СПОСОБ СБОРКИ ГИРОСКОПОВ И ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 2008 года по МПК G01C19/56 

Предлагаемые изобретения относятся к измерительной технике, в частности к вибрационным гироскопическим приборам, предназначенным для измерения угловой скорости.

Известен гироскоп-акселерометр, который состоит из одной кремниевой и двух стеклянных пластин. В кремниевой пластине путем травления сформированы базовая рамка и два маятниковых узла, которые связаны с рамкой с помощью упругих перемычек. Маятники могут упруго перемещаться вдоль оси, нормальной плоскости пластины (патент США №5392650, класс 73/517 А, 1995).

Система возбуждения может вызывать колебания маятниковых узлов в противофазе в плоскости пластины, что, по сути, эквивалентно вращению всей пластины вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости. При наличии вращения основания, на котором установлен акселерометр-гироскоп, его маятники под действием сил Кориолиса начнут совершать колебания с частотой возбуждения. Амплитуды колебаний маятников зависят от угловой скорости поворота прибора.

На базовую рамку кремниевой пластины с двух сторон жестко установлены две стеклянные пластины с электродами, которые совместно с кремниевой пластиной, как общим электродом, образуют пару дифференциальных емкостных датчиков смещения маятников.

Основными недостатками рассмотренного акселерометра-гироскопа являются, во-первых, невозможность изготовления кремниевой пластины с идентичными маятниковыми узлами, что приводит к дополнительной погрешности прибора, и, во-вторых, в данной конструкции достаточно сложно осуществить режим резонансной настройки колебаний маятников и маятниковых узлов.

Известен вибрационный гироскоп, который имеет корпус с установленным в нем узлом вибрирующего кольца, называемым также роторным узлом.

Роторный узел выполнен из единой пластины монокристалла кремния и состоит из ротора в виде внешнего кольца и внутренней ступицы, которые связаны друг с другом упругими элементами. Ступица соединена с корпусом также упругими связями. При этом ротор может совершать угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей (вокруг оси, нормальной плоскости кольца, и оси, расположенной в плоскости кольца).

В гироскопе электростатически могут быть возбуждены угловые колебания ротора вокруг оси, нормальной его плоскости (оси возбуждения). При наличии вращения корпуса гироскопа под действием сил Кориолиса его ротор начинает совершать колебания вокруг второй оси (выходной оси) с амплитудой, которая пропорциональна угловой скорости поворота.

На корпусе гироскопа образована диэлектрическая подложка (изоляционный слой), на которой имеются два электрода. Электроды совместно с кремниевым ротором (как общим электродом) образуют дифференциальный емкостный датчик смещения ротора (патент США №5555765, класс 73/504.09, 1996).

К недостаткам данного гироскопа следует отнести следующее:

1. Ротор гироскопа связан с корпусом упругим кардановым подвесом, который позволяет совершать ротору угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей. Реализация совершенного упругого подвеса такого типа достаточна сложна.

2. Электроды дифференциального датчика смещения ротора и электроды электростатического возбуждения ротора имеют друг с другом емкостную связь, что приводит к влиянию системы возбуждения на систему измерения и соответственно к ошибкам гироскопа.

3. В данной конструкции гироскопа трудно осуществить возбуждение ротора с достаточно большой амплитудой, что ограничивает достижения высокой чувствительности прибора.

Известен вибрационный гироскоп, который имеет ротор в виде плоской рамки и ступицы, связанных друг с другом двумя упругими торсионами. Рамка, ступица и упругие торсионы образованы из единой кремниевой пластины методами химического травления. На ступице жестко закреплены с двух сторон изоляционные пластины, на которые нанесены металлизацией электроды, образующие совместно с кремниевой рамкой (как общим электродом) емкостные датчики смещения и электростатические датчики силы. Так как рамка относительно изоляционных пластин расположена с зазором, она может совершать угловые колебания вокруг одной оси, расположенной в плоскости рамки (оси упругих торсионов). Колебания вокруг второй ортогональной оси рамка совершает на упругой оси, перпендикулярной плоскости пластин. Для возбуждения этих колебаний используется магнитоэлектрический способ, для чего на изоляционных пластинах напылена катушка, витки которой размещены в поле постоянных магнитов (Патент Российской Федерации №2219495, G01С 19/56, G01Р 9/04, 2002). Указанный гироскоп является прототипом предлагаемого изобретения.

