МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБЫ ЕГО НАСТРОЙКИ, ОСНОВАННЫЕ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННОГО КВАДРАТУРНОГО ТЕСТОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
MICROMECHANICAL GYROSCOPE (VERSIONS) AND ADJUSTMENT METHODS THEREOF, BASED ON USING AMPLITUDE-MODULATED QUADRATURE TESTING EFFECT

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа со схемами подстройки параметров колебательных контуров подвеса, параметров электронных узлов в этих гироскопах и контроля исправной работы.
В ММГ подвижная масса (ПМ) крепится к основанию с помощью, по крайней мере, двухосного резонансного подвеса. Резонансная частота подвеса по оси первичных колебаний выбирается ниже резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний. Возможны режимы работы ММГ как с совпадением резонансных частот подвеса, так и работа с малым сдвигом резонансных частот этих подвесов. Для того чтобы параметры ММГ оставались постоянными, необходимо, чтобы разность частот и параметры резонансных подвесов оставались постоянными. При разности резонансных частот 5% и более параметры ММГ изменяются значительно в меньшей степени, чем при работе ММГ со сведенными резонансными частотами подвесов. Изменение одной из этих частот приводит к изменениям разности фаз между сигналами каналов первичных и вторичных колебаний и значительному (в разы) изменению крутизны или масштабного коэффициента ММГ. Поэтому для сохранения параметров ММГ с малой разностью между резонансными частотами постоянными в них используют системы автоматической подстройки параметров. В этих системах подстройка осуществляется после определения реакции определенных составляющих ММГ на тестовое воздействие. Одним из самых чувствительных к изменениям условий работы является резонансный подвес ПМ. При изменении резонансной частоты подвеса изменяются как коэффициент преобразования микромеханической части (соотношение между измеряемой угловой скоростью и амплитудой вторичных колебаний ПМ), так и коэффициент преобразования электронной части из-за изменения фазы сигнала датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний, поступающего на вход синхронного детектора с опорным сигналом от датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Поэтому в ММГ применяют системы подстройки резонансной частоты или/и фазы.
2
1
1
В системе подстройки резонансной частоты подвеса ПМ по оси вторичных колебаний (f) до частоты первичных колебаний (f) ф. Bocsh (пат. США №6553833) используется тестовый сигнал, состоящий из двух гармонических сигналов на частотах (f±Δf). В другом патенте этой фирмы (пат. США №6654424) предложено помимо этого сигнала дополнительно использовать пару сигналов той же частоты, но ортогональных к ним, т.е. сдвинутых на 90°.
1
Аналогичное решение задачи подстройки резонансной частоты в ММГ рассмотрено в работе Chinwuba D.E. "Redout Techniques for High-Q Micromachined Vibratory Rate Gyroscopes" PHD Dissertation, University of California, Berkeley, 2007, p. 19, fig.3.4. Для ее решения также используются два сигнала (f±Δf), которые суммируются с сигналом емкостного датчика перемещения ПМ. В этой работе на стр.17, 18 указано, что если использовать тестовый сигнал на частоте первичных колебаний, то невозможно будет определить расстройку резонансных частот и эта проблема преодолевается тем, что используются два тестовых сигнала, частота одного из которых выше, а другого ниже частоты первичных колебаний, при этом частоты этих тестовых сигналов выбираются так, чтобы они не оказались в желаемой полосе полезного сигнала.
1
1
Фирмой Thales предложено (пат. США №7159461) в качестве тестового сигнала использовать модулированный по частоте сигнал, центральная частота которого равна f, а девиация частоты находится на уровне 0,1 f.
Фирмой Litef (пат. США №7278312) в качестве тестового сигнала предложено использовать напряжение шума в сигнале на выходе датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний.
В качестве тестового сигнала может быть использована квадратурная помеха, как это предложено в патенте РФ №2308682.
Тестовые сигналы в микромеханических датчиках используются не только в системах стабилизации параметров отдельных узлов. Они могут использоваться при определении работоспособности этих датчиков, что является особенно актуальным в случае использования таких датчиков в системах и устройствах, обеспечивающих, например, безопасность пассажиров в автомобиле. Пример такого построения системы непрерывного контроля микромеханического датчика приведен в пат. США №7086270. В нем в качестве тестового сигнала, по реакции на который микромеханической части датчика определяют исправность последнего, используется сигнал, частота которого выше реального воздействия.
th
В докладе Link Т. et al "A new self-test and self-calibration concept for micro-machined gyroscopes" Transducers'05 The 13 International Conference on Solid-State Sensors Actuators and Microsystems, Seul, Korea, June 5-9, 2005, pp.401-404 описан ММГ, который установлен в дополнительный подвес с электродами, обеспечивающими не только перемещения ПМ вокруг оси вторичных колебаний, как это имеет место в описанных выше способах формирования тестовых сигналов, но и перемещения целиком ММГ вокруг оси чувствительности. Это позволяет задавать калибровочные перемещения, имитирующие движение объекта и по реакции на сигналы, подаваемые на электроды определять и корректировать характеристики ММГ. Такое решение значительно усложняет микромеханическую часть ММГ.
