СПОСОБ КОМПЕНСИРОВАНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО СМЕЩЕНИЯ В КОРИОЛИСОВЕ ГИРОСКОПЕ, А ТАКЖЕ КОРИОЛИСОВ ГИРОСКОП, КОТОРЫЙ ПРИГОДЕН ДЛЯ ЭТОЙ ЦЕЛИ Российский патент 2008 года по МПК G01C19/56 

Настоящее изобретение относится к способу компенсирования поперечного смещения в кориолисове гироскопе, а также к кориолисову гироскопу, который пригоден для этой цели.

Кориолисовы гироскопы (называемые также вибрационными гироскопами) находят все большее применение для навигационных целей; они содержат массосодержащую систему, которую вынуждают совершать колебательные движения. Обычно, каждая массосодержащая система имеет большое число колебательных режимов, которые первоначально независимы друг от друга. При работе с кориолисовым гироскопом искусственно возбуждают особый колебательный режим массосодержащей системы, далее в тексте именуемый «возбуждающими колебаниями». Вращение кориолисова гироскопа обусловливает возникновение кориолисовых сил, которые поглощают энергию возбуждающих колебаний массосодержащей системы и таким образом сообщают массосодержащей системе последующий колебательный режим, далее именуемый «считывающими колебаниями». Для измерения вращений кориолисова гироскопа осуществляют отвод считывающих колебаний и исследование соответствующего считывающего сигнала для определения того, произошли ли какие-либо изменения в амплитуде считывающих колебаний, которые представляют собой количественную характеристику вращения кориолисова гироскопа. Кориолисовы гироскопы могут быть выполнены как в виде открытой (разомкнутой) системы, так и в виде закрытой (или замкнутой) системы. В замкнутой системе амплитуду считывающих колебаний через соответствующие контуры управления непрерывно регулируют для установки на фиксированное значение - предпочтительно ноль - и измеряют возвращающие силы.

При этом массосодержащая система кориолисова гироскопа (далее также именуемая «резонатором») конструктивно может быть выполнена значительно отличающимися способами. Например, возможно использование цельной массосодержащей системы. В качестве варианта, возможно разделение массосодержащей системы на два осциллятора, которые связаны друг с другом системой пружин, и могут выполнять взаимные перемещения относительно друг друга. Например, известна связанная система, содержащая два линейных осциллятора, которую также именуют системой со сдвоенными линейными осцилляторами. При использовании такой связанной системы вследствие производственных допусков на изготовление неизбежно появление погрешностей ориентации обоих осцилляторов по отношению друг к другу. Такие погрешности ориентации обоих осцилляторов по отношению друг к другу вызывают появление в измеренном сигнале угловой скорости составляющей сдвига нуля, так называемого «поперечного смещения» (или точнее: составляющей поперечного смещения).

Для компенсации поперечного смещения используют способы, аналогичные описанным, например, в публикациях US 2003/061877, WO 03/058167 и патенте US 6067858. В этих способах для компенсации поперечного смещения используют силы переменного значения.

Основная задача изобретения состоит в создании способа и кориолисова гироскопа, с помощью которых можно компенсировать подобную составляющую поперечного смещения.

В соответствии с изобретением указанную задачу решают способом компенсирования поперечной составляющей для резонатора, содержащего два линейных осциллятора по п.1 формулы изобретения. Настоящее изобретение также предлагает модификацию кориолисова гироскопа, пригодного для этой цели в соответствии с п.4 формулы изобретения. Еще одна модификация кориолисова гироскопа, пригодного для этой цели, описана в п.12 формулы изобретения. Признаки, характеризующие дальнейшие варианты усовершенствования и развития идеи изобретения определены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Для того чтобы облегчить понимание технических предпосылок соответствующего изобретению способа, далее в описании будут еще раз кратко пояснены физические принципы работы кориолисова гироскопа со ссылкой на пример использования системы со сдвоенными линейными осцилляторами.

Кориолисова сила может быть представлена как:

- кориолисова сила;

m - масса осциллятора;

- скорость осциллятора;

- угловая скорость.

Если реагирующая на кориолисову силу масса равна массе, совершающей колебательные движения, и если осциллятор совершает колебания с собственной частотой ω, то:

скорость осциллятора составляет:

где - амплитуда осциллятора;

ω - частота собственных колебаний осциллятора.

Следовательно, ускорение осциллятора и кориолисово ускорение составляют:

Таким образом, вектора обоих ускорений пространственно находятся под прямыми углами друг к другу и сдвинуты на 90° по отношению друг к другу во временной функции (пространственная и временная ортогональность).

Оба эти критерия можно использовать для отделения ускорения осциллятора от кориолисова ускорения . Отношение амплитуд вышеупомянутых ускорений составляет:

Если угловая скорость Ω=5°/ч, а частота собственных колебаний осциллятора f_s=10 кГц, то:

Для точности 5°/ч нежелательные коэффициенты связи первичного осциллятора со вторичным осциллятором не должны превышать 7,7·10^-10 или должны быть постоянно равны этому значению. Если используют массосодержащую систему, составленную из двух линейных осцилляторов, которые соединены друг с другом пружинными элементами, то точность пространственной ортогональности ограничена вследствие погрешности ориентации пружинных элементов, возникающей в интервале между колебательным режимом и режимом измерения. Реально достижимая точность (ограниченная производственными допусками на изготовление) составляет от 10^-3 до 10^-4. Точность временной ортогональности ограничена фазовой погрешностью электронного блока на частоте, к примеру, 10 кГц, которая также не может превышать значения от 10^-3 до 10^-4. Это означает, что отношение определенных выше ускорений не может быть удовлетворительным.