Для идеальной конструкции вибрационного гироскопа возбуждение колебаний рамки вокруг оси возбуждения, перпендикулярной ее плоскости, не приводит к колебаниям вокруг второй (выходной) оси при отсутствии вращения прибора. Вращение прибора из-за действия момента сил Кориолиса вызывает колебания рамки вокруг выходной оси, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости вращения прибора. В силу несовершенства технологических процессов изготовления реальная конструкция гироскопа отлична от идеальной, что приводит к ряду погрешностей. В частности, из-за неперпендикулярности осей поворота рамки, вокруг выходной оси возникают колебания даже при отсутствии вращения прибора (корпуса гироскопа). Эти колебания приводят к появлению в выходном сигнале вибрационного гироскопа квадратурной составляющей. Название «квадратурная» обусловлено тем, что фаза этой составляющей отличается от фазы полезного сигнала на . Наличие квадратурной составляющей является одним из основных барьеров достижения высокой точности вибрационных гироскопов.

В прототипе используется способ повышения точности гироскопа, заключающийся в стремлении обеспечить при сборке гироскопа максимально возможную взаимную перпендикулярность трех осей гироскопа - возбуждения колебаний инерционного тела гироскопа (оси возбуждения), воздействия внешнего параметра (входной оси) и измерения выходного сигнала (выходной оси) и контроле величины выходного сигнала, пропорциональной колебаниям в пространстве выходной оси, обусловленным неперпендикулярностью указанных трех осей гироскопа, которую исключить сборочными операциями практически невозможно.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности вибрационного гироскопа за счет снижения величины квадратурной составляющей его выходного сигнала.

Указанный технический результат в способе повышения точности вибрационных гироскопов, заключающемся в обеспечении при сборке гироскопа взаимной перпендикулярности оси возбуждения колебаний инерционного тела, оси воздействия внешнего параметра и оси измерения выходного сигнала и контроле величины выходного сигнала, пропорциональной колебаниям оси измерения выходного сигнала, обусловленным неперпендикулярностью указанных осей, достигается тем, что в каждом гироскопе размещают симметрично относительно геометрического центра масс инерционного тела дополнительные грузы переменной массы, в процессе сборки изменяют массы дополнительных грузов и контролируют величину выходного сигнала при подаче сигнала возбуждения колебаний инерционного тела относительно оси возбуждения и отсутствии воздействия внешнего параметра, а при равенстве этого выходного сигнала нулю или заданной величине фиксируют положение и величину масс дополнительных грузов.

Кроме того, изменение масс дополнительных грузов могут производить из условия полной компенсации квадратурной погрешности выходного сигнала, исходя из следующего соотношения:

А_рχ₁=2mx_mz_m,

где А_р - момент инерции инерционнго тела относительно оси измерения выходного сигнала,

χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения колебаний инерционного тела и оси измерения выходного сигнала,

m - масса дополнительного груза,

x_m, z_m - координаты дополнительного груза соответственно относительно оси возбуждения колебаний инерционного тела и оси измерения выходного сигнала.

Указанный технический результат в вибрационном гироскопе, содержащем корпус, связанные друг с другом двумя упругими торсионами инерционное тело в виде плоской рамки и ступицу, которая соединена с корпусом посредством упругой оси, а также две параллельные плоскости этой рамки с двух ее сторон изоляционные пластины с электродами и катушкой, расположенной в поле магнитной системы для возбуждения колебаний рамки, сервисную электронику, связанную с электродами и катушкой, достигается тем, что на двух противоположных сторонах рамки, симметрично относительно общей геометрической оси упругих торсионов, выполнены четыре площадки, параллельные плоскости рамки, а на каждой из площадок жестко закреплена пластина в виде гребенки.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 показана принципиальная геометрическая схема реализации способа;

на фиг.2 показан роторный узел вибрационного гироскопа;

на фиг.3 показан пример компоновки конструктивных элементов гироскопа.

