Вибрационный гироскоп

Классификация по МПК: G01C

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2071033
Дата публикации: 
Пятница, Декабрь 27, 1996


(57) Использование: измерительная техника, а именно измерительные преобразователи угловой скорости. Сущность изобретения: с целью повышения точности измерения угловой скорости в вибрационном гироскопе, содержащем корпус, закрепленную в нем пластину с внешней и внутренней рамками, соединенные упругими перемычками и имеющими две взаимно перпендикулярные оси вращения, содержащем систему возбуждения колебаний и датчик положения, в пластине образованы в направлении от центра пластины к ее периферии внутренняя неподвижная рамка, внутренняя подвижная рамка, внешняя подвижная рамка, пластина прикреплена к корпусу с помощью внутренней неподвижной рамки, элементы датчика положения расположены на корпусе и внешней подвижной рамке пластины, элементы системы возбуждения колебаний расположены на корпусе и на внутренней подвижной рамке или на внешней подвижной рамке, или на их обеих. 2 з. п.ф. 8 ил.

, , , , , , ,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерительным преобразователям угловой скорости.

Известен выполненный по планарной технологии вибрационный гироскоп [I]
Вибрационный гироскоп содержит корпус, установленную в нем пластину, во внутренней области которой расположены соответственно от периферии к центру внешняя и внутренняя рамки, соединенные упругими перемычками с корпусом и друг с другом так, что оси кручения перемычек образуют две взаимно перпендикулярные оси вращения рамок, содержащий систему возбуждения колебаний рамок с элементами силовых преобразователей на внешней рамке и корпусе, элементы датчика положения на внутренней рамке и корпусе.

Недостатком этого вибрационного гироскопа является ограничение точности измерения угловой скорости вследствие лимитируемого кинетического момента внутренней рамки, расположенной в центральной части пластины и имеющей малый момент инерции.

Цель изобретения повышение точности измерения угловой скорости.

Данная цель достигается в вибрационном гироскопе, содержащем корпус, закрепленную в нем пластину с внешней и внутренней рамками, соединенными друг с другом упругими перемычками и имеющими две взаимно перпендикулярные оси вращения относительно корпуса, систему возбуждения колебаний рамок с элементами силовых преобразователей на одной из рамок, элементы датчика положения на второй рамке, тем, что в пластине образованы внутренняя неподвижная рамка, отделенные от нее по периферии и друг от друга и расположенные соответственно по направлению от внутренней неподвижной рамки к периферии пластины внутренняя подвижная рамка и внешняя подвижная рамка, внутренняя подвижная рамка соединена своими двумя противоположными сторонами с внутренней неподвижной рамкой упругими перемычками, оси кручения которых образуют первую ось вращения, внешняя подвижная рамка соединена своими двумя сторонами с внутренней подвижной рамкой с помощью упругих перемычек, оси кручения которых образуют вторую ось вращения, перпендикулярную первой, пластина прикреплена к корпусу с помощью внутpенней неподвижной части, элементы датчика положения расположены на корпусе и внешней подвижной рамке пластины, элементы силовых преобразователей расположены на корпусе и на внутренней подвижной рамке или на внешней подвижной рамке, или на внутренней подвижной рамке и внешней подвижной рамке.

Кроме того,
1. Внешняя подвижная рамка, внутренняя подвижная рамка, внутренняя неподвижная рамка и упругие перемычки выполнены единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления;
2. Элементы датчика положения на корпусе выполнены в виде расположенных симметрично относительно второй оси вращения пар линий задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), на внешней подвижной рамке образованы металлизированные участки, расположенные напротив линий задержки, расстояния d между поверхностями металлизированных участков и линий задержки составляет около


где λ длина волны ПАВ;
f максимальное суммарное перемещение внешней подвижной рамки на верхнем пределе измерений и при работе система возбуждения колебаний.

Путем образования внутренней неподвижной рамки, внутренней подвижной рамки, внешней подвижной рамки, двух взаимно перпендикулярных осей вращения с помощью упругих перемычек, соединяющих рамки, внешняя подвижная рамка располагается на периферии пластины, играет роль чувствительного элемента гироскопа и имеет повышенный момент инерции, что увеличивает действующий на внешнюю подвижную рамку гироскопический момент и повышает точность измерений угловой скорости.