В действительности, результирующая погрешность отношения измеренных ускорений a_c/a_s составляет:

Пространственная погрешность обуславливает возникновение так называемого поперечного смещения B_Q, которое вместе с фазово-временной погрешностью Δϕ обуславливает возникновение смещения В:

Таким образом, поперечное смещение накладывает основное ограничение на точность измерения. Следует заметить, что в данном случае приведенный выше анализ погрешностей учитывает только прямую связь между колебательным и считывающим режимами. Кроме того, существуют дополнительные составляющие поперечного смещения, которые возникают, например, в результате связей с другими колебательными режимами.

Для компенсирования поперечного смещения возможно применение способа в соответствии с изобретением, в частности, для кориолисовых гироскопов, резонаторы которых выполнены в виде связанных систем, содержащих по меньшей мере один первичный и один вторичный осциллятор, способ включает следующие этапы:

- измерение поперечного смещения системы осцилляторов,

- генерирование электростатического поля с целью изменения взаимной ориентации обоих осцилляторов по отношению друг к другу, при этом ориентацию/напряженность электростатического поля регулируют так, чтобы измеряемое поперечное смещение было минимально возможным.

При этом предпочтительно произвести измерение общего поперечного смещения системы осцилляторов. Измерение предпочтительно осуществить путем демодуляции считывающего сигнала, которую выполняют посредством считывающих электродов, с 0° и соответствующим приведением в первоначальное состояние. В качестве варианта возможно произвести преднамеренное измерение лишь части поперечного смещения, получаемого в результате погрешности ориентации обоих линейных осцилляторов по отношению друг к другу. Выражение «поперечное смещение» охватывает оба варианта.

Таким образом, поперечное смещение самоликвидируется в момент возникновения, то есть погрешности механической ориентации обоих осцилляторов по отношению друг к другу компенсируются сгенерированной электромагнитным полем электростатической силой, которая действует на один или оба осциллятора.

Кориолисов гироскоп содержит первичные и вторичные пружинные элементы, при этом первичный осциллятор соединен первичными пружинными элементами с корпусом кориолисова гироскопа, а вторичный осциллятор соединен вторичными пружинными элементами с первичным осциллятором. В этом случае, электростатическое поле обуславливает изменение ориентации первичных пружинных элементов и/или вторичных пружинных элементов. Ориентацию вторичных пружинных элементов предпочтительно варьируют путем изменения местоположения/ориентации вторичного осциллятора посредством электростатического поля. Аналогично этому, ориентацию первичных пружинных элементов предпочтительно варьируют путем изменения положения/ориентации первичного осциллятора посредством электростатического поля. При этом изменение положения/ориентации осцилляторов приводит к изгибанию присоединенных к ним пружинных элементов, делая таким образом возможным осуществление корректировки соответствующих углов ориентации первичных пружинных элементов по отношению ко вторичным пружинным элементам.

В наиболее предпочтительном варианте изобретения для изменения углов ориентации первичных и вторичных пружинных элементов используют электрическое поле так, чтобы первичные и вторичные пружинные элементы были выставлены под прямым углом по отношению друг к другу. Такое размещение их под прямым углом приводит к компенсированию (составляющей) поперечного смещения, полученного таким способом. При наличии дополнительных факторов, способствующих образованию поперечного смещения, осуществляют корректировку угловой погрешности по отношению к ортогональности, что приводит к полному исчезновению поперечного смещения. Углы ориентации вторичных пружинных элементов по отношению к первичному осциллятору предпочтительно изменять посредством электростатического поля, а углы ориентации первичных пружинных элементов по отношению к корпусу кориолисова гироскопа оставлять неизменными.

Однако также возможно применение электростатического поля для изменения только углов ориентации первичных пружинных элементов или для изменения углов ориентации обоих первичных и вторичных пружинных элементов.

Кроме того, далее в соответствии с изобретением предложен кориолисов гироскоп, резонатор которого выполнен в виде связанной системы, содержащей по меньшей мере один первичный и один вторичный линейный осциллятор, и который включает:

- устройство для генерирования электростатического поля, с помощью которого изменяют ориентацию обоих осцилляторов по отношению друг к другу,

- устройство для измерения какого-либо поперечного смещения, вызванного погрешностями ориентации обоих осцилляторов по отношению друг к другу и дополнительными соединительными механизмами, и

- контур управления регулирующий напряженность электростатического поля как функцию измеренного поперечного смещения так, чтобы измеренное поперечное смещение было минимально возможным.