Математическое обоснование и последующая реализация способа повышения точности вибрационных гироскопов заключаются в следующем.

При поддержании угловых колебаний микромеханического узла вибрационного гироскопа вокруг оси возбуждения по гармоническому закону с постоянной амплитудой качки γ₀ рамка будет совершать вынужденные угловые колебания вокруг выходной оси вида

где: α_n, α_кв - угловые колебания рамки, обусловленные соответственно воздействием внешнего параметра (угловой скоростью вращения прибора вокруг оси Y) и квадратурной составляющей погрешности;

ω_γ - угловая скорость колебаний рамки гироскопа вокруг оси Z (оси возбуждения), - приведенная к входной измеряемой угловой скорости объекта квадратурная погрешность вибрационного гироскопа,

А_P, В_P, С_P - моменты инерции рамки соответственно вокруг оси Х (выходная ось), оси Y (ось воздействия внешнего параметра), оси Z (ось возбуждения),

χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения и выходной оси,

χ - угол разворота главных осей инерции рамки, обусловленный несимметрией инерционного тела (рамки) гироскопа.

Коэффициент преобразования и фазовый сдвиг ϕ зависят от соотношения частоты ω_γ и ω_α - частоты колебаний рамки вокруг выходной оси.

Определение угловой скорости вращения объекта (корпуса прибора) Ω_Y в вибрационном гироскопе осуществляется по результатам измерения и анализа амплитуды угловых колебаний рамки. При отсутствии вращения объекта ( Ω_Y=0) наблюдаемые угловые колебания рамки вокруг выходной оси обусловлены одной только квадратурной погрешностью. Величина входной угловой скорости, которая вызвала бы аналогичный отклик колебательной системы по амплитуде вокруг выходной оси, должна быть равна Ω_кв. Квадратурная погрешность Ω_кв имеет две составляющие: первая связана с неперпендикулярностью выходной оси и оси возбуждения (угол χ₁), вторая обусловлена разворотом главных осей инерции рамки (угол χ).

Технологически возможно реализовать при изготовлении вибрационного гироскопа неперпендикулярность осей прибора на уровне не хуже чем ±10 угловых минут, т.е. . Считаем при оценке, что главная ось инерции рамки совпадает с измерительной осью (χ=0). Тогда для ω_γ=2500 с^-1 имеем: Ω_кв=±205°/с. Как видно, величина квадратурной погрешности чрезвычайно велика при технически реализуемых требованиях к сборке. Для получения приемлемой точности вибрационного гироскопа необходимо принять меры для компенсации влияния квадратурной погрешности.

Способ уменьшения квадратурной погрешности основывается на том обстоятельстве, что она состоит из двух составляющих. Неперпендикулярность осей и соответственно обусловленную этим составляющую квадратурной погрешности не представляется снизить меньше определенной величины. Вторая составляющая квадратурной погрешности определяется положением главных осей инерции рамки. Навешивая дополнительные грузики на рамку маятника, можно изменить (повернуть) положение ее главных осей и соответственно изменить величину второй составляющей квадратурной погрешности. Выбрав определенные величины масс грузиков и места их крепления на рамке, можно добиться того, что вторая составляющая квадратурной погрешности полностью компенсирует первую.

Для практической реализации предлагаемого способа компенсации квадратурной погрешности необходимо знать соотношения, определяющие влияние грузиков на положение главных осей инерции рамки и соответственно на величину квадратурной погрешности.

На фиг.1 показана рамка вибрационного гироскопа с установленными на ней дополнительными грузиками.

