ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
ANGULAR SPEED METER

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа.
Инерциальные микромеханические датчики имеют малые размеры, низкую потребляемую мощность, малый вес и низкую стоимость. Поэтому они находят все большее применение, в том числе и в тех областях, которые требуют от датчиков сохранения своей точности при значительных вибрациях и ударах. К таким областям можно отнести автомобильный транспорт, ракетную технику, бортовую аппаратуру летательных аппаратов и т.д.
Однако при работе в таких условиях на выходе ММГ, как отмечается в работе T.P.Singh et al. «Analysis of Acceleration Sensitivity in MEMS Tuning Fork Gyroscope» Transducers' 11, Beijing, China, June 2011, p.5-9, может появляться ложный (false) сигнал.
В другой работе (R.N.Dean et al. «A Characterization of the Performance of a MEMS Gyroscope in Acoustically Harsh Environments», IEEE transaction on Industrial Electronics, vol.58, №7, July 2011, p.2591-2595) экспериментально показано, что на выходе ММГ ADXRS300 может появляться ложный сигнал в виде низкочастотного синусоидального сигнала, амплитуда которого пропорциональна воздействующему на датчик акустическому сигналу частотой, близкой к частоте первичных колебаний.
В работе (Евстифеев М.И. и др. «Результаты испытаний микромеханических гироскопов при механических воздействиях», Гироскопия и навигация. - 2011. - №1. - С.49-58) было показано, что при отсутствии угловой скорости на выходе ММГ RR-типа с разомкнутым контуром вторичных колебаний появляется сигнал значительного уровня при действии вибраций в определенных частотных диапазонах.
в
1
1
Экспериментальные исследования работы компенсационного ММГ RR-типа при действии вибраций показали, что ложный сигнал на его выходе появляется тогда, когда частота вибраций основания (f) становится равной или близкой к частоте субгармоник первичных колебаний f/N (f-частота первичных колебаний подвижной массы ММГ, N - целое число).
в
1
На фиг.1 приведена осциллограмма выходного сигнала ММГ компенсационного ММГ RR-типа при действии вибраций вдоль оси первичных колебаний с амплитудой 10g при медленном (со скоростью 0,5 Гц/сек) нарастании частоты f. У этого ММГ частота f была равна 3084 Гц. Соответственно, частоты второй, третьей, четвертой и пятой субгармоник равны 1542, 1028, 771 и 615 Гц.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>N</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
На фиг.2 показаны участки графика, приведенного на фиг.1, с увеличением масштаба по оси абсцисс. Сопоставляя фиг.1, 2, можно заметить, что протяженность участков, где появляется ложный сигнал, невелика и не превосходит 50 Гц, при этом протяженность этих участков с увеличением номера субгармоники уменьшается, низкочастотный сигнал появляется на частоте субгармоники и его частота возрастает при увеличении разности
, амплитуда сигнала падает при возрастании числа N. Другими словами, чем ниже частота субгармоники, тем меньше амплитуда ложного сигнала.
Используются разные способы подавления ложного сигнала в ММГ.
1
1
1
Одним из них является повышение частоты первичных колебаний f или резонансной частоты подвеса по оси первичных колебаний. Можно выбрать f так, что частоты первых субгармоник при совпадении частот вибраций, с которыми ложный сигнал имеет большую амплитуду, будут находиться вне частотной области действия вибраций. Например, при f>15 кГц в диапазон вибраций, равный 3 кГц, попадут субгармоники, соответствующие N>5.
1
Однако повышение f приводит к снижению разрешающей способности микромеханического чувствительного элемента (ЧЭ) ММГ (см. выражение (4) на стр.1653 работы N.YAZDI et al. Micromachined Inertial Sensors, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 86, NO. 8, AUGUST 1998, p.1640-1659) и не обеспечивает полного подавления ложного сигнала.
Другим способом является установка ММГ на основании через виброзащитные устройства или амортизаторы.