Кориолисов гироскоп комплектуют предпочтительно первичными и вторичными пружинными элементами, при этом первичные пружинные элементы соединяют первичный осциллятор с корпусом кориолисова гироскопа, а вторичные пружинные элементы соединяют вторичный осциллятор с первичным осциллятором. В этом случае ориентацию первичных и вторичных пружинных элементов предпочтительно выполнить под прямым углом друг к другу. При этом пружинные элементы могут иметь любую необходимую форму.

Было обнаружено, что для получения максимального эффекта вторичный осциллятор следует прикрепить или зафиксировать на первичном осцилляторе «с одного конца». В данном случае выражение «зафиксированный с одного конца» следует понимать не только в его буквальном значении, но и в общем смысле. Вообще, присоединенный или зафиксированный «с одного конца» означает, что первичный осциллятор передает усилие на вторичный осциллятор в основном с одной «стороны» первичного осциллятора. Если, например, колебательная система была бы спроектирована так, что вторичный осциллятор граничил с первичным осциллятором и был соединен с ним вторичными пружинными элементами, то выражение «зафиксирован или присоединен с одного конца» означало бы следующее: вторичный осциллятор подстроен для осуществления перемещения первичного осциллятора, при этом первичный осциллятор попеременно «толкает» или «тянет» вторичный осциллятор посредством вторичных пружинных элементов. Эффект, который дает закрепления вторичного осциллятора с одного конца первичного осциллятора, заключается в том, что, когда электростатическая сила оказывает воздействие на вторичный осциллятор как результат изменения ориентации/положения вторичного осциллятора, которое этим обусловлено, вторичные пружинные элементы могут быть слегка искривлены, позволяя таким образом беспрепятственно изменить соответствующий угол ориентации вторичных пружинных элементов. Если бы в данном примере вторичный осциллятор был соединен с дополнительными вторичными пружинными элементами таким образом, что при перемещении первичного осциллятора вторичный пружинный элемент одновременно «тянул» и «толкал» вторичный осциллятор, то это было бы эквивалентно фиксированию или присоединению вторичного осциллятора к первичному осциллятору «с обоих концов» (при этом ко вторичному осциллятору приложена сила, действующая с обоих противоположных концов первичного осциллятора). В данном случае, при воздействии электростатического поля дополнительные вторичные пружинные элементы вызывали бы появление соответствующих противоположных сил, так что изменение углов ориентации вторичных пружинных элементов было бы затруднено. Однако фиксирование с обоих концов допустимо, если дополнительные вторичные пружинные элементы конструктивно выполнены таким образом, что их влияние невелико, так что при этом все пружинные элементы могут быть также беспрепятственно согнуты, то есть фиксирование с одного конца является эффективным. В зависимости от конструктивного исполнения структуры осциллятора эффективное фиксирование с одного конца можно осуществить только «влиянием» (приложением силы) дополнительных вторичных пружинных элементов величиной 40% или меньше. Однако этот показатель не налагает какого-либо ограничения на изобретение, и допустимо также, чтобы влияние вторичных пружинных элементов превышало 40%. В качестве примера, фиксирование с одного конца может быть осуществлено всеми вторичными пружинными элементами, которые соединяют вторичный осциллятор с первичным осциллятором, расположенными параллельно и в одной плоскости друг с другом. Все начальные и конечные точки вторичных пружинных элементов соединены в каждом случае с такими же окончаниями первичного и вторичного осциллятора. При этом каждую из начальных и конечных точек вторичных пружинных элементов можно эффективно расположить на общей оси, с пересечением осей вторичных пружинных элементов под прямыми углами.

Если вторичный осциллятор присоединен или зафиксирован на первичном осцилляторе с одного конца, то первичные пружинные элементы предпочтительно конструктивно выполняют так, чтобы они фиксировали первичный осциллятор на корпусе гироскопа с обоих концов (выражения «с одного конца и «с обоих концов» здесь можно использовать аналогично). Однако в качестве варианта первичные пружинные элементы также возможно выполнить конструктивно так, чтобы они были зафиксированы на первом осцилляторе с одного конца. В качестве примера, все первичные пружинные элементы, которые соединяют первичный осциллятор с корпусом кориолисова гироскопа, можно расположить параллельно и в одной плоскости друг с другом, с размещенными в каждом случае начальными и конечными точками первичных пружинных элементов предпочтительно на общей оси. Равновозможно пружинные элементы выполнить конструктивно так, чтобы первичный осциллятор был зафиксирован на корпусе гироскопа с одного конца, а вторичный осциллятор был зафиксирован с двух концов первичным осциллятором. Также возможно, чтобы оба осциллятора были зафиксированы с двух концов. Было обнаружено, что для эффективного компенсирования поперечного смещения по крайней мере один или два осциллятора следует закрепить с одного конца.

Еще один предпочтительный вариант кориолисова гироскопа в соответствии с изобретением включает первичный и вторичный резонатор, каждый из которых выполнен в виде связанной системы, содержащей первичный и вторичный линейный осциллятор, при этом первичный резонатор механически/электростатически соединен/связан со вторым резонатором так, чтобы оба резонатора совершали колебательные движения в противофазе по отношению друг к другу вдоль общей оси колебаний.