Тестирование ММГ может выполняться перед началом или в процессе работы за счет подачи логического сигнала, вызывающего смещение на определенную величину показаний датчика, как это выполняется в ММГ ADIS16130 фирмы Analog Devices (см. ADIS16130.pdf, стр.10). Недостатком этого решения является то, что тестирование вызывает изменение показаний датчика, которое должно компенсироваться, что приводит к возрастанию погрешности ММГ (т.к. смещение показаний при тестировании зависит от внешних факторов, например, температуры (см. фиг.12) и усложнению схемы обработки сигнала.
Общим решением (см. пат. США №6553833, 6654424, 7159461, 7086270) для датчиков с высокочастотным тестовым сигналом является то, что эти тестовые сигналы формируют таким образом, чтобы тестовый сигнал оказывался вне полосы пропускания датчика с тем, чтобы затем в выходном канале этот тестовый сигнал можно было бы подавить с помощью фильтров, что в конечном счете ухудшает быстродействие микромеханических датчиков и усложняет сами датчики. Недостатком решения по пат. США №7278312 является сложность настройки по минимальной величине шума, а решение по пат. РФ №2308682 работоспособно только в отсутствие знакопостоянной измеряемой угловой скорости.
Таким образом, применение в микромеханических датчиках тестовых сигналов известной формы приводит к ухудшению быстродействия датчиков, их усложнению или неработоспособно при определенных условиях работы.
В качестве прототипа предлагаемого способа формирования тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа выбран способ по пат. США №6553833, которому присущи недостатки, описанные выше.
Задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.
Поставленная задача решается тем, что при формировании тестового воздействия на подвижную массу микромеханического гироскопа, перемещение которой по оси первичных колебаний γ изменяется во времени (t) в соответствии с выражением:
где  - угловая частота,
1
заключающемся в изменении напряжений на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний подвижной массы, напряжение U(t) на одном или нескольких электродах изменяют так, что гармоническая составляющая A(t) на частоте ω величины
изменяется в соответствии с выражением:
где амплитуда B(t)≠const., С(α,γ(t)-емкость между подвижной массой и электродом, на котором изменяют напряжение, α-перемещения ПМ по оси вторичных колебаний
Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе с электродной структурой, в которой при колебаниях подвижной массы по оси первичных колебаний изменяется площадь перекрытия между подвижной массой и одним или несколькими электродами, напряжение на этих электродах изменяют с частотой меньше частоты первичных колебаний.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что в микромеханическом гироскопе с электродной структурой, в которой при колебаниях подвижной массы по оси первичных колебаний не изменяется площадь перекрытия между подвижной массой и одним или несколькими электродами, напряжение на этих электродах изменяют с частотой, равной частоте первичных колебаний синфазно с первичными колебаниями подвижной массы, при этом изменяя и амплитуду этих напряжений.
Предложенный способ формирования тестового сигнала обеспечивает создание модулированного по амплитуде квадратурного момента или силы. Этот момент (или сила) находятся в фазе с квадратурной помехой, для подавления которой в ММГ используются известные средства, в частности, синхронное детектирование. Поэтому для подавления реакции на тестовый сигнал не требуется усложнять электронную часть ММГ и вводить дополнительные фильтры. Этим обеспечивается возможность сохранения максимального быстродействия ММГ, т.к. не требуется уменьшать полосу пропускания датчика, оставляя часть спектра рабочих частот для тестового сигнала. С другой стороны, амплитудная модуляция квадратурного сигнала как бы помечает тестовый сигнал и позволяет найти реакцию элементов ММГ именно на тестовый сигнал, исключая составляющие, обусловленные другими сигналами и причинами.
Известны электродные структуры, которые позволяют создавать момент или силу, синфазные с квадратурной помехой. Такие структуры для ММГ RR-типа описаны в патентах США №6067858 (фиг.20), РФ №2320962, а для ММГ LL-типа описаны в патенте США №7213458 (фиг.2).