Пути построения таких амортизаторов рассмотрены в работе Sang Won Yoon «Vibration Isolation and Shock Protection for MEMS», A PHD dissertation. The University of Michigan, 2009, 208p. Примеры амортизаторов для микроэлектромеханических систем (МЭМС) приведены в патенте РФ №2358166 и в работе Mezentsev О. et al. «Towards Volume Medium-Accuracy MEMS Gyro Manufacturing: Challenges and Solutions», Proceedings of IEEE/ION PEANS 2010, p.617-620 (Fig.5), а также в статье S.W.Yoon et al. Analysis and wafer-level design of a high-order silicon vibration isolator for resonating MEMS devices. J. Micromech. Microeng. 21 (2011) 015017 (11p.).
Недостатком этого способа является значительное увеличение габаритов датчика и его стоимости.
Ложный сигнал на выходе ММГ может рассматриваться как аддитивная помеха. Большой уровень помехи может рассматриваться как отказ датчика.
Использование избыточного числа датчиков, например, ММГ в измерителе угловой скорости и последующее преобразование выходных сигналов по определенному алгоритму позволяет исключить сигнал отказавшего датчика или отключить его.
Понятия «избыточность датчиков», «резервирование», «дублирование», «кратность резервирования» разъясняются в Большой Советской Энциклопедии (БСЭ): см. БСЭ, т.8, стр.521, М.: "Советская энциклопедия", 1972 г., см. БСЭ, т.21, стр.580, М.: "Советская энциклопедия", 1975 г., учебной литературе, например в: Матвеевский В.Р. Надежность технических систем. Учебное пособие - Московский государственный институт электроники и математики. М., 2002 г., 113 стр.
В патенте США №6882964 описан «виртуальный датчик», образованный несколькими датчиками (ММГ) с параллельно расположенными осями чувствительности, выходные сигналы которых с помощью дополнительных узлов объединяются по определенному алгоритму (см. фиг.2 этого патента).
В определенной степени в этом патенте также решается задача исключения или, точнее, уменьшения ложного аддитивного сигнала, под которым понимаются дрейф нуля и шум, присутствующие на выходе каждого ММГ. На выходе измерителя угловой скорости величины дрейфа нуля и плотности шума оказываются меньше, чем на выходах ММГ, за счет использования алгоритма преобразования сигналов, заключающегося в фильтрации с помощью фильтра Калмана.
Недостатком такого алгоритма является то, что он не позволяет исключить или значительно уменьшить ложные сигналы, носящие детерминированный характер и обусловленные вибрациями.
В европейском патенте ЕР №1930691 описан измеритель угловой скорости, в котором осуществляется компенсации одной из погрешностей в ММГ, вызываемых вибрациями. Это - так называемая ошибка детектирования вибраций (Vibration Rectification Errow - VRE). В отличие от работы ММГ на невибрирующем основании в ММГ при действии вибраций может возникать значительное смещение нуля.
Для компенсации этого смещения измеряют действующие на основание ММГ вибрации с помощью акселерометров и по измеренному сигналу акселерометров корректируют сигнал ММГ в устройстве преобразования сигналов.
Устройство по патенту ЕР №1930691 выбрано в качестве прототипа. Оно включает в себя ММГ, акселерометр, установленный в устройстве так, что его ось чувствительности расположена перпендикулярно плоскости, в которой происходят колебания инерциальной массы, процессор с памятью, в которую занесены данные о влиянии ускорений на ММГ. Выходы ММГ и акселерометра соединены с процессором, который выполняет функции преобразователя сигналов, обеспечивая коррекцию сигнала ММГ по сигналу акселерометра.
Его недостатком является то, что в нем не обеспечивается подавление ложного сигнала, который возникает в ММГ при действии вибраций.