Такой вариант соответственно включает массосодержащую систему, которая содержит две системы со сдвоенными осцилляторами (то есть два резонатора) или четыре линейных осциллятора. В данном случае, совершаемые в противофазе по отношению друг к другу колебания обоих резонаторов приводят к тому, что центр тяжести массосодержащей системы остается неизменным при условии, что оба резонатора имеют соответствующее конструктивное исполнение. Это означает, что колебания массосодержащей системы не могут вызвать какую-либо внешнюю вибрацию, которая в свою очередь могла бы привести к возникновению помех в виде затухания/отражений. Кроме того, внешние вибрации и ускорения в направлении общей оси колебаний не оказывают никакого влияния на противофазное перемещение обоих резонаторов вдоль общей оси колебаний.

В качестве примера, первый резонатор может быть связан со вторым резонатором через систему пружин, которая соединяет первый резонатор со вторым резонатором. Еще один вариант предусматривает соединение первого и второго резонаторов посредством электростатического поля. Оба соединения можно использовать вместе или по отдельности. Достаточно сформировать оба резонатора в общей подложке, так чтобы механическая связь была создана механическим пружинным соединением, образуемым самой общей подложкой.

Кроме того, в данном варианте для получения эффекта кориолисов гироскоп оснащают устройством генерирования электростатических полей, посредством которых можно изменять ориентацию линейных осцилляторов по отношению друг к другу, устройством для измерения поперечного смещения кориолисова гироскопа и контурами управления, посредством которых регулируют напряженности электростатических полей таким образом, чтобы измеренное поперечное смещение было минимально возможным.

Предпочтительно, чтобы конфигурации первичного и вторичного резонатора были идентичными. В таком случае, оба резонатора предпочтительно размещают осесимметрично по отношению друг к другу по отношению к оси симметрии, которая расположена под прямыми углами к общей оси колебаний, то есть первичный резонатор отображают осью симметрии на вторичный резонатор.

Данное изобретение будет подробнее объяснено в следующем тексте с использованием примера осуществления и со ссылками на сопроводительные чертежи, из которых:

Фигура 1 показывает эскизный чертеж массосодержащей системы в соответствии с изобретением, которая содержит два линейных осциллятора с соответствующими контурами управления, используемыми для возбуждения первичного осциллятора.

Фигура 2 показывает эскизный чертеж массосодержащей системы в соответствии с изобретением, которая содержит два линейных осциллятора с соответствующими контурами измерения и контурами управления угловой скоростью Q и поперечным смещением B_Q, а также вспомогательные контуры управления для компенсирования поперечного смещения B_Q.

Фигура 3 показывает эскизный чертеж массосодержащей системы в соответствии с изобретением, которая содержит четыре линейных осциллятора с соответствующими контурами измерения и управления угловой скоростью Q и поперечным смещением B_Q, а также вспомогательные контуры управления для компенсирования поперечного смещения B_Q.

Фигура 4 показывает эскизный чертеж предпочтительного варианта модуля управления, показанного на Фигуре 3.

На Фигуре 1 показан схематический эскиз сдвоенного линейного осциллятора 1 с соответствующими электродами, а также технологическая схема сопряженного электронного блока 2 для осуществления оценки/возбуждения. Сдвоенный линейный осциллятор 1 изготавливают предпочтительно травлением кремниевой пластины, он содержит первичный линейный осциллятор 3, вторичный линейный осциллятор 4, первичные пружинные элементы 5₁-5₄, вторичные пружинные элементы 6₁ и 6₂, а также части промежуточного корпуса 7₁ и 7₂ и корпуса гироскопа 7₃ и 7₄. Вторичный осциллятор 4 установлен внутри первичного осциллятора 3 таким образом, чтобы он мог совершать колебательные движения, и соединен с ним вторичными пружинными элементами 6₁, 6₂. Первичный осциллятор 3 соединен с корпусом 7₃, 7₄ гироскопа посредством первичных пружинных элементов 5₁-5₄ и промежуточного корпуса 7₁, 7₂.

Кроме того, имеются электроды первичного возбуждения 8₁-8₄, электроды первичного считывания 9₁-9₄, электроды вторичного возбуждения 10₁-10₄ и электроды вторичного считывания 11₁ и 11₂. Все электроды механически соединены с корпусом гироскопа, но электрически изолированы. Выражение «корпус гироскопа» означает механическую, не совершающую колебания структуру, в которую «встроены» осцилляторы, например, не совершающую колебания часть кремниевой пластины.

При возбуждении колебаний первичного осциллятора 3 посредством электродов первичного возбуждения 8₁-8₄ для совершения колебательных движений в направлении Х1, это движение передается через вторичные пружинные элементы 6₁, 6₂ на вторичный осциллятор 4 (попеременно «натяжение» и «толчок»). Вертикальная ориентация первичных пружинных элементов 5₁-5₄ предотвращает перемещение первичного осциллятора 3 в направлении Х2. Однако вторичный осциллятор 4 может совершать вертикальные колебательные движения вследствие горизонтальной ориентации вторичных пружинных элементов 6₁, 6₂. При возникновении соответствующих кориолисовых сил вторичный осциллятор 4 приходит в возбужденное состояние и совершает колебательные движения в направлении Х2.