Недостатком электродной структуры по пат. США №6067858 является то, что ее применение значительно увеличивает площадь, занимаемую микромеханической частью на пластине кремния, а структуры по пат. РФ №2320962 - то, что из-за того, что квадратурная помеха может быть в фазе или в противофазе с колебаниями ПМ, электроды располагают над зубцовыми зонами ПМ по обеим сторонам оси чувствительности ММГ (электроды 14, 16 и 15, 17 на фиг.3 пат. РФ №2320962), хотя подавление квадратурной помехи за счет формирования квадратурного момента нужной величины и знака достигается с помощью только одной пары электродов. Необходимость формирования избыточных электродов и, соответственно, выводов от них усложняет конструкцию и увеличивает площадь, занимаемую микромеханической частью ММГ. Прототипом электродной структуры для ММГ RR-типа выбрана структура по пат. РФ №2320962.
К недостаткам структуры по пат. США №7213458 можно отнести то, что при большом уровне квадратурной помехи площади электродов, расположенных над зубцовой зоной ПМ, может оказаться недостаточно и для подавления помехи приходится использовать основные электроды, расположенные под ПМ. В этом случае для уменьшения габаритов ММГ может оказаться целесообразней использовать основную часть электродов над зубцовой зоной для измерения перемещений ПМ вдоль оси первичных колебаний. Эта структура выбрана в качестве прототипа для электродной структуры для ММГ LL- типа.
Задачей изобретения для обеих предлагаемых структур является уменьшение габаритов ММГ при формировании предлагаемого тестового воздействия на подвижную массу.
Поставленная задача для ММГ RR-типа решается тем, что в гироскопе с электродной структурой, содержащей подвижную массу, имеющую вид секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, и электроды, расположенные над или под подвижной массой, для реализации предложенного способа формирования тестового воздействия часть этих электродов расположена над боковыми границами секторов.
Поставленная задача для ММГ LL-типа решается тем, что в гироскопе с электродной структурой, содержащей подвижную массу, имеющую вид прямоугольника, первая пара сторон которого перпендикулярна направлению первичных колебаний, а вторая пара сторон им параллельна, и электроды, расположенные над или под подвижной массой, что часть этих электродов расположена над боковыми границами одной или двух первой пары сторон.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что в подвижной массе выполнены отверстия, а часть электродов расположена над краями отверстий, ориентированных перпендикулярно к направлению первичных колебаний.
В отличие от известных электродных структур, создающих действующие на ПМ моменты или силы, синфазные с первичными колебаниями, в предложенных электродных структурах не требуется формирование воздействий большой величины (на уровне диапазона измерения ММГ и выше), поэтому оказывается возможным выполнять электроды для формирования тестовых воздействий значительно меньшей площади по сравнению с прототипом и размещать их в микромеханической части ММГ практически без увеличения габаритов, используя или видоизменяя, например, технологические отверстия, предназначенные для травления кремния. Также не требуется формирование избыточного числа электродов, как это имеет место в устройстве по пат. РФ №2320962, т.к. тестовое воздействие должно быть как синфазно, так и противофазно квадратурной помехе.
В качестве прототипа предлагаемого способа подстройке резонансной частоты подвеса подвижной массы по оси вторичных колебаний выбран способ по пат. США №6553833, которому присущи недостатки, обусловленные способом формирования тестового воздействия в нем.
Соответственно задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.
Поставленная задача решается тем, что при подстройке резонансной частоты подвеса подвижной массы по оси вторичных колебаний напряжения на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, изменяют в зависимости от составляющей сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, пропорциональной B(t).
Кроме того, поставленная задача решается тем, что составляющую, пропорциональную амплитуде B(t), выделяют путем последовательной демодуляции сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний вначале с опорным сигналом, синфазным первичным колебаниями подвижной массы, а затем с опорным сигналом, пропорциональным B(t).
По существу, за счет двойной демодуляции в предложенном способе производится последовательно: сначала выделение квадратурных сигналов, а затем среди квадратурных сигналов выделяется тот сигнал, амплитуда которого изменялась пропорционально B(t). И именно в зависимости от этого выделенного сигнала изменяют напряжения на электродах в ММГ для подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний под частоту первичных колебаний.
Прототипом устройства для реализации предлагаемого способа подстройки резонансной частоты выбран ММГ по пат. РФ№2320962, недостатком которого является низкая чувствительность из-за работы в режиме с расстройкой резонансных частот подвесов на уровне 3%. Для работы ММГ с совмещенными резонансными частотами подвесов необходимо введение в него контура подстройки частоты, который реализует предложенный выше способ.
Соответственно, задачей изобретения является повышение точности ММГ.