Задачей изобретения является повышение точности и надежности измерителя угловой скорости, построенного на основе ММГ, при работе этого измерителя при действии значительных вибрационных воздействий.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в измеритель угловой скорости введен второй ММГ, при этом резонансная частота подвеса инерционной массы второго ММГ отличается от резонансной частоты подвеса первого ММГ, выход второго ММГ соединен с входом устройства преобразования сигналов, устройство преобразования сигналов включает в себя коммутатор сигналов и анализатор спектра, вход анализатора спектра соединен с выходом акселерометра, входы коммутатора сигналов соединены с выходами первого и второго ММГ, а выход коммутатора является выходом устройства измерения угловой скорости, выход анализатора спектра соединен с входом управления коммутатором.
Кроме того, поставленная задача достигается тем, что первый и второй ММГ относятся к гироскопам RR-типа и разность их резонансных частот подвеса по оси первичных колебаний составляет не менее 10% от резонансной частоты одного из них.
По существу в предлагаемом измерителе угловой скорости за счет избыточного числа ММГ (дополнительно введенного второго ММГ), обладающих разной известной реакцией на действие вибраций, и определения характеристик (спектра) вибрационного воздействия выбирается в качестве рабочего тот ММГ, у которого при действующих вибрациях отсутствует ложный сигнал на выходе. При изменении характеристик вибрационного воздействия в предложенном устройстве в качестве рабочего может быть выбран другой ММГ.
1
Для того чтобы ложные сигналы при действии вибраций на одной частоте не возникали одновременно на выходе двух ММГ RR-типа, у которых вибрации приводят к появлению ложного сигнала при частотах вибраций, близких к субгармоникам частоты первичных колебаний вплоть до пятой (f/5), используемые в измерителе угловой скорости ММГ должны иметь резонансные частоты подвесов инерционной массы по оси первичных колебаний, отличающиеся не менее чем на 10%.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
в
На фиг.1 приведены зависимости выходного сигнала ММГ компенсационного ММГ RR-типа от частоты вибраций при действии вибраций вдоль оси первичных колебаний с амплитудой 10g при медленном (со скоростью 0,5 Гц/сек) нарастании частоты f.
Участки, соответствующие частотам вибрации, на которых на выходе ММГ появляются ложные сигналы, обозначены 1, 2, 3, 4.
На фиг.2 показаны участки 1-4 графика, приведенного на фиг.1, с увеличением масштаба по оси абсцисс. Участкам 1-4 на фиг.1 соответствуют на фиг.2 графики с обозначениями 2-1, 2-2, 2-3 и 2-4 соответственно.
На фиг.3 приведена блок-схема предлагаемого измерителя угловой скорости.
На фиг.3 обозначены:
5 - измеритель угловой скорости,
6 - первый ММГ,
7 - ось чувствительности ММГ 6,
8 - ось первичных колебаний ММГ 6,
9 - акселерометр,
10 - ось чувствительности акселерометра,
11 - устройство преобразования сигналов,
12 - второй ММГ,
13 - ось первичных колебаний второго ММГ 12,
14, 15, 16 - входы устройства преобразования сигналов 11,
17 - выход устройства преобразования сигналов 11.
На фиг.4 приведена блок-схема устройства преобразования сигналов 11.
На фиг.4 обозначены:
элементы 14-17 обозначены так же, как и на фиг.3;
18 - коммутатор сигналов,
19 - анализатор спектра,
20 - вход управления коммутатором сигналов.
в
1
1
График, приведенный на фиг.1, получен при проведении испытаний ММГ на вибрационном стенде. Поскольку частота вибраций (f - она соответствует оси абсцисс) изменялась во времени линейно, зависимость выходного сигнала ММГ может быть перестроена и интерпретирована как функция от времени. На этом графике выделены четыре участка, на которых появляется ложный сигнал. Этот сигнал появляется тогда, когда частота вибраций становится близка к частотам субгармоник частоты f. На фиг.1 приведен график для ММГ, у которого частота f равна 3084 Гц. Участки 1-4 соответствуют частотам второй, третьей, четвертой и пятой субгармоник, которые равны 1542, 1028, 771 и 615 Гц.