При расположении внешней подвижной рамки на периферии пластины, креплении пластины к корпусу с помощью внутренней неподвижной пластины устраняется передача напряжений деформации корпуса на внешнюю подвижную рамку, в результате чего уменьшаются ложные сигналы гироскопа, повышается точность измерения угловой скорости.

Путем расположения внешней подвижной рамки на периферии пластины, образования на ней элементов датчика положения увеличивается коэффициент преобразования датчика положения, что повышает разрешающую способность гироскопа и точность измерения угловой скорости.

При расположении элементов силовых преобразователей на внешней подвижной рамке или на внутренней подвижной рамке и внешней подвижной рамке повышается действующий на ротор момент, что повышает кинетический момент ротора и, следовательно, точность измерения угловой скорости.

Путем выполнения внешней подвижной рамки, внутренней подвижной рамки, внутренней неподвижной рамки и упругих перемычек единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления достигается однородность конструкции ротора гироскопа, что позволяет уменьшить температурные деформации элементов гироскопа, уменьшить его температурную погрешность и повысить точность измерения угловой скорости.

При выполнении элементов датчика положения в виде линий задержки на поверхностных акустических волнах на корпусе, образовании металлизированных участков на внешней подвижной рамке, расположении металлизированных участков от линий задержки на определенном расстоянии обеспечивается получение частотного сигнала с основной частотой в десятки МГц и глубиной модуляции до 5-10 что позволяет увеличить разрешающую способность и точность измерения угловой скорости.

Путем образования пар линий задержки, расположенных симметрично второй оси вращения, достигается компенсация температурных изменений характеристик линий задержки, что устраняет температурную погрешность и повышает точность измерения угловой скорости.

На фиг. 1 показан общий вид вибрационного гироскопа в разрезе; на фиг. 2 пластина гироскопа; на фиг. 3, 4 даны виды двух частей корпуса гироскопа; фиг. 5 представляет схему возбуждения колебаний ротора гироскопа; фиг.6 - схему датчика положения; на фиг. 7 дан пример выполнений линий задержки на ПАВ на корпусе гироскопа; фиг. 8 представляет схему датчика положения на линиях задержки на ПАВ.

Вибрационный гироскоп (фиг. 1) имеет корпус, состоящий из двух частей 1.1. Между стойками 2,2 двух частей 1,1 корпуса закреплена внутренняя неподвижная рамка 3 пластины, содержащей также внутреннюю подвижную рамку 4 и внешнюю подвижную рамку 5. Внутренняя неподвижная рамка 3 расположена в центральной части пластины (фиг. 2). Внутренняя подвижная рамка 4 расположена на периферии от внутренней неподвижной рамки 3 и отделена от нее, исключая места расположения упругих перемычек 6, 6, которые соединяют две противоположные стороны внутренней неподвижной рамки 3 и внутренней подвижной рамки 4. Внешняя подвижная рамка 5 находится на периферии от внутренней подвижной рамки 4 и отделена от нее по двум противоположным сторонам, а двумя другими противоположными сторонами соединена с ней только с помощью упругих перемычек 7,7. Оси кручения упругих перемычек 6,6 образуют первую ось вращения x-x. Упругие перемычки 7,7 так расположены относительно упругих перемычек 6,6, что образованная осями кручения перемычек 7,7, вторая ось вращения y-y перпендикулярна первой оси вращения x-x.

Рассмотрим выполнение элементов датчика положения и силовых преобразователей системы возбуждения колебаний на корпусе и на пластине на примере электростатических силовых преобразователей и емкостных преобразователей положения. В этом случае подвижные электроды силовых преобразователей и емкостных преобразователей положения образованы либо путем выполнения из электропроводного материала пластины с внутренней неподвижной рамкой 3, внутренней подвижной рамкой 4 и внешней подвижной рамкой 5, либо путем напыления металлизированных участков на поверхности внутренней подвижной рамки 4 и внешней подвижной рамки 5 пластины из электроизоляционного материала.

Тогда на первой части 1 корпуса (фиг. 3) образованы первые неподвижные электроды 8,8 дифференциального емкостного преобразователя положения, первые неподвижные электроды 9,9 первого и второго силового преобразователя.