Поставленная задача решается тем, что в ММГ RR-типа, реализующем предложенный способ подстройки резонансной частоты и содержащем подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, при этом боковые поверхности этих секторов содержат зубцы, три пары электродов, расположенных над подвижной массой, которые также имеют секторы, при этом первая пара электродов расположена над зубцовыми зонами подвижной массы, которые расположены по одну сторону от оси чувствительности микромеханического гироскопа, вторая пара электродов расположена относительно этой оси симметрично, а третья пара электродов расположена на этой оси и электроды каждой пары расположены симметрично относительно оси вторичных колебаний, статоры, расположенные на основании и имеющие зубцы, которые с зубцами подвижной массы образуют гребенчатую электродную структуру, подвес в виде торсионов, с помощью которого подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между статорами и содержащее первый датчик перемещения подвижной массы и устройство преобразования электрического сигнала, второй датчик перемещения подвижной массы, выполненный в виде дифференциального трансрезистивного усилителя, входы которого соединены с первой парой электродов, источник постоянного напряжения, соединенный со второй парой электродов, первый демодулятор, вход которого соединен с выходом трансрезистивного усилителя, а вход для опорного сигнала соединен с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, введены источник переменного напряжения, который включен последовательно с источником постоянного напряжения, второй демодулятор, вход которого соединен с выходом первого демодулятора, а вход для опорного сигнала соединен с введенным источником переменного напряжения, и интегратор, вход которого соединен с выходом второго демодулятора, а выход - с третьей парой электродов.
Прототипом другого варианта устройства для реализации предлагаемого способа подстройки резонансной частоты выбран ММГ, описанный в работе [Пешехонов и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005г., стр.268-274, рис.2, 3], недостатком которого является низкая чувствительность из-за работы в режиме с расстройкой резонансных частот подвесов на уровне 3%. Для работы ММГ с совмещенными резонансными частотами подвесов необходимо введение в него контура подстройки частоты, который реализует предложенный выше способ.
Соответственно, задачей изобретения является повышение точности ММГ.
Поставленная задача решается тем, что в ММГ RR-типа, реализующем предложенный способ подстройки резонансной частоты и содержащем подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, две пары электродов, в каждой из которых электроды расположены симметрично относительно этих осей над подвижной массой, при этом электроды первой пары являются электродами емкостного датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, а электроды второй пары являются электродами емкостного датчика момента, статоры, расположенные на основании и имеющие зубцы, которые с зубцами подвижной массы образуют гребенчатую электродную структуру, подвес в виде торсионов, с помощью которого подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, устройство возбуждения первичных колебаний, включенное между статорами и содержащее первый датчик перемещения подвижной массы и устройство преобразования электрического сигнала, второй датчик перемещения подвижной массы, выполненный в виде дифференциального усилителя, входы которого соединены с электродами первой пары, первый демодулятор, вход которого соединен с выходом второго датчика перемещения подвижной массы, а вход для опорного сигнала соединен с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, усилители, выходы которых соединены с электродами датчика момента, введены источник переменного напряжения, второй и третий демодуляторы и модулятор, при этом выходы второго и третьего демодуляторов соединены соответственно через первый и второй интеграторы с входом устройства суммирования и одноименными входами усилителей, источник переменного напряжения через устройство суммирования соединен с модулятором, выход которого соединен с разноименными входами усилителей, при этом входы для опорного сигнала второго, третьего демодуляторов и модулятора соединены соответственно с выходом второго датчика перемещения подвижной массы через устройство сдвига фазы на 90°, с источником переменного напряжения и выходом второго датчика перемещения подвижной массы через устройство сдвига фазы.
Аналогом предложенного способа определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ является способ, который используется в устройстве по пат. РФ №2282152. Изменение этого сдвига фазы в нем определяют по величине постоянной составляющей напряжения на выходе демодулятора, который должен подавлять квадратурную помеху. Т.е. в этом устройстве квадратурная помеха выполняет роль тестового сигнала. Недостатком этого способа является то, что его можно использовать только в случае, если измеряемая ММГ угловая скорость не содержит постоянной составляющей, в противном случае постоянную составляющую сигнала, обусловленную измеряемой угловой скоростью, нельзя отличить от постоянной составляющей, обусловленной изменением фазы между опорным сигналом и квадратурной помехой. Возможное решение этой проблемы, предложенное в этом патенте, заключающееся в изменении режима работы при циркуляции объекта, усложняет использование ММГ.
В качестве прототипа выбран способ подстройки разности фаз между сигналами в каналах первичных и вторичных колебаний, который использован в пат. США №6553833. В нем по тестовому сигналу производится настройка резонансной частоты контура подвеса ПМ по оси вторичных колебаний на частоту первичных колебаний, при которой обеспечивается постоянный, равный 90° сдвиг фазы, вносимый контуром вторичных колебаний.
Недостатком этого способа является то, что в ряде применений ММГ бывает целесообразно работать с расстройкой резонансных частот (например, в случае, когда необходимо обеспечить постоянство крутизны или масштабного коэффициента ММГ и/или достаточно широкую полосу пропускания), при которой сдвиг фазы не равен 90°, и применение двух тестовых сигналов вызывает необходимость введения фильтров для подавления этих сигналов и, соответственно, уменьшение быстродействия ММГ.