Считывающий сигнал, который принимают от электродов первичного считывания 9₁-9₄ и который пропорционален перемещению первичного осциллятора 3 в направлении Х1, подают через соответствующие усилительные элементы 21, 22 и 23 на аналого-цифровой преобразователь 24. Выходной сигнал, преобразованный соответствующим образом в цифровую форму и поступающий с аналого-цифрового преобразователя 24, подвергают демодуляции не только первичным демодулятором 25, но также и вторичным демодулятором 26 для формирования соответствующих выходных сигналов, при этом оба демодулятора работают со сдвигом 90° по отношению друг к другу. Выходной сигнал от первичного демодулятора 25 подают на первичный стабилизатор 27 с целью регулирования частоты возбуждающих колебаний (колебательных движений массосодержащей системы 1 в направлении Х1), выходной сигнал которого управляет частотным генератором 30 так, чтобы идущий после демодулятора 25 сигнал был стабилизирован на нуле. Аналогично этому, выходной сигнал от вторичного демодулятора 26 стабилизируют на постоянное значение, которое заранее установлено компонентом электронного блока 29. Вторичный стабилизатор 31 обеспечивает стабилизацию амплитуды возбуждающих колебаний. Посредством умножителя 32 выполняют умножение друг на друга выходных сигналов, поступающих от частотного генератора 30 и амплитудного стабилизатора 31. Поступающий от умножителя 32 выходной сигнал, который пропорционален силе, приложенной к электродам первичного возбуждения 8₁-8₄, воздействует не только на первичный преобразователь сила/напряжение 33, но также на вторичный преобразователь сила/напряжение 34, которые используют цифровой сигнал силы для получения цифровых сигналов напряжения. Цифровые выходные сигналы с преобразователей 33, 34 сила/напряжение с помощью первичного и вторичного цифро-аналоговых преобразователей 35, 36 преобразуют в соответствующие аналоговые сигналы напряжения, которые затем поступают на электроды 8₁-8₄ первичного возбуждения. Первичный стабилизатор 27 и вторичный стабилизатор 31 подстраивают частоту собственных колебаний первичного осциллятора 3 и устанавливают амплитуду возбуждающих колебаний на заранее точно определенное значение.

Перемещение вторичного осциллятора 4 в направлении Х2 (считывающие колебания), вызванное возникновением кориолисовых сил, измеряют электродами 11₁, 11₂ вторичного считывания, и считывающий сигнал, который пропорционален величине перемещений считывающих колебаний в направлении Х2, через соответствующие усилительные элементы 40, 41 и 42 подают на аналого-цифровой преобразователь 43 (смотри Фигура 2). Демодуляцию цифрового выходного сигнала с аналого-цифрового конвертера 43 осуществляют третьим демодулятором 44 в фазе с сигналом прямого смещения, а четвертым демодулятором 45 осуществляют демодуляцию со сдвигом в 90°. Соответствующий выходной сигнал с первого демодулятора 44 подают на третий стабилизатор 46, выходной сигнал которого представляет собой компенсирующий сигнал и соответствует подлежащей измерению угловой скорости Ω. Выходной сигнал с четвертого демодулятора 45 подают на четвертый стабилизатор 47, выходной сигнал которого представляет собой компенсирующий сигнал и пропорционален подлежащему компенсированию поперечному смещению. Выходной сигнал с третьего стабилизатора модулируют первичным модулятором 48, а выходной сигнал с четвертого стабилизатора 47 модулируют аналогичным образом с помощью вторичного модулятора 49, так что происходит образование амплитудно-регулируемых сигналов, частоты которых соответствуют собственной частоте колебательных движений в направлении Х1 (sin ^=0°, cos ^=90°). Соответствующие выходные сигналы с модуляторов 48, 49 складывают в суммирующем каскаде 50, выходной сигнал которого подают как на третий преобразователь сила/напряжение 51, так и на четвертый преобразователь сила/напряжение 52. Соответствующие выходные сигналы преобразователей сила/напряжение 51, 52 подают на цифроаналоговые преобразователи 53, 54, аналоговые выходные сигналы которых подводят к электродам вторичного возбуждения 10₂ и 10₃, и приводят в исходное положение амплитуды колебаний вторичного осциллятора 4.

Электростатическое поле, которое сгенерировано электродами вторичного возбуждения 10₁ и 10₄ (или два электростатических поля, которые сгенерированы парами электродов 10₁, 10₃ и 10₂, 10₄) приводит к изменению ориентации/положения вторичного осциллятора 4 в направлении Х2 и тем самым к изменению выставок вторичных пружинных элементов 6₁-6₂. Четвертый стабилизатор 47 стабилизирует сигнал, который подводят к электродам вторичного возбуждения 10₁ и 10₄, таким образом, что поперечное смещение, которое включено в сигнал компенсирования четвертого стабилизатора 47, является минимально возможным или отсутствует. Для этой цели используют пятый стабилизатор 55, пятый и шестой преобразователь сила/напряжение 56, 57 и два аналого-цифровых преобразователя 58, 59.