1
1
Испытания ММГ с разными частотами f показали, что и у них ложные сигналы появляются при частотах вибраций, близких к частотам субгармоник f. Различие между ММГ проявляется в амплитудах сигнала на выходе ММГ.
Дополнительно проводился эксперимент при действии вибраций на ММГ на фиксированной частоте. Они подтвердили тот экспериментально установленный факт, что частота ложного сигнала оказывается тем ниже, чем ближе частота вибраций к частоте субгармоники. В этих экспериментах можно было получить ложный сигнал, форма которого была близка к синусоидальной, а частота была ниже 1 Гц.
Части участков 1-4 для наглядности приведены на фиг.2 в увеличенном масштабе по оси абсцисс.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>N</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Сопоставляя фиг.1, 2, можно заметить, что протяженность участков, где появляется ложный сигнал, невелика и составляет примерно 50 Гц, низкочастотный сигнал появляется на частоте субгармоники, и его частота возрастает при увеличении разности
, амплитуда сигнала падает при возрастании числа N (число N соответствует номеру субгармоники). Другими словами, чем ниже частота субгармоники, тем меньше амплитуда ложного сигнала. Отметим, что и протяженность участков с увеличением N уменьшается.
В зависимости от конструкции ММГ, систем управления движением его инерционной массы, параметров чувствительного элемента (ЧЭ), протяженность участков (Δf), на которых появляется ложный сигнал, номера субгармоник (число N) могут меняться. Отметим, что здесь принято, что эти участки расположены симметрично относительно субгармоник.
Фиг.2 позволяет увидеть, что ложный сигнал является сигналом, близким к гармоническому, и его частотный диапазон включает и низкие частоты. Поэтому он не может быть подавлен за счет уменьшения полосы пропускания ММГ или использования фильтрации с помощью фильтра низких частот.
1
Однако, если частоты f выбрать разными, ложные сигналы на выходах разных ММГ будут появляться при разных частотах вибраций.
1
Для того чтобы при вибрациях на одной частоте не появлялся ложный сигнал одновременно на выходах двух ММГ, необходимо, чтобы разность их частот подвеса по оси первичных колебаний была больше или равна (Δf)N. Для случая когда N≤5, Δf≤50 Гц (этот случай соответствует экспериментально полученным данным для компенсационного ММГ RR-типа), разность частот подвеса по оси первичных колебаний двух ММГ должна быть не меньше 250 Гц. Это при частоте f≈3000 Гц соответствует 8,3%. В случае несимметричного расположения описанных участков относительно субгармоник допустимая величина разности частот подвеса по оси первичных колебаний двух ММГ может быть выбрана с запасом или она может быть уточнена таким образом, чтобы исключить возможность случая, когда участки с ложными сигналами первого и второго ММГ имеют общие области.
ММГ можно отбирать так, чтобы резонансные частоты подвесов по оси первичных колебаний различались, например, на 10% и более. В этом случае ни при одной частоте вибрации ложный сигнал не появится более, чем на выходе одного ММГ RR-типа. Это было экспериментально исследовано.
Способы промышленного изготовления ММГ с разными резонансными частотами описаны в литературе (см., например, заявка WO 2004/072580. Method and systems for simultaneously fabricating multi-frequency MEMS devices).
1
Для иллюстрации (полагая, что разность между частотами f составляет не менее 10% (300 Гц)) проведем расчет частот субгармоник и частот, занимаемых наиболее критичным участком 4 (соответствует N=5).
Результаты этих расчетов сведены в таблицу.
Номер ММГ
Первый (элемент 6)
Второй (элемент 12)
f<sub>1</sub> (Гц)
3000
3300
f<sub>1</sub>/2 (Гц)
1500
1650
f<sub>1</sub>/3 (Гц)
1000
1100
f<sub>1</sub>/4 (Гц)
740
825
f<sub>1</sub>/5
600
660
(f<sub>1</sub>/5±25) (Гц)
(575-625)
(635-685)
1
Как видно из таблицы, даже для N=5 при выбранных значениях f нет перекрытия по частоте вибраций, при которой бы имело место появление ложного сигнала одновременно на выходе двух ММГ. Отметим, что, поскольку участки 4 короче участков 1, 2, протяженность которых 50 Гц, значение запаса по перекрытию больше, чем это следует из таблицы (10 Гц).