На второй части 1 корпуса (фиг. 4) образованы вторые неподвижные электроды 10,10 дифференциального емкостного преобразователя положения, вторые неподвижные электроды 11,11 первого и второго силового преобразователя.

Электроды 8,8, 9,9, 10,10, 11,11 образуются либо путем напыления металлизированных участков на поверхности первой и второй частей 1,1 корпуса из электроизоляционного материала, либо путем расположения пластин из электроизоляционного материала с металлизированными участками на них на поверхностях первой и второй частей 1,1 корпуса.

Система возбуждения колебаний содержит два электростатических силовых преобразователя и генератор 12 возбуждения колебаний (фиг. 5). Первый силовой преобразователь имеет подвижный электрод в виде металлизированных поверхностей внутренней подвижной рамки 4 и неподвижные электроды 9, 11 на первой и второй частях 1,1 корпуса. Второй силовой преобразователь состоит из того же подвижного электрода внутренней подвижной рамки 4 и неподвижные электроды 9, 11 на первой и второй частях 1,1 корпуса. Электроды 9, 11 подсоединены к первому выходу генератора 12, электроды 9, 11 к второму выходу генератора 12. Общая линия первого и второго выходов генератора 12 подключена к металлизированным участкам внутренней подвижной рамки 4.

Датчик положения гироскопа выполнен по мостовой схеме, содержащей конденсаторы C1, C2 и резисторы R1, R2 (фиг. 6). Конденсатор С1 образованы подвижным электродом в виде металлизированной поверхности внешней подвижной рамки 5 и соединенными вместе неподвижными электродами 8, 10, на первой и второй частях 1,1 корпуса. Конденсатор С2 образован тем же подвижным электродом в виде металлизированной поверхности внешней подвижной рамки 5 и соединенными вместе с неподвижными электродами 8, 10 на первой и второй частях 1,1 корпуса. В одну диагональ мостовой схемы датчика положения включен источник питания 13 переменного напряжения, сигнал датчика положения снимается со второй диагонали датчика положения.

При выполнении элементов датчика положения в виде одной пары линий задержки на ПАВ на одной части 1 корпуса расположена первая линия задержки с входным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) 14 и выходным встречно-штыревым преобразователем ВШП 14 и выходным ВШП 15 (фиг. 7). Симметрично первой линии задержки относительно второй оси вращения y-y расположена вторая линия задержки с входным ВШП 14 и выходным ВШП 15. В случае выполнения корпуса из пьезоэлектрического или электроизоляционного материала ВШП 14,14, 15,15 образуются путем напыления металлических электродов на пьезоэлектрик или пьезоэлектрическую пленку, нанесенную на электроизоляционную поверхность корпуса.

Если корпус выполнен из электропроводного материала, то ВШП 14,14, 15,15 могут быть образованы на пьезоэлектрических пластинах 16,16, располагаемых на корпусе.

Напротив каждой из линий задержки на ПАВ на внешней подвижной рамке 5 расположен металлизированный участок: являющийся либо поверхностью электропроводной пластины, либо специально нанесенного на поверхность внешней подвижной рамки 5 металлического покрытия.

Расстояние d (фиг. 1) между поверхностями металлизированных участков на внешней подвижной рамке 5 и линиями задержки на части корпуса 1 составляет около


где λ длина волны ПАВ;
f максимальное суммарное перемещение внешней подвижной рамки на верхнем пределе измерения и при работе системы возбуждения колебаний.

На фиг. 7 показана примерная конфигурация неподвижных электродов 9,9 электростатических силовых преобразователей на корпусе в случае расположения элементов силовых преобразователей на внутренней подвижной рамке 4 и внешней подвижной рамке 5.

Датчик положения гироскопа с линиями задержки на ПАВ имеет два автогенератора (фиг. 8). Первый автогенератор образован включением усилителя 17 между входными ВШП 14 и выходным ВШП 15 первой линии задержки. Второй автогенератор получен путем включения усилителя 17 между входным ВШП 14 и выходным ВШП 15 второй линии задержки на ПАВ. Выходы автогенераторов подключены к двум входам смесителя частот 18, выход которого подключен к входу частотомера 19. С выхода частотомера 19 снимается выходной сигнал датчика положения гироскопа.