Соответственно, задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.
Поставленная задача решается тем, что для определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ, содержащем, по крайней мере, один электрод, расположенный несоосно с направлением первичных колебаний подвижной массы, и подключенный к этому электроду источник напряжения B(t), заключающийся в первом синхронном детектировании сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале вторичных колебаний с помощью первого опорного сигнала, в качестве которого используют сигнал датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний, после первого синхронного детектирования дополнительно осуществляют второе синхронное детектирование с помощью второго опорного сигнала, в качестве которого используют напряжение B(t), и изменяют фазу первого опорного сигнала до тех пор, пока средняя величина сигнала после второго синхронного детектирования не станет равной нулю.
В качестве аналога и прототипа предлагаемого устройства, в котором осуществлен предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний, выбраны указанные выше устройства (по пат. РФ№2282152 и пат. США №6553833 соответственно). Также аналогом предлагаемого устройства является ММГ компенсационного типа с каналом подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний по пат. США №7278312.
Недостатки прототипа и аналогов отмечены выше.
Задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, его упрощение и повышение точности.
Поставленная задача решается тем, что в ММГ, содержащем подвижную массу, выполненную в виде секторов, симметрично расположенных относительно осей чувствительности микромеханического гироскопа и вторичных колебаний подвижной массы, резонансный подвес подвижной массы, выполненный в виде торсионов, с помощью которых подвижная масса подвешена к опоре, установленной на основании, гребенчатую электродную структуру, устройство возбуждения первичных колебаний, входы и выходы которого соединены с соответствующими электродами гребенчатой структуры, электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, имеющие форму секторов, при этом, по крайней мере, один из электродов расположен над боковой границей одного из секторов, первый емкостной датчик перемещения подвижной массы по оси первичных колебаний, второй датчик перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний, при этом к выходу второго датчика перемещения подвижной массы подключены входы первого и второго демодуляторов, выходы которых через усилительные звенья соединены соответственно с входами первого и второго модуляторов, входы для опорных сигналов одноименных модуляторов и демодуляторов соединены через первую и вторую фазосдвигающие цепи с выходом первого датчика перемещения подвижной массы, выходы модуляторов через суммирующее устройство соединены, по крайней мере, с одним из электродов, расположенных по оси вторичных колебаний, введены источник переменного напряжения, выход которого соединен с электродом, расположенным над боковой границей одного из секторов, третья фазосдвигающая цепь, которая выполнена как управляемая, последовательно соединенные третий демодулятор и интегратор, при этом входы третьего демодулятора соединены с выходом первого демодулятора и выходом введенного источника переменного напряжения, выход интегратора соединен с входом управления третьей фазосдвигающей цепи, которая включена между выходом первого датчика перемещения подвижной массы и входами первой и второй фазосдвигающих цепей.
Благодаря введенным элементам в предложенном ММГ компенсационного типа достигается подстройка фазы опорного сигнала таким образом, что сигнал о перемещении ПМ, обусловленный тестовым воздействием, способ формирования которого предложен в данной заявке, полностью подавляется в канале выделения измеряемой угловой скорости за счет точной подстройки фазы опорного сигнала демодулятора.
Прототипом предлагаемого устройства, в котором реализован предложенный способ формирования тестового воздействия, является устройство по пат. США №6553833. В нем за счет введения демпфирующей связи достигается снижение добротности в канале вторичных колебаний (см. фиг.4). Недостатком прототипа является то, что крутизна этого ММГ задается на стадии изготовления. Она определяется запрограммированным коэффициентом при демпфирующем члене. При работе в условиях, когда диапазон измеряемых ММГ угловых скоростей изменяется, целесообразно изменять крутизну ММГ для повышения его чувствительности за счет снижения диапазона работы. В прототипе такое расширение функциональных возможностей отсутствует.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей ММГ и повышение его точности
Поставленная задача решается тем, что в ММГ с контуром автоподстройки частоты и демпфирующей обратной связью в канале вторичных колебаний, которая реализована в виде дифференцирующего звена, включенного между выходом датчика перемещения подвижной массы по оси и расположенными на этой оси электродами, последовательно с дифференцирующим звеном введено устройство с изменяемым коэффициентом передачи.
Кроме того, поставленная задача решается тем, что в ММГ с контуром автоподстройки частоты и демпфирующей обратной связью в канале вторичных колебаний, которая реализована в виде последовательно соединенных дифференцирующего звена, включенного между выходом датчика перемещения подвижной массы по оси и расположенными на этой оси электродами, и устройства с изменяемым коэффициентом передачи, введено устройство выделения среднего значения модуля входной величины, выход и вход которого соединены соответственно со входом для изменения коэффициента передачи и входом устройства с изменяемым коэффициентом передачи.