На фиг.1 приняты обозначения: оси х, z связаны с микромеханическим узлом, ось z - ось возбуждения, вокруг которой узел совершает угловые колебания со скоростью ; оси х_г, z_г - две из трех главных центральных осей инерции рамки без грузиков, ось х_г - выходная ось, χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения и выходной оси; χ - угол разворота главных центральных осей инерции рамки. Два дополнительных грузика расположены на рамке симметрично, и каждый из них имеет массу m. Грузики при расчетах считаем точечными массами, расположенными в центре масс грузиков с координатами x_m, z_m (y_m=0). Тензор инерции рамки с грузиками в системе x_г, у_г, z_г имеет вид

Тензор инерции рамки с грузиками в системе координат , которая повернута относительно системы х_г, у_г, z_г на некоторый малый угол χ вокруг оси у_г по часовой стрелке, может быть представлен в следующем приближенном виде:

Для того, чтобы новые оси были главными осями инерции, тензор (3) должен иметь все центробежные моменты инерции (недиагональные члены) равными нулю. Это условие выполняется, если новая система координат будет повернута относительно исходной на угол

Поворот главных осей инерции, как показано выше, приведет к изменению величины квадратурной погрешности. Так, если квадратурная погрешность для рамки без грузиков составляет величину (χ₂=0), то для рамки с грузиками она изменится до значения (χ₂=-χ₀). Условие полной компенсации квадратурной погрешности за счет динамической балансировки будет иметь вид

Исходя из вышесказанного, можно реализовать способ уменьшения квадратурной погрешности следующим образом. Вокруг оси возбуждения задаются гармонические угловые колебания с постоянной амплитудой качки. Для неподвижного прибора ( Ω_y=0) и отсутствия управляющего момента вокруг выходной оси (М_α=0) измеряется выходной сигнал, пропорциональный квадратурной погрешности. Зная коэффициенты преобразования вибрационного гироскопа (например, расчетные), можно вычислить расчетную массу дополнительных грузиков и места их крепления на рамку, при которых выполняется условие полной компенсации квадратурной погрешности (5). После установки грузиков на рамке маятника проверяется по показаниям степень компенсации квадратурной погрешности. Предполагается, что квадратурная погрешность данным способом может быть скомпенсирована на уровне нескольких процентов. При этом некомпенсированная часть квадратурной погрешности должна быть достаточно стабильной величиной, так как она определяется геометрической стабильностью узла «рамка+грузики», которая обеспечивается технологически.

Роторный узел вибрационного гироскопа состоит из рамки 1 (инерционного тела или ротора) и ступицы 2, связанных друг с другом двумя упругими торсионами 3. Рамка 1, ступица 2 и упругие торсионы 3 выполнены из единой пластины монокристалла кремния травлением. Упругие оси 4 одними концами жестко связаны со ступицей 2, а другими через переходные элементы 9, 10 с корпусом 8. Со ступицей жестко соединены две изоляционные пластины 5, на каждой из которых со стороны рамки 1 напротив ее плеч с прорезями металлизацией образованы два электрода (не показаны). Эти два электрода совместно с рамкой 1, как с общим электродом, образуют одновременно и дифференциальный емкостной датчик угла поворота рамки 1 вокруг оси X, и электростатический датчик момента сил. На внешней стороне каждой пластины по ее периметру металлизацией выполнена плоская катушка (не показана), которая размещается в поле постоянных магнитов 7. Количество витков катушки выбирается из конструктивных и технологических возможностей и обычно их достаточно не более десяти. Катушки обеих пластин включены последовательно, для чего их концы соединены внешним проводником и связаны с сервисной электроникой (не показана).

Рамка 1 может совершать угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей: оси возбуждения Z, которая определяется осью 4 и перпендикулярна плоскости рамки, и выходной оси X, которая совпадает с осью торсионов 3 и расположена в плоскости рамки. На рамке рядом с торсионами 3 симметрично с двух ее сторон образованы четыре площадки, на которых жестко закреплены пластины 6 в виде гребенки.