При выполнении внешней подвижной рамки 5, внутренней подвижной рамки 4, внутренней неподвижной рамки 3, упругих перемычек 6,6, 7,7 из монокристаллического кремния они выполняются единым элементом методом анизотропного травления кремния. В этом случае электропроводные поверхности внешней подвижной рамки 5, внутренней подвижной рамки 5, внутренней подвижной рамки 4 играют роль подвижных электродов емкостных преобразователей датчика положения гироскопа или металлизированных участков датчика положения на линиях задержки на ПАВ, подвижных электродов силовых преобразователей при такой конфигурации неподвижных электродов на корпусе, при которой в качестве подвижных электродов используются поверхности внутренней подвижной рамки 4 или внешней подвижной рамки 5, или внутренней подвижной рамки 4 и внешней подвижной рамки 5.

Вибрационный гироскоп работает следующим образом. Генератор 12 возбуждения колебаний выдается с каждого выхода периодические однополярные электрические сигналы, причем сигнал с второго выхода сдвинут по фазе на 180o относительно сигнала с первого выхода. При поступлении с первого выхода генератора 12 сигнала на неподвижные электроды 9, 11 на первой и второй частях 1,1 корпуса противоположные стороны внутренней подвижной рамки 4 притягиваются к расположенным противоположно по отношению к плоскости пластины частям корпуса 1,1.

Поэтому вследствие наличия свободы углового движения относительно первой оси вращения x-x внутренняя подвижная рамка 4 получает угловое перемещение относительно оси x-x. Затем с второго выхода генератора 12 поступает сигнал не неподвижные электроды 9, 11 на первой и второй частях 1,1 корпуса. В результате происходит угловое перемещение внутренней подвижной рамки 4 в противоположную сторону. Вместе с внутренней подвижной рамкой 4 вследствие связи с ней с помощью упругих перемычек 7,7 получает угловые перемещения и внешняя подвижная рамка 5. Таким образом осуществляется колебательное угловое движение относительно оси x-x ротора гироскопа, состоящего из внутренней подвижной рамки 4 и внешней подвижной рамки 5, и создается переменный кинетический момент ротора, направленный по оси x-x.

При наличии угловой скорости вращения по входной оси гироскопа, перпендикулярной образованной осями x-x и y-y плоскости, создается направленный по оси y-y и действующий на внешнюю подвижную рамку 5 гироскопический момент, который вызывает угловое перемещение внешней подвижной рамки 4. Величина углового перемещения внешней подвижной рамки 5 пропорциональна угловой скорости вращения.

Векторы кинетического момента и угловой скорости направлены так, что при угловом перемещении внешней подвижной рамки 5 под действием гироскопического момента происходит сближение внешней подвижной рамки 5 с неподвижными электродами 8, 10 на первой и второй частях 1,1 корпуса и удаление внешней подвижной рамки 5 от неподвижных электродов 8, 10. Тогда емкость конденсатора С1 увеличивается, емкость конденсатора С2 уменьшается, происходит разбалансировка мостовой схемы датчика положения, и с выхода датчика положения поступает сигнал, обусловленный величиной угловой скорости. При изменении направления угловой скорости вращения на противоположное фаза выходного сигнала датчика положения изменяется на 180o.

Таким образом измеряются величина и направление угловой скорости.

При выполнении элементов датчика положения в виде линий задержки на ПАВ при отсутствии угловой скорости и выключенной системе возбуждения колебаний металлизированные участки на внешней подвижной рамке 5 находятся от поверхностей ВШП 14, 14, 15,15 первой и второй линий задержки на расстоянии, равном разности между четвертью длины волны ПАВ и максимальным суммарным перемещением внешней подвижной рамки 5 при измерении угловой скорости и системы возбуждения колебаний. Тогда металлизированные участки на внешней подвижной рамке 5 оказывают одинаковое шунтирующее влияние на прохождение электрических сигналов от входных ВШП к выходным ВШП, т.е. металлизированные участки одинаковым образом закорачивают возникающие при прохождении ПАВ электрические поля в диэлектрике для обеих линий задержки. Поэтому частоты первого и второго автогенераторов равны, на входы смесителя частот 18 поступают сигналы равных частот от обоих автогенераторов, и на выходе смесителя частот 18 получается сигнал разности частот, равный нулю. Частотомер 19 измеряет равный нулю сигнал разности частот со смесителя частот 18 и дает показание соответствующее отсутствию угловой скорости.