Введенное устройство с изменяемым коэффициентом передачи позволяет изменять крутизну ММГ по сигналу от внешнего источника сигнала управления. В качестве такого сигнала можно использовать выходной сигнал ММГ и осуществлять автоматическую подстройку чувствительности ММГ в зависимости от диапазона изменения текущих значений измеряемой угловой скорости.
Прототипом предлагаемого способа тестирования ММГ является способ непрерывного тестирования исправности работы микромеханического датчика, описанный в пат. США №7086270, критика которого приведена выше.
Задачей изобретения является повышение быстродействия ММГ, упрощение его конструкции при обеспечении непрерывного контроля исправности его работы.
Поставленная задача решается тем, что в ММГ в качестве тестового сигнала используют модулированную по амплитуде силу (момент), синфазную с силой, вызывающую квадратурную помеху, которую формируют путем изменения напряжения на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний подвижной массы, а реакцию на тестовый сигнал определяют путем первой демодуляции выходного сигнала датчика перемещения подвижной массы по оси вторичных колебаний с помощью опорного сигнала на частоте первичных колебаний и второй демодуляции с помощью опорного сигнала, пропорционального B(t).
Заявляемый способ поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена блок-схема канала вторичных колебаний
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - канал первичных колебаний ММГ
2 - микромеханическая часть канала вторичных колебаний ММГ
1
3 - звено с коэффициентом (K), отражающим связь между скоростью перемещений ПМ по оси первичных колебаний и силой или моментом, действующими на ПМ при наличии угловой скорости Ω по оси чувствительности ММГ
2
4 - звено с коэффициентом (К) преобразования перемещений ПМ по оси первичных колебаний в силу или момент, действующие на ПМ (т.н. квадратурная помеха)
5 - множительное звено
6 - сумматор сил (моментов), действующих на ПМ
7 - датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний
8 - демодулятор
9 - блок преобразования электрического сигнала
10 - электростатический датчик силы или момента
На фиг.2 приведен вид тестового воздействия на ПМ и воздействия, обусловленного кориолисовым ускорением
На фиг.2 приняты следующие обозначения:
11 - тестовое воздействие на ПМ
12 - воздействие на ПМ, обусловленное кориолисовым ускорением при повороте ММГ с угловой скоростью П
13 - изменение амплитуды тестового воздействия на ПМ
14 - изменение Ω
На фиг.3 приведен вариант известной электродной структуры (патент РФ №2320962), с помощью которой может быть сформировано предложенное тестовое воздействие на ПМ.
На фиг.3 приняты следующие обозначения:
15 - ПМ
16 - электрод, расположенный над ПМ
17, 17а - электроды, расположенные над зубцовой зоной ПМ слева от оси Y
18, 18а - зубцовые зоны ПМ под электродами 17, 17а соответственно
19 - зубцовая зона ПМ
20, 20а - электроды, расположенные над зубцовой зоной ПМ справа от оси Y
21 - источник переменного напряжения
22 - источник постоянного напряжения
23 - опора
На фиг.4 приведена блок-схема варианта ММГ, в котором используется предложенный способ формирования тестового воздействия на ПМ для формирования каналов подстройки резонансной частоты и подавления квадратурной помехи.
На фиг.4 приняты следующие обозначения: опора ПМ 15 обозначена так же, как и на фиг.3, т.е.позиция 23,
24, 25 - статоры емкостного датчика положения ПМ по оси первичных колебаний
24а, 25а - статоры емкостного датчика положения ПМ по оси первичных колебаний, расположенные симметрично статорам 24, 25 относительно оси Y
26, 27 - статоры емкостного датчика момента, создающего момент вокруг оси первичных колебаний
26а, 27а - статоры емкостного датчика момента, создающего момент вокруг оси первичных колебаний, расположенные симметрично статорам 26, 27 относительно оси Y
28, 29 - пара силовых электродов, расположенных по оси вторичных колебаний
30, 31 - пара электродов емкостного датчика положения ПМ по оси вторичных колебаний
32 - первое устройство сдвига фазы электрического сигнала на 90°
33 - первый источник переменного напряжения
34, 35 - первый и второй дифференциальные усилители
36-38, 41, 47 соответственно первый, второй, третий, четвертый и пятый демодуляторы
39 - второе устройство сдвига фазы электрического сигнала на 90°
40 - устройство сдвига фазы электрического сигнала
42, 48 - первый и второй интеграторы
43 - второй источник переменного напряжения
44, 49 - первое и второе устройства суммирования
45 - модулятор
46 - дифференцирующее устройство
50, 51 - первый и второй усилители
На фиг.5 приведен вид электродной структуры ММГ LL-типа для реализации предлагаемого способа формирования тестового воздействия.