На фиг.3 измеритель угловой скорости 5 включает в себя первый ММГ 6, акселерометр 9, устройство преобразования сигналов 11 и введенный второй ММГ 12. Выходы элементов 6, 9, 12 соединены соответственно с входами 14, 15, 16. Оси чувствительности обоих ММГ совпадают с осью чувствительности 7 первого ММГ, оси первичных колебаний (8 и 13) обоих ММГ параллельны. Ось чувствительности акселерометра 9 параллельна осям 8, 13.
Устройство работает следующим образом. При действии вибраций по оси 8, 13 ускорения измеряются акселерометром 9, сигнал которого поступает на вход 15 устройства преобразования сигналов 11. Анализатор спектра, входящий в состав устройства преобразования сигналов 11, определяет, есть ли в сигнале акселерометра составляющие, частоты которых близки к частотам, кратным субгармоникам первичных колебаний первого ММГ 6, или частоты которых близки к частотам, кратным субгармоникам первичных колебаний второго ММГ 12. В первом случае в устройстве 11 на его выход проходит выходной сигнал второго ММГ 12, во втором - первого ММГ 6. Таким образом, в случае возникновения условий для появления ложного сигнала на выходе одного из ММГ, например первого ММГ 6, он замещается вторым ММГ 12, и на выходе предложенного измерителя угловой скорости даже при вибрациях на частотах, близких к субгармоникам первичных колебаний одного из ММГ, ложный сигнал отсутствует.
На фиг.4 коммутатор 18 представлен в виде управляемого ключа на два положения, в одном положении соединенными оказываются выводы 14 и 17, а в другом - 16 и 17. Вход управления коммутатором 20 соединен с выходом анализатора спектра 19, который вырабатывает двухпороговый сигнал управления ключом.
Отметим, что спектр ускорений может быть получен путем использования датчиков ускорения со встроенным блоком быстрого преобразования Фурье (БПФ), как это имеет место в датчиках вибраций ф. Analog Devices ADIS 16227 (ADIS16227.pdf на сайте www.analog.com). В этом случае анализатор спектра может представлять устройство сравнения чисел, которые определяются заранее из паспортных данных на чувствительные элементы ММГ или путем измерения частот первичных колебаний, и величин, соответствующих определенным с помощью акселерометра значениям частот спектра вибраций. Для выработки сигнала управления ключом может применяться и алгоритм нечеткой логики (fuzzy logic). Алгоритм выработки сигнала управления ключом может быть следующим: наборы чисел, соответствующие частотам субгармоник частот первичных колебаний первого и второго ММГ, сравниваются с набором чисел, соответствующих частотам вибраций. В качестве выходного выбирается тот ММГ, у которого разность между числами, соответствующими измеренному спектру вибраций и субгармоникам, максимальная. Реализация такого алгоритма может быть выполнена как программными средствами, так и аппаратными.
Для случая когда вибрации отсутствуют или их спектр находится в области, далекой от субгармоник резонансных частот, может быть принято правило, что соединенными остаются выводы 14-17.
При чувствительности ММГ к вибрациям по другим осям (если в этом случае так же возникает ложный сигнал) в измеритель угловой скорости необходимо вводить акселерометры, расположенные параллельно этим осям, или осуществлять преобразование сигналов акселерометров, при котором вырабатываемые сигналы ускорений соответствовали соответствующим осям ММГ. Также можно использовать упомянутый выше трехосный датчик вибраций с определением спектра по алгоритму БПФ (ADIS 16227).
Очевидно, что в инерциальных измерительных модулях для формирования сигналов управления коммутаторами могут использоваться акселерометры, применяемые для выработки навигационных параметров.