Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости с кольцевым резонатором
MICRO-OPTOELECTROMECHANICAL ANGULAR VELOCITY SENSOR WITH ANNULAR RESONATOR

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения угловой скорости вращения в инерциальной системе отсчета, связанной с центром масс летательных аппаратов аэрокосмической техники.
Известен датчик угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа с кольцевым резонатором и оптического туннельного эффекта, состоящий из устройства управления, чувствительного элемента, выполненного в виде кольцевого резонатора, закрепленного на упругих подвесах в кремниевой пластине, соединенной со стеклянной подложкой, контактных площадок, четырех проводящих контуров, выполненных на соседних близко расположенных упругих подвесах и частично на кольцевом резонаторе, равноудалено друг от друга, постоянного магнита, верхнего и нижнего магнитопровода, блока обработки информации, четырех каналов приемо-передачи оптического излучения, включающих волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником оптического излучения, приемником оптического излучения, и устройством ориентации оптического излучения, причем устройства ориентации оптического излучения, выполненные в виде прямоугольных параллелепипедов из кварцевого стекла, установлены на стеклянной подложке чувствительного элемента со сдвигом в 45° относительно центров проводящих контуров, расположенных на кольцевом резонаторе, на расстоянии от 1 до 10 мкм от кольцевого резонатора, покрыты зеркальным напылением, за исключением области расположенной напротив кольцевого резонатора, а на внешнюю поверхность кольцевого резонатора нанесено светопоглощающее покрытие [Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казарьян А.В., Коробков В.В., Медведев В.М. Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа с кольцевым резонатором и оптического туннельного эффекта. Патент на изобретение №2641507 от 17 января 2018 г.] (прототип). Принцип действия данного датчика основан на измерении в четырех точках с помощью оптического туннельного эффекта, амплитуд колебаний резонатора, возникающих из-за воздействия угловой скорости на резонатор. К недостаткам датчика можно отнести уменьшение чувствительности оптического метода, и как следствие уменьшение точности измеренной угловой скорости, при воздействии линейных ускорений.
Технический результат, создаваемый изобретением, - улучшение точностных характеристик датчика за счет корректировки выходного измерения масштабным коэффициентом.
Для достижения указанного результата предлагается микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости, выполненный на основе волнового твердотельного гироскопа и оптического туннельного эффекта, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде кольцевого резонатора, четыре канала приемо-передачи оптического излучения, блок управления, блок обработки информации, состоящий из суммирующе-вычитающего устройства и усилителя измеренного значения угловой скорости, блок коррекции, содержащий два устройства усиления и одно умнения, при этом, четыре входа блока обработки информации связаны с выходами каналов приемо-передачи оптического излучения, измерения со второго и третьего выхода блока обработки, соответствующие измеренным значениям линейных ускорений по двум осям, подаются на первое и второе усиливающие устройства для формирования сигналов коррекции масштабного коэффициента, первый вход умножающего устройства связан с выходом усилителя блока обработки, формирующий значение угловой скорости, на второй и трений входы - поступают сигналы коррекции с усилителей блока коррекции.
Применение коррекции масштабного коэффициента в датчике угловой скорости на основе твердотельного волнового гироскопа и оптическим туннельным эффектом, позволит улучшить точностные характеристики датчика, за счет уменьшения влияния линейных ускорений.
На фиг. 1 представлена структурная схема микрооптоэлектромеханического датчика угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа с кольцевым резонатором, оптическим туннельным эффектом и коррекцией масштабного коэффициента.
вх
ax
ay
Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа с кольцевым резонатором и оптического туннельного эффекта содержит чувствительный элемент 1, четыре канала приемо-передачи оптического излучения 2-5, блок электроники (БЭ), состоящий из блока обработки информации (БОИ), блока коррекции (БК) и блока управления. БОИ состоит из суммирующе-вычитающее устройства 6 и усилителя 7, и предназначен для расчета измеренных значений угловой скорости Ω_а, соответствующей значению угловой скорости объекта Ω, и линейного ускорения по двум осям (U, U) в инерциальной системе координат. БК содержит усиливающие устройства 8-9 и умножающее устройство 10, предназначенное для корректировки масштабного коэффициента выходного значения угловой скорости по преобразованным усиливающими устройствами 8-9 сигналам суммирующе-вычитающее устройства 6, блок управления 11, предназначенный для формирования управляющих сигналов, подающихся на чувствительный элемент для возбуждения колебаний кольца резонатора.
Ωа
Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа и оптического туннельного эффекта с коррекцией масштабного коэффициента работает следующим образом. По управляющим сигналам блока управления 11, происходит возбуждение колебаний чувствительного элемента 1. Выходные сигналы с каналов приемо-передачи оптического излучения 2-5 меняются по гармоническому закону с частотой, определяемой частотой колебаний чувствительного элемента 1, и амплитудой, пропорциональной угловой скорости, воздействующей на объект. Суммирующе-вычитающее устройство 6 по полученными сигналам с приемников оптического излучения рассчитывает удвоенное значение угловой скорости 2U, как разность суммы этих сигналов, и может быть представлена формулой следующего вида:
Ωа
A1
A3
A2
A4
2U=(U+U)-(U+U),
An
ax
ay
где U (n=1, 2, 3, 4) - сигнал с n канала приема-передачи оптического излучения; вырабатывает два разностных сигнала с противолежащих приемников оптического излучения, соответствующие изменению линейного ускорения по двум осям (U, U):
ax
A3
A1
U=U- U,
ay
A4
A2
U=U - U,
Ωa
изм
и осуществляет передачу на усиливающие устройства 7, 8, 9. На выходе усилителя 7 имеем значение угловой скорости без учета коррекции влияния линейного ускорения U. Усиливающие устройства 8 и 9 реализуют функции преобразования измеренных линейных ускорений в корректирующие сигналы. Функции преобразования имеют нелинейных характер и могут быть описаны полиномами со степенью не ниже второй. В ходе аппроксимации функциональной зависимости отражательной способности оптического первичного преобразователя от линейного ускорения рассчитываются коэффициенты полинома. Корректирующие сигналы с усиливающих устройств подаются на второй и третий вход умножающего устройства 10 и изменяют масштабный коэффициент выходного измерения угловой скорости Ω.
Изобретение может быть использовано для измерения линейного ускорения объектов.