Выходной сигнал с четвертого стабилизатора 47, который представляет собой количественную характеристику поперечного смещения, подают на пятый стабилизатор 55, который стабилизирует электростатическое поле, сгенерированное двумя электродами возбуждения 10₁ и 10₄ таким образом, что поперечное смещение B_Q исчезает. Для этой цели выходной сигнал с пятого стабилизатора 55 в каждом случае подают на пятый и шестой преобразователи 56, 57 сила/напряжение, которые используют цифровой выходной сигнал силы с пятого стабилизатора для генерирования цифровых сигналов напряжения. Затем последние в аналого-цифровых преобразователях 58, 59 преобразовывают в аналоговые сигналы напряжения. Аналоговый выходной сигнал с аналого-цифрового преобразователя 58 подают на электрод вторичного возбуждения 10₁ или, как вариант, 11₁. Аналоговый выходной сигнал с аналого-цифрового преобразователя 59 подают на электрод вторичного возбуждения 10₄ или, как вариант, 11₂.

Вторичный осциллятор 4 фиксируют только вторичными пружинными элементами 6₁-6₂ (фиксирование с одного конца), с помощью электростатического поля можно беспрепятственно произвести изменение ориентации указанных пружинных элементов. Также можно предусмотреть дополнительные вторичные пружинные элементы, которые обуславливают фиксирование вторичного осциллятора 4 с обоих концов, при условии, что эти дополнительные пружинные элементы имеют соответствующее конструктивное исполнение, обеспечивающее эффективное фиксирование с одного конца. Для достижения такого же эффекта для пружинных элементов 5₁, 5₂, а также пружинных элементов 5₃, 5₄ можно исключить третий и четвертый пружинные элементы 5₃, 5₄ и первичные и вторичные пружинные элементы 5₁, 5₂, что приводит к фиксированию первичного осциллятора 3 с одного конца (наряду с соответствующим образом модифицированной конфигурацией электродов, которая здесь не показана). В такой ситуации, для осуществления фиксирования с обоих концов вторичный осциллятор 4 может быть присоединен к первичному осциллятору с помощью добавочных пружинных элементов.

Показанное на Фигурах 1 и 2 расположения электродов может быть изменено. Например, в качестве варианта в каждом случае для формирования одного электрода можно скомпоновать электроды, обозначенные на Фигурах 1 и 2 позициями 8₁, 9₁, 9₂, 8₂, а также 8₃, 9₃, 9₄, 8₄. С помощью способов, пригодных для использования несущей частоты, скомпонованному таким образом электроду можно назначить множество задач, то есть электрод одновременно обладает функцией считывания, возбуждения и компенсирования. Кроме того, в качестве варианта в каждом случае для формирования одного электрода можно объединить электроды, обозначенные позиционными номерами 11₁, 10₁, 10₃, а также 11₂, 10₂ и 10₄.

Еще один возможный вариант кориолисова гироскопа в соответствии с изобретением и способ его эксплуатирования будет подробнее описан далее со ссылкой на Фигуру 3.

На Фигуре 3 показано схематическое изображение связанной системы 1', содержащей первичный резонатор 70₁ и вторичный резонатор 70₂. Первичный резонатор 70₁ соединен со вторичным резонатором 70₂ элементом механической связи 71, например пружиной. Первичный и вторичный резонатор 70₁, 70₂ формируют в общей подложке, их можно вынудить совершать колебательные движения в противофазе по отношению друг к другу вдоль общей оси колебаний 72. Первичный и вторичный резонаторы 70₁, 70₂ идентичны, их отображают друг на друга по оси симметрии 73. Объяснение конструктивного исполнения первичного и вторичного резонатора 70₁, 70₂ уже было приведено в связи с Фигурами 1 и 2 и поэтому не будет повторено; идентичные и взаимосоответствующие компоненты или группы компонентов обозначены одинаковыми позиционными номерами для идентичных компонентов, которые соотнесены с разными резонаторами, обозначенными разными индексами.

Основное отличие между сдвоенными осцилляторами, показанными на Фигуре 3, и сдвоенными осцилляторами, показанными на Фигурах 1 и 2, состоит в том, что некоторые отдельные электроды физически объединены с целью формирования одного сплошного электрода. Так, например, отдельные электроды, которые идентифицированы на Фигуре 3 позиционными номерами 8₁, 8₂, 9₁ и 9₂ образуют общий электрод. Более того, отдельные электроды, которые идентифицированы позиционными номерами 8₃, 8₄, 9₃ и 9₄, образуют общий электрод, а отдельные электроды, обозначенные позициями 10₄, 10₂, 112, а также 11₁, 10₃ и 10₁ каждый образуют сплошной электрод. Аналогичным образом то же самое применяют к другой системе со сдвоенными осцилляторами.

При работе связанной системы 1' в соответствии с изобретением два резонатора 70₁, 70₂ совершают колебательные движения в противофазе вдоль общей оси колебаний 72. В результате этого, связанная система 1' не подвержена воздействию внешних помех или помех, которые вызывает сама связанная система 1' в подложке, в которую устанавливают резонаторы 70₁ и 70₂.