На фиг.5 приняты следующие обозначения:
52 - ПМ
53 - электрод, расположенный под ПМ 52
54 - зубцы, расположенные на боковых поверхностях ПМ 52
55 - статор гребенчатого емкостного датчика
56 - зубцы статора
57 - опоры
58 - торсионы
59 - группа электродов, расположенных под боковой поверхностью ПМ
60 - группа электродов, расположенных под боковой поверхностью ПМ между зубцами 54
На фиг.6 приведена блок-схема варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки резонансной частоты.
На фиг.6 приняты следующие обозначения:
элементы 15-17а, 20-22 обозначены, как на фиг.3, и элементы 15-17а, 20, 20а представлены в виде их электрических эквивалентов, элементы 32, 33 - как на фиг.4
61, 62 - первый и второй дифференциальные усилители
63-66 - соответственно первый, второй, третий и четвертый демодуляторы
67 - интегратор
На фиг.7 приведена блок-схема варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки этого сдвига фазы.
На фиг.7 приняты следующие обозначения:
68 - управляемое устройство сдвига фазы электрического сигнала
Остальные элементы на фиг.7 обозначены так же, как и на фиг.6.
На фиг.8 приведена часть блок-схемы варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки этого сдвига фазы. Сформированный таким образом сигнал используется в ММГ для формирования обратной связи по силе (моменту).
На фиг.8 приняты следующие обозначения:
69, 70 - соответственно первый и второй демодуляторы
71, 72 - соответственно первый и второй модуляторы
73, 74 - соответственно первое и второе усилительные звенья
75, 76 - соответственно первую и вторую фазосдвигающие цепи
77 - суммирующее устройство
78 - управляемая фазосдвигающая цепь
79 - третий демодулятор
80 - интегратор
На фиг.9 приведен вариант блок-схемы ММГ, в котором используется предложенный способ подстройки резонансной частоты и изменения крутизны микромеханической части ММГ в зависимости от величины измеряемой скорости.
На фиг.9 приняты следующие обозначения:
элементы 15-20а, 32, 33, обозначены, как на фиг.6, а элементы 24, 25 - как на фиг.4, и представлены в виде их электрических эквивалентов
81-86 - операционные усилители (ОУ)
87-92 - резисторы
93-96 - демодуляторы
97, 98 - интеграторы
99 - фазосдвигающая цепь
100 - источник переменного напряжения
101 - дифференцирующее звено
102 - инвертирующее звено
103, 104 - источники постоянного напряжения
105, 105а - дифференциальные усилители
106-113 - резисторы
114 - фильтр низкой частоты (ФНЧ)
115 - элемент с изменяемым коэффициентом передачи
На фиг.10 приведен пример выполнения элемента с изменяемым коэффициентом передачи 115
На фиг.10 приняты следующие обозначения:
элемент 101 обозначен, как на фиг.10
116, 117 - умножители
118 - резистор
119 - конденсатор
На фиг.11 приведен пример выполнения ММГ, в котором производится непрерывное тестирование исправной работы и ее индикация.
На фиг.11 приняты следующие обозначения:
элементы 93-105 обозначены, как на фиг.9
120 - индикатор
Предлагаемый способ заключается в следующем.
На фиг.1 элементы связаны следующим образом. Канал первичных колебаний 1 имеет выходы γ и dγ/dt, которые соответствуют перемещениям ПМ, которая на фиг.3 обозначена как ПМ 15, по оси первичных колебаний и скорости этих перемещений. Эти величины поступают на входы звеньев 3, 4 с коэффициентами К1 и К2 соответственно. Третий выход блока 1 соответствует выходу емкостного датчика перемещений ПМ, он представляет собой электрический сигнал, пропорциональный величине γ, который используется как опорный сигнал демодулятора 8. Выходной сигнал блока 3 в блоке 5 перемножается с угловой скоростью Ω, вокруг оси чувствительности ММГ. Выходные сигналы блоков 5 и 4 представляют собой величины сил или моментов (в зависимости от типа ММГ LL- или RR-), соответственно обусловленных кориолисовым ускорением и квадратурной помехой. Эти моменты суммируются элементом 6, выход которого соединен с входом микромеханической части канала вторичных колебаний ММГ 2, которая представлена в виде резонансного звена второго порядка. Выход этого звена α через датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний 7 соединен со входами демодулятора 8 и регулятора 9. Последний через электростатический датчик силы (или момента) 10 соединен со входом сумматора 6 сил (моментов), действующих на ПМ. На вход элемента 10 поступает напряжение Uт для создания тестового воздействия на ПМ по оси вторичных колебаний.