При возбуждении угловых колебаний рамки 1 вокруг оси Z (возбуждения) при отсутствии вращения корпуса гироскопа вокруг выходной оси Х возникают колебания, обусловленные неперпендикулярностью осей Х и Z, а также непараллельностью одной из главных осей инерции рамки выходной оси в плоскости XZ. Выходной сигнал гироскопа, пропорциональный этим колебаниям, - это квадратурный сигнал, который необходимо сделать как можно меньше. Снижение квадратурного сигнала за счет уменьшения неперпендикулярности осей гироскопа ограничено технологическими возможностями и может быть доведено только до определенного уровня (достаточно высокого). В то же время можно осуществить разворот главных осей инерции рамки. Для этого на рамке 1 гироскопа на специально образованных площадках жестко закреплены четыре пластины 6 в виде гребенки (с предварительно рассчитанной величиной массы). Балансировка рамки 1 осуществляется, например, удалением зубцов гребенок на двух пластинах, расположенных кососимметрично относительно центра масс рамки. При этом контролируют изменение квадратурного сигнала гироскопа, обусловленное балансировкой, которое должно компенсировать его исходную величину. После балансировки рамки контрольного гироскопа подсчитывают количество и положение оставшихся зубцов на его гребенках, после чего производят удаление зубцов гребенок партии или серии вибрационных гироскопов в количестве и положениях, идентичных контрольному гироскопу.

Предлагаемые способ и конструктивное исполнение вибрационного гироскопа для измерения угловой скорости в соответствии с настоящими изобретениями позволяют повысить его точность за счет снижения уровня квадратурной составляющей выходного сигнала.

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к вибрационным гироскопическим приборам, предназначенным для измерения угловой скорости. В процессе сборки в каждом гироскопе размещают симметрично относительно геометрического центра масс инерционной массы дополнительные грузы с предварительно рассчитанной величиной массы. Контролируют величину выходного сигнала и при равенстве его нулю или заданной величине фиксируют положение и величину масс дополнительных грузов. Вибрационный гироскоп содержит корпус, связанные друг с другом двумя упругими торсионами инерционное тело в виде плоской рамки и ступицу, которая соединена с корпусом посредством упругой оси. На двух противоположных сторонах рамки симметрично относительно общей геометрической оси упругих торсионов выполнены четыре площадки, параллельные плоскости рамки, а на каждой из площадок жестко закреплена пластина в виде гребенки. Техническим результатом является повышение точности гироскопа за счет снижения уровня квадратурной составляющей выходного сигнала. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сборки гироскопов, заключающийся в обеспечении при сборке гироскопа взаимной перпендикулярности оси возбуждения колебаний инерционного тела, оси воздействия внешнего параметра и оси измерения выходного сигнала и контроле величины выходного сигнала, пропорциональной колебаниям оси измерения выходного сигнала, обусловленным неперпендикулярностью указанных осей, отличающийся тем, что в каждом гироскопе размещают симметрично относительно геометрического центра масс инерционного тела дополнительные грузы переменной массы, величину которых и координаты размещения выбирают исходя из следующего соотношения:

A_pχ₁=2mx_mz_m,

где А_р - момент инерции инерционнго тела относительно оси измерения выходного сигнала; χ₁ - неперпендикулярность оси возбуждения колебаний инерционного тела и оси измерения выходного сигнала;

m - масса дополнительного груза;

x_m, z_m - координаты дополнительного груза соответственно относительно оси возбуждения колебаний инерционного тела и оси измерения выходного сигнала, причем, по меньшей мере, для одного контрольного гироскопа в процессе сборки изменяют массы дополнительных грузов и контролируют величину выходного сигнала при подаче сигнала возбуждения колебаний инерционного тела относительно оси возбуждения и отсутствии воздействия внешнего параметра, а при равенстве этого выходного сигнала нулю или заданной величине фиксируют положение и величину масс дополнительных грузов контрольного гироскопа, после чего в каждом гироскопе устанавливают положение и величину масс дополнительных грузов идентично контрольному гироскопу.