МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 2015 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы.

Известны микромеханические вибрационные гироскопы (МВГ) [Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. // Sensors and Actuators A, 43, 1994, pp. 65-71].

Принцип действия МВГ состоит в следующем. Инерционный диск, имеющий упругую связь с основанием, совершает первичные угловые колебания (угловые вибрации), создаваемые системой возбуждения, вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Под воздействием угловой скорости основания вокруг оси чувствительности, направление которой лежит в плоскости диска, возникают силы Кориолиса, вызывающие вторичные (выходные) колебания инерционного диска вокруг ортогональной оси, лежащей в плоскости диска, измеряемые системой съема.

Основные проблемы при эксплуатации МВГ на подвижном основании заключаются в обеспечении устойчивости прибора к инерционным поступательным ускорениям высокой интенсивности как постоянной амплитуды, так и переменной амплитуды (вибрации). Наибольшее влияние на показания МВГ оказывает действие ускорения вдоль оси, перпендикулярной плоскости инерционного диска.

Известна конструкция МВГ [Бурцев В.А., Злотников К.А., Карелин А.П. и др. Особенности комплексирования объемной микромеханики и БИС в измерительных системах // Материалы X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, СПб: «ЦНИИ «Электроприбор», 2003, с. 217-225], чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Инерционный диск выполнен из кремниевой пластины одинаковой толщины. Внутренняя часть упругих элементов подвеса закреплена на основании, а наружная часть соединена с инерционным диском. Инерционный диск совершает первичные колебания вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Колебания возбуждаются системой возбуждения первичных колебаний, состоящей из гребенчатых двигателей возбуждения и датчиков углового положения. Измерение выходных колебаний инерционного диска осуществляется системой управления выходными колебаниями, состоящей из электродов емкостного съема и электродов управления, расположенных на основании под инерционным диском.

К недостаткам конструкции относится то, что при действии ускорения вдоль оси первичных колебаний происходит деформация упругого подвеса и соответствующее изменение зазора между инерционным диском и электродами емкостного съема. Это, в свою очередь, приводит к изменению масштабного коэффициента МВГ и к искажению его показаний. Вследствие нелинейного изменения зазора между электродами в системе управления выходными колебаниями при вибрации с высокой частотой и амплитудой возникают субгармонические резонансные колебания инерционного диска, приводящие к отказу МВГ [Евстифеев М.И. и др. Результаты испытаний микромеханических гироскопов при механических воздействиях // Гироскопия и навигация, 2011, №1, с. 49-58].

Известны технические решения, позволяющие уменьшить влияние вибраций на показания микромеханических датчиков и, в частности, МВГ.

Вибростойкость достигается использованием специальной виброизолирующей платформы, на которой закреплен МВГ или другой микромеханический прибор [Clark Т. - С. Nguyen. The Harsh Environment Robust Micromechanical Technology (HERMiT) Program: Success and Some Unfinished Business // Microwave Symposium Digest (MTT), 2012 IEEE MTT-S International, June 2012, pp. 1-3], или внедрением антивибрационной прокладки в месте крепления амортизируемого прибора [патент США №8659101]. Однако для эффективной виброизоляции требуется создание низкочастотного подвеса платформы и подавление резонансов путем введения специального демпфирования, что существенно увеличивает общую массу и габариты устройства.

Известны решения для МВГ (см., например, патент РФ №2289789 и патент США №6765305), позволяющие измерять зазор между инерционным диском (подвижной массой) и электродами емкостного съема и использовать эту информацию для корректировки масштабного коэффициента МВГ. Предложено использование силовой обратной связи с помощью дополнительных электродов для поддержания постоянной величины зазора (заявка США №2009/0056443). Такие решения требуют реализации специализированной системы управления и дополнительных электродов, что усложняет функционирование прибора.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят МВГ [патент РФ №2471149], чувствительный элемент которого содержит: основание; инерционную массу (инерционный диск); систему возбуждения первичных колебаний, состоящую из гребенчатых двигателей возбуждения и датчиков углового положения; систему управления выходными колебаниями, состоящую из пары электродов емкостного съема и пары электродов управления и расположенных под инерционным диском; устройство измерения перемещений инерционной массы; устройство с изменяемым коэффициентом передачи.

Недостатками конструкции-прототипа являются необходимость измерения перемещений инерционной массы (диска) с помощью специального устройства и формирование изменяемого коэффициента передачи с использованием аналоговых умножителей. Сложность таких измерений обуславливается требованиями их обеспечения в реальном времени в условиях высочастотной вибрации, что будет вызывать амплитудные и фазовые искажения формируемого коэффициента.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение чувствительности прибора к внешним инерционным ускорениям.

Технический результат - повышение эксплуатационных характеристик МВГ.