При отсутствии угловой скорости и работе системы возбуждения колебаний металлизированные участки на внешней подвижной рамке 5 сначала, например, своими противоположными концами приближаются к входным ВШП 14,14 и удаляются от выходных ВШП 15,15, а затем удаляются от входных ВШП 14,14 и сближаются с выходными ВШП 15,15. Так как при этом среднее положение металлизированных участков остается равным разности между четвертью длины волны ПАВ и перемещением внешней подвижной рамки 5, то металлизированные участки оказывают одинаковое шунтирующее воздействие на обе линии задержки, частоты обоих автогенераторов остаются равными, и с выхода частотомера 19 идет сигнал, показывающий отсутствие угловой скорости.

В работающем гироскопе при наличии угловой скорости такого направления, при котором один металлизированный участок на одной стороне внешней подвижной рамки 5 приближается к ВШП 14, 15 одной линии задержки, а второй металлизированный участок на другой стороне внешней подвижной рамки 5 удаляется от ВШП 14, 15 второй линии задержки, расстояние между металлизированным участком и ВШП 14, 15 еще более уменьшается по сравнению с четвертью длины волны ПАВ, а расстояние между металлизированным участком и ВШП 14, 15 приближается к четверти длины волны ПАВ. При этом один металлизированный участок на внешней подвижной рамке 5 вследствие его приближения к ВШП 14,15 оказывает большее шунтирующее воздействие на первую линию задержки, в результате чего частота первого автогенератора увеличивается. Второй металлизированный участок на внешней подвижной рамке 5 вследствие его удаления от ВШП 14, 15 оказывает меньшее шунтирующее воздействие на вторую линию задержки, вызывая уменьшение частоты второго автогенератора. Так как частота первого автогенератора больше частоты второго автогенератора, то в результате с выхода смесителя частот 18 на вход частотомера 19 поступает сигнал разности частот, отличный от нуля. Частотомер 19 измеряет, в результате, угловую скорость, выраженную частотным сигналом. При изменении направления угловой скорости частота первого автогенератора уменьшается, второго увеличивается.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Вибрационный гироскоп, содержащий корпус, закрепленную на нем пластину с внешней и внутренней рамками, соединенными друг с другом упругими перемычками и имеющими две взаимно перпендикулярные оси вращения относительно корпуса, систему возбуждения колебания рамок и датчик положения, неподвижные элементы соответственно силовых и измерительных преобразователей которых размещены на корпусе, отличающийся тем, что в пластине образованы внутренняя неподвижная рамка, отделенные от нее по периферии и друг от друга и расположенные соответственно по направлению от внутренней неподвижной рамки к периферии пластины внутренняя и внешняя подвижные рамки, внутренняя подвижная рамка соединена своими двумя противоположными сторонами с внутренней неподвижной рамкой упругими перемычками, оси кручения которых образуют первую ось вращения, внешняя подвижная рамка соединена своими двумя сторонами с внутренней подвижной рамкой с помощью упругих перемычек, оси кручения которых образуют вторую ось вращения, перпендикулярную первой, пластина прикреплена к корпусу с помощью внутренней неподвижной рамки, подвижные элементы измерительных преобразователей датчика положения размещены на внешней подвижной рамке пластины, а подвижные элементы силовых преобразователей системы возбуждения колебаний рамок размещены на внутренней подвижной рамке или на внешней подвижной рамке.

2. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что внешняя подвижная рамка, внутренняя подвижная рамка, внутренняя неподвижная рамка и упругие перемычки выполнены единым элементом из монокристаллического кремния методом анизотропного травления.

3. Гироскоп по п.1 или пп.1 и 2, отличающийся тем, что неподвижные элементы измерительных преобразователей датчика положения на корпусе выполнены в виде расположенных симметрично относительно второй оси вращения пар линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), на внешней подвижной рамке образованы металлизированные участки, расположенные напротив линий задержки, расстояние d между поверхностями металлизированных участков и линий задержки составляет


где λ длина волны ПАВ;
f максимальное суммарное перемещение подвижной рамки на верхнем пределе измерений и при работе системы возбуждения колебаний.