the frame on the sides of each wedge-shaped optical element 14. The low-frequency displacement compensation system of the frame 23 creates a displacement of the frame 3 in the opposite direction, proportional to the displacement of the frame 3 from the action of linear acceleration a .
Таким образом, изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости объекта с повышенной стойкостью к линейному ускорению, действующему вдоль оси измерения и чувствительностью.Thus, the invention can be used to measure the angular velocity of an object with increased resistance to linear acceleration acting along the measurement axis and sensitivity.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806242C1 true RU2806242C1 (en) | 2023-10-30 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2410701C1 (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет Аэрокосмического приборостроения" | Micromechanical sensor of angular speed |
| RU2566384C1 (en) * | 2014-07-02 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) | Micro-opto-electromechanical two-axial angular speed and linear acceleration sensor |
| RU2790042C1 (en) * | 2022-11-16 | 2023-02-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2410701C1 (en) * | 2009-06-29 | 2011-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет Аэрокосмического приборостроения" | Micromechanical sensor of angular speed |
| RU2566384C1 (en) * | 2014-07-02 | 2015-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) | Micro-opto-electromechanical two-axial angular speed and linear acceleration sensor |
| RU2790042C1 (en) * | 2022-11-16 | 2023-02-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6350983B1 (en) | Micro-electro-opto-mechanical inertial sensor | |
| TWI482946B (en) | Vibrationskompensation fuer drehratensensoren | |
| KR100393183B1 (en) | An apparatus for electrostatically driving a microactuator | |
| US5747961A (en) | Beat frequency motor position detection scheme for tuning fork gyroscope and other sensors | |
| US6445195B1 (en) | Drive feedthrough nulling system | |
| US5099690A (en) | Fiber-optic gyroscope accelerometer | |
| RU2806242C1 (en) | Compensating micro-optoelectromechanical angular velocity sensor | |
| RU2344374C1 (en) | Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions) | |
| US5061069A (en) | Fiber-optic bender beam interferometer accelerometer | |
| US20140300899A1 (en) | Ring laser gyro | |
| RU2790042C1 (en) | Micro-optoelectromechanical angular velocity sensor | |
| EP0199137B1 (en) | Method of and apparatus for optically measuring displacement | |
| US5044749A (en) | Fiber-optic bender beam interferometer rate sensor | |
| JPH07110237A (en) | Driving and detecting circuit for oscillator | |
| US9803979B2 (en) | Systems and methods for a time-based optical pickoff for MEMS sensors | |
| EP3798642B1 (en) | Coriolis vibratory accelerometer system | |
| JP3319015B2 (en) | Semiconductor yaw rate sensor | |
| JPS62148812A (en) | Gyroscope device | |
| JP2021060280A (en) | Voltage sensor | |
| JPH10267658A (en) | Vibration-type angular velocity sensor | |
| JP2005274458A (en) | Vibratory angular velocity sensor | |
| Tanaka et al. | Laser heterodyne detection of slowly varying displacements | |
| GB2028496A (en) | Interferometer gyro | |
| RU2370733C1 (en) | Vibration-type micromechanical gyro | |
| JPH09222356A (en) | Device for calibrating vibration pick-up |