При вращении связанной системы 1' вторичные осцилляторы 4₁ и 4₂ отклоняют во взаимопротивоположных направлениях (в направлении Х2 и в направлении, противоположном Х2). При возникновении ускорения связанной системы 1' каждый из вторичных осцилляторов 4₁, 4₂ отклоняют в том же направлении, в частности в направлении ускорения при условии, что это ускорение имеет направление Х2 или противоположное ему. В результате этого, можно произвести измерение одновременных или чередующихся ускорений и вращений.

В принципе, возможна работа связанной системы 1' на основе электронного блока 2 для измерения/возбуждения, описанного для Фигур 1 и 2. Однако для показанного на Фигуре 3 варианта вместо этого используют альтернативный способ (способ несущей частоты). Указанный способ работы будет описан далее.

Электронный блок 2 для измерения/возбуждения, который обозначен позицией 2', содержит три контура управления: первый контур управления для возбуждения и/или управления противофазными колебаниями первичных осцилляторов 3₁ и 3₂ вдоль общей оси колебаний 72, второй контур управления для приведения в исходное состояние и компенсирования колебаний вторичного осциллятора по направлению Х2 и контур управления для приведения в исходное состояние и компенсирования колебаний вторичного осциллятора 4₂ по направлению Х2. Три описанных контура управления содержат усилитель 60, аналого-цифровой преобразователь 61, модуль 62 разделения сигналов, с первого по третий модули демодуляции 63₁-63₃, модуль 64 управления, модуль 65 расчета напряжения на электродах, модуль 67 добавления несущей частоты и с первого по шестой цифроаналоговые преобразователи 66₁-66₆.

Несущие частоты могут быть поданы на электроды 8₁-8₈, 9₁-9₈, 10₁-10₈ и 11₁-11₄ для отвода/возбуждения (отводящее возбуждение) противофазных колебаний или колебаний вторичных осцилляторов 4₁, 4₂ целым рядом способов: а) использованием трех различных частот, с одной частотой, связанной с каждым из контуров управления, б) использованием способа мультиплексирования с временным разделением сигналов прямоугольной формы, или в) использованием скремблирования с беспорядочной фазой (способ стохастической модуляции). Несущие частоты подают на электроды 8₁-8₈, 9₁-9₈, 10₁-10₈ и 11₁-11₄ с помощью соотнесенных сигналов UyAo, UyAu (для вторичного осциллятора 4₁) и Uxl, Uxr (для противофазного резонанса первичных осцилляторов 3₁-3₂), а также UyBu и UyBo (для вторичного осциллятора 4₂), которые генерируют в модуле добавления несущей частоты 67 и осуществляют их возбуждение в противофазе относительно выше упомянутых частотных сигналов. Колебательные движения первичных и вторичных осцилляторов 3₁, 3₂, 4₁ и 4₂ отводят теми частями корпуса гироскопа, которые обозначены позиционными номерами 7₇, 7₉, 7₁₁ и 7₁₃, и кроме того, в данном случае их используют в качестве отводящих электродов в дополнение к их функции точек подвеса массосодержащей системы. Для этого с целью получения эффекта предпочтительно, чтобы оба резонаторы 70₁, 70₂ конструктивно были выполнены электропроводящими, включая все корпуса, пружины и соединения. Сигнал, который отводят с помощью частей корпуса гироскопа 7₇, 7₉, 7₁₁ и 7₁₃ и подают на усилитель 60, содержит информацию о всех трех колебательных режимах, его преобразуют аналого-цифровым преобразователем 61 в цифровой сигнал, который подают на модуль 62 разделения сигналов. В модуле 62 разделения сигналов этот составной сигнал разделяют на три различных сигнала: х (который содержит информацию о противофазных колебаниях), уА (который содержит информацию об отклонении вторичного осциллятора 4₁), а также уВ (который содержит информацию об отклонении вторичного осциллятора 4₂). Эти сигналы разделяют по-разному в зависимости от разновидности используемого способа несущей частоты (смотрите пункты с а) по в) выше), и осуществляют путем демодуляции с соответствующим сигналом используемого способа несущей частоты. Сигналы х, уА и уВ подают на модули демодуляции 63₃-63₃, которые выполняют их демодуляцию, используя рабочую частоту противофазных колебаний для 0° и 90°. Предпочтительно, чтобы модуль 64 управления, а также модуль 65 расчета напряжения на электродах для регулирования/расчета сигналов соответственно Fxl/r или Uxl/r имели конфигурацию, аналогичную модулю 2 электронного блока, показанному на Фигуре 1. Предпочтительно, чтобы модуль 64 управления и модуль 65 расчета напряжения на электродах для регулирования/расчета сигналов FyAo/u, UyAo/u и FyBo/u, UyBo/u имели конструктивное исполнение, аналогичное модулю 2 электронного блока, показанному на Фигуре 2; единственное отличие состоит в том, что сигналы для приведения к первоначальному значению угловой скорости и сдвига по фазе на 90° после умножения на рабочую частоту проходят вместе с напряжениями постоянного тока для вспомогательного стабилизатора сдвига фаз на 90° к паре комбинированных электродов. Вследствие этого осуществляют сложение обоих сигналов, так что расчет напряжений на электродах включает сигналы, приводящие к первоначальному значению частоту колебаний, и сигнал постоянного тока для регулирования сдвига фаз 90°, а также подстройки частоты. Затем рассчитанные таким образом напряжения на электродах Uxl/r, UyAo/u и UyBo/u добавляют к сигналам несущей частоты и с помощью аналого-цифровых преобразователей 66₁-66₆ совместно передают на электроды.