Сущность изобретения заключается в том, что электроды системы управления выходными колебаниями (электроды съема и электроды управления) размещены на подвижной площадке, которая с помощью упругого подвеса закреплена на пластине. Пластина, в свою очередь, неподвижно соединена с основанием, таким образом, обеспечивая связь площадки с основанием посредством упругого подвеса. Собственные частоты поступательных колебаний инерционного диска и площадки с электродами в соответствующих упругих подвесах выбираются равными или, по крайней мере, близкими.

Вследствие воздействия ускорения в направлении, например, перпендикулярном плоскости инерционного диска, происходят равные деформации упругих подвесов инерционного диска и подвижной площадки, обеспечивая неизменность зазора между диском и электродами системы управления выходными колебаниями. При этом вследствие законов механики амплитуды вынужденных колебаний инерционного диска и подвижной площадки с электродами под действием постоянного или вибрационного ускорений равны или близки (в зависимости от соотношения собственных частот подвесов), а фазовые искажения исключены, так как колебания являются синфазными.

Неизменность зазора и отсутствие относительных перемещений диска и электродов системы управления выходными колебаниями обеспечивают постоянство масштабного коэффициента прибора и создают нечувствительность МВГ к поступательным колебаниям основания.

Упругие элементы подвеса подвижной площадки расположены в плоскости площадки с ее внешней стороны, симметрично относительно оси, перпендикулярной плоскости инерционного диска. Поступательная жесткость упругого подвеса подвижной площадки равна (или близка) поступательной жесткости упругого подвеса инерционного диска. В то же время внешнее расположение упругих элементов подвеса площадки позволяет создать подвес с угловой жесткостью, значительно превосходящей угловую жесткость подвеса инерционного диска, упругие элементы которого расположены внутри центрального отверстия инерционного диска. Это существенно повышает собственные частоты угловых колебаний подвеса площадки с электродами по отношению к собственным частотам угловых колебаний подвеса инерционного диска, что создает минимальные искажения показаний МВГ при измерении угловой скорости основания.

Предлагаемая конструкция МВГ сокращает габариты прибора, уменьшает зависимость масштабного коэффициента от изменений положения инерционного диска при деформации его упругого подвеса, позволяет эффективно уменьшить чувствительность прибора к воздействию инерционных перегрузок и достичь снижения влияния вибраций и постоянных ускорений основания на погрешность МВГ.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена общая компоновка конструкции, на фиг. 2 показано сечение конструкции, на фиг. 3 - разнесенный вид.

На фиг. 1, 2, 3 обозначены:

1 - ось первичных колебаний;

2 - ось чувствительности;

3 - ось вторичных (выходных) колебаний;

4 - основание, которое используется как опорная поверхность для крепления инерционного диска 5, гребенчатых двигателей возбуждения первичных колебаний 7, датчиков углового положения 8 и пластины 9 с подвижной площадкой 10;

5 - инерционный диск, который крепится к основанию 4 с помощью упругого подвеса 6;

6 - внутренний упругий подвес, связывающий основание 4 и инерционный диск 5;

7 - гребенчатые двигатели возбуждения первичных колебаний диска 5, закрепленные на выступах 16 основания 4;

8 - датчики углового положения диска 5 при первичных колебаниях, закрепленные на выступах 16 основания 4;

9 - пластина с подвижной площадкой 10, закрепленная на основании 4;

10 - подвижная площадка, связанная с пластиной 9 посредством упругого подвеса 11, на которой расположены электроды емкостного съема выходных колебаний 12 и электроды управления 13;

11 - упругий подвес, связывающий подвижную площадку 10 и пластину 9;

12 - электроды емкостного съема выходных колебаний на площадке 10;

13 - электроды управления выходными колебаниями на площадке 10;

14 - контакты на пластине 9;

15 - контакты на основании 4;

16 - выступы на основании 4 для крепления гребенчатых двигателей возбуждения первичных колебаний 7 и датчиков углового положения 8;

17 - зазор между инерционным диском 5 и подвижной площадкой 10;

18 - зазор между подвижной площадкой 10 и основанием 4.

Функционирует МВГ представленной конструкции следующим образом.

Инерционный диск 5 с внутренним упругим подвесом 6 закреплен на основании 4. На гребенчатые двигатели возбуждения 7, закрепленные на выступах 16 основания 4, подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте первичных колебаний, что обеспечивает колебания инерционного диска 5 вокруг оси 1. Датчики углового положения 8, также закрепленные на выступах основания 4, служат для определения амплитуды колебаний, и совместно с двигателями возбуждения 7 представляют собой систему возбуждения первичных колебаний инерционного диска 5. При наличии угловой скорости основания, действующей по оси чувствительности 2, возникают кориолисовы силы, заставляющие инерционный диск 5 колебаться относительно оси выходных колебаний 3. Амплитуда выходных колебаний, величина которой является мерой измеряемой угловой скорости, определяется системой управления выходными колебаниями, состоящей из электродов емкостного съема 12 и электродов управления 13. Электроды 12 и 13 размещены на подвижной площадке 10, параллельной плоскости инерционного диска и закрепленной с помощью упругого подвеса 11 на пластине 9. Пластина 9, в свою очередь, неподвижно соединена с основанием 4. Электрические связи двигателей 7 и датчиков 8 выводятся на контакты 15, связи электродов 12 и 13 - на контакты 14.

