Способ управления четырехмассовым резонатором в микромеханическом гироскопе Российский патент 2024 года по МПК G01C19/574 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах, используемых в инерциальной навигации.

Известен способ управления, описанный в патенте на зубчатый резонатор инерциального микромеханического датчика [1], заключающийся в возбуждении и поддержании вынужденных колебаний на второй собственной частоте кольца электростатическим или иным методом, причем воздействие производится в двух ортогональных направлениях. В таком случае информационные колебания будут распространяться вдоль ортогональных осей, повернутых относительно осей возбуждения на 45°. При отсутствии угловой скорости в плоскости кольца деформация резонатора на осях, вдоль которых распространяются информационные колебания, является периодической функцией времени. При наличии угловой скорости, действующей в плоскости кольца, возникает кориолисова сила, в результате чего данная функция будет зависеть не только от времени, но и от значения угловой скорости. Выделив составляющую, обусловленную действием на кольцевой элемент кориолисовой силы, можно определить угловую скорость, что и является выходной информацией.

К недостаткам данного способа можно отнести наличие квадратурной ошибки вследствие того, что в резонаторе могут одновременно существовать две волны упругих изгибных колебаний второй моды - основная и квадратурная. Наличие квадратурной волны проявляется в колебаниях угловых точек основной волны, сдвинутых по фазе на 90°.

Ближайшим аналогом является способ управления, описанный в заявке на изобретение «Чувствительный элемент микромеханического гироскопа» [2], заключающийся в формировании управляющего воздействия, которое поддерживает колебания масс таким образом, что вектора их движения коллинеарны, а движение пары масс, лежащих на одной диагонали рамки, противофазно движению пары масс, лежащих на другой диагонали. При наличии угловой скорости возникают кориолисовы силы, воздействующие на каждую подвижную массу в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и внешней угловой скорости. При этом по оси, перпендикулярной оси возбуждения, детектируются перемещения подвижных масс, величины которых пропорциональны действующей угловой скорости.

Недостатком этого способа является то, что микромеханические гироскопы, построенные таким образом, имеют низкую точность. К основным погрешностям таких гироскопов относятся:

- высокая температурная погрешность крутизны, вызванная температурной зависимостью добротности, которая в подобных гироскопах определяет крутизну;

- высокая температурная зависимость смещения нуля вследствие того, что для обеспечения необходимого диапазона измерения нужна низкая добротность, то есть высокий уровень связей с основанием, через которое на чувствительный элемент действуют возмущающие факторы.

Техническим результатом, на который направлено данное изобретение, является повышение точности измерения угловой скорости за счет того, что дополнительно формируется управляющее воздействие, которое возбуждает колебания подвижных масс в ортогональном направлении со стабилизацией амплитуд колебаний, причем соотношение фаз между этими ортогональными движениями обеспечивает коллинеарность векторов результирующих движений масс, разность величин управляющих воздействий является мерой измеряемой угловой скорости.

Повышение точности измерения угловой скорости обеспечивается существенным уменьшением температурной зависимости смещения нуля за счет того, что при действии измеряемой угловой скорости амплитуды колебания подвижных масс остаются неизменными в отличие от прототипа. Кроме того, формирование выходного сигнала, пропорционального разности амплитуд, исключает синфазные помехи, воздействующие на каждый из каналов.

Реализация данного способа основывается на использовании сил Лоренца и Ампера. Для одновременного возбуждения попарно встречных колебаний подвижных масс в двух ортогональных осях со стабилизацией амплитуд колебаний используются два контура возбуждения и стабилизации, по одному на каждую ось колебаний. Контур стабилизации состоит из датчика перемещения, реализованного в виде проводящих дорожек на чувствительном элементе и части магнитной системы, которая создает магнитный поток, ортогональный осевой линии проводящей дорожки и направлению колебаний. Возникновение в проводниках, движущихся в магнитном поле, ЭДС индукции обуславливается действием силы Лоренца на свободные заряды в проводниках при колебаниях подвижных масс резонатора. Таким образом, по амплитуде наводимой ЭДС индукции формируется информация об амплитудах колебаний подвижных масс по каждой из ортогональных осей колебаний. Для возбуждения колебаний используется датчик силы, состоящий из проводящих дорожек, сформированных параллельно проводящим дорожкам датчика перемещения и находящихся в тех же рабочих зазорах частей магнитной системы. При протекании переменного тока по проводящим дорожкам датчика силы появляется сила Ампера, приводящая подвижные массы в движение.

При воздействии угловой скорости относительно оси, перпендикулярной осям, в которых осуществляются колебания подвижных масс резонатора, на подвижные массы действует кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления линейной скорости подвижных масс, а величина определяется величиной угловой скорости. Кориолисово ускорение преобразуется в знакопеременную кориолисову силу, которая стремится переместить каждую подвижную массу в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и воздействующей внешней угловой скорости. Таким образом, при воздействии угловой скорости появляющаяся знакопеременная кориолисова сила стремится уменьшить амплитуды колебаний подвижных масс по одной оси и увеличить по другой. Данные воздействия детектируются контурами датчика перемещения, и по полученной информации осуществляется стабилизация амплитуд колебаний подвижных масс контуром возбуждения. Для этого увеличивается величина тока в катушках одного контура датчика силы и уменьшается в другом. Вследствие чего производится стабилизация амплитуд колебаний подвижных масс, обеспечивая тем самым коллинеарность векторов результирующих движений масс. Таким образом, выходным сигналом, характеризующим измеряемую угловую скорость, является дифференциальная разница токов в катушках датчика силы, возбуждающих колебания подвижных масс в ортогональных осях.

Источники информации

1. Патент РФ №193215, МПК G01С 19/5677, 2012.01.

2. Заявка на изобретение №2022133246 (ближайший аналог).

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в микромеханических гироскопах, содержащих четыре массы, соединенных упругими подвесами с центром, серединами сторон и углами несущей рамки. Способ управления данными гироскопами заключается в формировании управляющего воздействия, которое поддерживает колебания масс таким образом, что векторы их движения коллинеарны, а движение пары масс, лежащих на одной диагонали рамки, противофазно движению пары масс, лежащих на другой диагонали. Технический результат – повышение точности измерения угловой скорости.

Способ управления резонатором микромеханического гироскопа, содержащего четыре массы, соединенные упругими подвесами с центром, серединами сторон и углами несущей рамки, заключающийся в формировании управляющего воздействия, которое поддерживает колебания масс таким образом, что векторы их движения коллинеарны, а движение пары масс, лежащих на одной диагонали рамки, противофазно движению пары масс, лежащих на другой диагонали, отличающийся тем, что дополнительно формируется управляющее воздействие, которое возбуждает колебания подвижных масс в ортогональном направлении со стабилизацией амплитуд колебаний, причем соотношение фаз между этими ортогональными движениями обеспечивает коллинеарность векторов результирующих движений масс, разность величин управляющих воздействий является мерой измеряемой угловой скорости.