На Фигуре 4 показан предпочтительный вариант системы управления, обозначенной на Фигуре 3 позицией 64. Система управления 64 содержит с первой по третью части 64₁-64₃. Первая часть 64₁ содержит первичный стабилизатор 80, частотный генератор 81, вторичный стабилизатор 82, компонент электронного блока 83, суммирующий каскад 84 и умножитель 85. Способ работы первой части в основном соответствует способу работы модуля 2 электронного блока, показанного на Фигуре 1, и поэтому еще раз здесь описан на будет. Вторая часть 64₂ содержит первичный стабилизатор 90, первичный модулятор 91, вторичный стабилизатор 92, вторичный модулятор 93 и третий стабилизатор 94. Кроме того, предусмотрены первичный и вторичный суммирующие каскады 95, 96. Сигнал угловой скорости Ω можно измерить на выходе первичного стабилизатора 90, а на выходе третьего стабилизатора 94 можно измерить составной сигнал, содержащий компоненту компенсации поперечного смещения B_Q1 и компоненту ускорения А. Третья часть 64₃ системы управления 64 содержит первичный стабилизатор 100, первичный модулятор 101, вторичный стабилизатор 102, вторичный модулятор 103 и третий стабилизатор 104. Кроме того, предусмотрены первичный и вторичный суммирующие каскады 105, 106. Сигнал угловой скорости Ω с отрицательным математическим знаком может быть отведен на выходе первичного стабилизатора 100, а на выходе третьего стабилизатора 104 может быть отведен составной сигнал, содержащий компоненту компенсации поперечного смещения В_Q2 с отрицательным математическим знаком и компоненту сигнала ускорения А. Способ работы второй и третей частей 64₂ и 64₃ соответствует способу работы модуля электронного блока 2, проиллюстрированного на Фигуре 1, и поэтому повторно описан не будет.

Преимущество описанных выше способов несущей частоты с противофазным возбуждением состоит в том, что к усилителю 60 сигнал подводят только, когда отклонены линейные осцилляторы 3₁, 3₂, а также 4₁ и 4₂. Используемые для возбуждения частотные сигналы могут быть дискретными частотами или иметь прямоугольную форму. Возбуждение сигналами прямоугольной формы предпочтительно вследствие простоты его получения и обработки.

Благодаря линейному перемещению на плоскости пластины подложки сдвоенные линейные осцилляторы отличает особенно высокое качество. В соответствии с изобретением, всеобъемлющее компенсирование поперечного смещения в отношении линейных резонаторов, у которых по крайней мере один осциллятор зафиксирован с одного конца, можно осуществить регулированием ортогональности пружин. Этого достигают путем изменения угла пружин осциллятора, который зафиксирован с одного конца, посредством напряжения переменного тока, так что измеренное поперечное значение B_Q принимает нулевое значение. Как описано выше, для этой цели используют соответствующий контур управления, который стабилизирует вышеупомянутое напряжение постоянного тока так, чтобы B_Q=0. Этот контур управления компенсирует поперечное смещение в момент его возникновения и улучшает точность гироскопов с линейными колебаниями на несколько порядков.

Каждый из линейных осцилляторов резонатора предпочтительно эксплуатировать при двойном резонансе.

Изобретение относится к вибрационным (кориолисовым) гироскопам. В способе компенсирования поперечного смещения в кориолисовом гироскопе, резонатор которого (1) выполнен в виде связанной системы, содержащей первичный и вторичный линейный осциллятор (3, 4), определяют поперечное смещение кориолисова гироскопа. Электростатическое поле генерируют путем изменения взаимной ориентации обоих осцилляторов (3, 4) по отношению друг к другу, при этом ориентацию/напряженность электростатического поля регулируют так, чтобы измеренное поперечное смещение было минимально возможным, что позволяет уменьшить погрешность ориентации осцилляторов по отношению друг к другу. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ компенсирования поперечного смещения в кориолисове гироскопе, резонатор которого (1) выполнен в виде связанной системы, содержащей первичный и вторичный линейный осцилляторы (3, 4), при этом первичный осциллятор (3) соединен с корпусом кориолисова гироскопа первичными пружинными элементами (5₁-5₄), а вторичный осциллятор (4) соединен с первичным осциллятором (3) вторичными пружинными элементами (6₁-6₂), включающий следующие этапы:

измерение поперечного смещения кориолисова гироскопа,

генерирование электростатического поля с целью изменения взаимной ориентации обоих осцилляторов (3, 4) по отношению друг к другу, причем электростатическое поле создает постоянную силу, которая приводит к изменению ориентации первичных пружинных элементов (5₁-5₄) и/или изменению ориентации вторичных пружинных элементов (6₁, 6₂), при этом ориентацию/напряженность электростатического поля регулируют так, чтобы измеренное поперечное смещение было минимальным возможным.