При действии поступательного постоянного ускорения вдоль оси 1 упругие подвесы инерционного диска 5 и подвижной площадки 10 деформируются в направлении этой оси, при этом зазор 17 остается неизменным. Наличие зазора 18 обеспечивает свободу перемещения площадки 10 в направлении оси 1.

Неизменность зазора 17 приводит к постоянству масштабного коэффициента прибора, что, в свою очередь, создает нечувствительность МВГ рассматриваемой конструкции к поступательным постоянным ускорениям.

Действительно, относительное изменение масштабного коэффициента при действии ускорения для МВГ с неподвижным расположением электродов съема в основном связано с перемещением диска вдоль оси 1 и определяется выражением [Евстифеев М.И. и др. Результаты испытаний микромеханических гироскопов при механических воздействиях // Гироскопия и навигация, 2011, №1, с. 49-581]:

где ω₁ - частота собственных колебаний инерционного диска 5 на упругом подвесе по оси 1; d - номинальная величина зазора 17, W - ускорение вдоль оси 1.

Учитывая, что изменение зазора при ускорении равно прогибу упругого подвеса инерционного диска относительное изменение масштабного коэффициента будет δМ/M₀≈2Δd₁/d.

В случае, когда система управления выходными колебаниями закреплена на площадке в упругом подвесе, изменение зазора составит

где ω₂ - частота собственных колебаний площадки 10 на упругом подвесе по оси 1; Δd₂ - прогиб упругого подвеса площадки.

Принимая, что δω=(ω₂-ω₁)/ω₁ представляет собой относительное несовпадение частот обоих подвесов, из выражения (2) получим

Даже при относительном несовпадении частот обоих подвесов на уровне δω=10% согласно выражению (3) изменение зазора в предлагаемой конструкции Δd уменьшится примерно в шесть раз по сравнению с Δd₁. Максимальное подавление воздействия ускорений достигается при совпадении собственных частот поступательных колебаний инерционного диска 5 и подвижной площадки 10 на соответствующих упругих подвесах, при этом Δd=0 и масштабный коэффициент не зависит от ускорений.

Аналогичная ситуация получается при действии вибрационных ускорений. При наличии вибрации как инерционный диск 5, так и подвижная площадка 10 совершают вынужденные синфазные колебания в направлении действия вибрации. При равенстве частот собственных колебаний инерционного диска 5 и подвижной площадки 10 амплитуды вынужденных колебаний под воздействием вибрации равны и зазор 17 между диском 5 и электродами 12 и 13 остается постоянным. При этом относительные колебания между диском 5 и электродами 12 и 13 отсутствуют и, соответственно, уменьшаются помехи прибора от инерционных воздействий. Вследствие постоянства зазора 17 масштабный коэффициент также остается постоянным, что повышает эксплуатационные характеристики МВГ.

Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в уменьшении помех от инерционных воздействий и повышении эксплуатационных характеристик МВГ.

Данное изобретение реализовано в опытном образце с получением заявленного технического результата.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы. Микромеханический вибрационный гироскоп содержит основание, инерционный диск, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, систему электростатического возбуждения колебаний диска, состоящую из гребенчатых двигателей возбуждения и датчиков углового положения, систему управления выходными колебаниями, состоящую из электродов емкостного съема и электродов управления, расположенных на основании под инерционным диском и закрепленных на площадке, связанной с основанием с помощью упругого подвеса, что способствует синфазным перемещениям электродов и инерционного диска при действии постоянного ускорения или вибрации. Этим обеспечивается постоянство зазора в системе управления выходными колебаниями и неизменность масштабного коэффициента прибора. Техническим результатом является снижение чувствительности гироскопа к постоянным поступательным ускорениям и вибрации, что обеспечивает уменьшение помехи и повышение эксплуатационных характеристик гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микромеханический вибрационный гироскоп, содержащий основание, инерционный диск, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, систему возбуждения первичных колебаний диска, состоящую из гребенчатых двигателей возбуждения и датчиков углового положения, систему управления выходными колебаниями, состоящую из электродов емкостного съема и электродов управления, расположенных на основании под инерционным диском, отличающийся тем, что электроды системы управления выходными колебаниями размещены на подвижной площадке, связанной с основанием с помощью упругого подвеса.

2. Микромеханический вибрационный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что собственные частоты поступательных колебаний инерционного диска и подвижной площадки, на которой расположены электроды системы управления выходными колебаниями, на соответствующих упругих подвесах равны.