Компенсационный микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости Российский патент 2023 года по МПК G01C19/56 G01P3/44 

Компенсационный микрооптоэлектромеханический датчик предназначен для измерения угловой скорости подвижных объектов, и может быть использован, например, в системах управления самолетов, кораблей, автомобилей и прочих.

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.

Целью настоящего патента является устранение указанных недостатков. Техническим результатом предлагаемого изобретения, - является использование системы компенсации низкочастотного смещения рамки, и как следствие повышение точности измерений.

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.

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.

Применение системы компенсации низкочастотного смещения рамки позволяет снизить воздействие линейного ускорения вдоль оси измерений, и как следствие повысить точность измерений.

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.

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.

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.

На фиг. 4 показана схема предлагаемого компенсационного микрооптоэлектромеханического датчика угловой скорости. На рамку 3 действует сумма сил: F₁(Ω), создаваемая действующей угловой скоростью Ω вокруг оси OZ, F₂(a), создаваемая действующим линейным ускорением a вдоль оси OY, F₃[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.

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.

Таким образом, изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости объекта с повышенной стойкостью к линейному ускорению, действующему вдоль оси измерения и чувствительностью.

Заявленное изобретение предназначено для измерения угловой скорости подвижных объектов и может применяться в системах управления самолетов, кораблей, автомобилей. Сущность предлагаемого решения заключается в следующем. Датчик угловой скорости снабжен системой 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, при этом выход вычитающего устройства соединен со входом полосового фильтра, имеющего полосу пропускания, равную собственной частоте колебаний рамки. Выход фильтра соединён со входом синхронного демодулятора, выход которого соединен со входом первого фильтра низких частот, при этом выход вычитающего устройства 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. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 4 ил.

Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости, содержащий 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 рамки, и системы съема выходных колебаний, выполненной в виде двух узлов оптического считывания, расположенных на подложке напротив середины свободных от электродов сторон рамки, каждый из которых содержит источник оптического излучения, оптический модулятор и два фотоприемника, связанные по оптическому лучу, выходы фотоприемников соединены со входами блока обработки, при этом каждый из оптических модуляторов выполнен в виде двух призм полного внутреннего отражения, поверхности отражения которых расположены под углом 90° друг к другу, причем каждая из призм полного внутреннего отражения выполнена по планарной технологии из диоксида кремния, а оптический элемент имеет тонкопленочное покрытие из диоксида кремния и закреплен на наружной стороне рамки напротив призм полного внутреннего отражения, причем величина симметричных зазоров между поверхностями отражения призм полного внутреннего отражения и гранями клиновидного оптического элемента не превышает величину длины волны источника оптического излучения, отличающийся тем, что 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, связанной с опорными элементами, инерционной массой, подвижными электродами и призмами полного внутреннего отражения, 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.