Канал вторичных колебаний ММГ работает следующим образом.
Сила F, действующая на ПМ 15, содержит четыре составляющих:
где К3, К4 - коэффициенты пропорциональности.
При этом
где γ0 - амплитуда первичных колебаний.
Отметим, что с помощью сигнала Uoc можно обеспечить снижение добротности в канале вторичных колебаний, подавить квадратурную помеху (см. пат. США №6553833). Тестовый сигнал Uт может быть подан не непосредственно на датчик момента, а на вход блока 10.
Как уже отмечалось выше в прототипе данного изобретения для определения разности резонансных частот подвесов, которые на резонансной кривой блока 2 обозначены Δf, формируют два тестовых воздействия, равноотстоящие по частоте от ω1.
1
В отличие от прототипа и аналогов в соответствии с предложенным способом напряжение U(t) на одном или нескольких электродах изменяют так, что гармоническая составляющая A(t) на частоте ω величины
(т.е. производная накопленной энергии в конденсаторах, образованных проводящей ПМ и электродами, расположенными на оси вторичных колебаний, по перемещению α ) изменяется в соответствии с выражением:
1
А(t)≡B(t)sin(ωt), где амплитуда B(t)≠0.
На фиг.2 показано, что тестовое воздействие 11 имеет вид гармоники, которая модулирована по амплитуде (на фиг.2 модуляционной функцией является гармонический сигнал 13). Эта гармоника сдвинута на 90° по отношению к воздействию, обусловленному кориолисовым ускорением 12, т.е. она синфазна квадратурной помехе. Однако в отличие от квадратурной помехи, которая имеет постоянную или медленно меняющуюся (вследствие изменения окружающей среды или старения ММГ) амплитуду, изменение амплитуды тестового воздействия может быть сделано достаточно высокочастотным (необходимая частота изменения определяется быстродействием контуров подстройки) и сложной формы. Например, эта амплитуда может изменяться случайным образом, для чего можно использовать известные схемы и программы генераторов случайных величин или чисел.
Пример формирования предложенного тестового воздействия приведен на фиг.3.
Здесь ПМ 15, состоящая из секторов диска, под электродами 16, 17 и 20. Симметрично этим электродам расположены другие три электрода (16а, 17а и 20а). Боковые поверхности секторов диска имеют зубцы 18, 19, которые с зубцами статоров (на фиг.3 не показаны) образуют гребенчатые датчики перемещения по первичной оси и датчики момента. Зубцы 18, 18а расположены под электродами 17, 17а. Диск подвешен с помощью торсионов на опоре 23, на которую может подаваться постоянное и/или переменное напряжение. Торсионы, опора 23 и ПМ 15 выполнены из легированного кремния и поэтому могут считаться проводниками. Источники переменного и постоянного напряжения 21 и 22 соответственно соединены последовательно и подключены к электроду 17 (или к двум электродам, расположенными над зубцовыми зонами ПМ с одной стороны от оси Y, например, 17 и 17а). Более подробно эта электродная структура описана в пат. РФ №2320962, где показано, что первичные колебания ПМ 15 вызывают изменение площади перекрытия между электродами 17, 17а, 20, 20а и ПМ 15, что в свою очередь при различии напряжений на этих парах электродов (17, 17а и 20, 20а) приводит к возникновению момента, синфазного (или противофазного) с квадратурной помехой.
23
21
22
В случае если на ПМ для возбуждения датчиков перемещения поступает напряжение U, а напряжения источников 21, 22 соответственно равны U, U, при этом
1
то, с учетом изменения площади перекрытия между электродами над зубцовыми зонами ПМ 15 при изменении положения ПМ по оси первичных колебаний в соответствии с выражением (2), получим, что формируемый этими напряжениями момент М вокруг оси Х на частоте ω пропорционален
После подстановки выражений (4), (5) в выражение (6) получим, что
23
21
22
21
21
Полагая величины A, A постоянными, получим, что за счет изменения постоянной составляющей А можно в ММГ сформировать момент, компенсирующий квадратурную помеху, и при этом сформировать синфазный с квадратурной помехой момент, амплитуда которого изменяется с частотами ω и 2ω. Реакцию звена 2 на по крайней мере одну из этих составляющих можно использовать для диагностики микромеханической части ММГ.
Электроды ММГ RR-типа на фиг.4 включают в себя статоры 24, 25 емкостного датчика положения ПМ по оси первичных колебаний, которые на боковых поверхностях имеют зубцы и вместе с зубцами ПМ образуют гребенчатую электродную структуру, пару силовых электродов 28, 29 и пару электродов 30, 31 емкостного датчика положения ПМ, расположенных по оси вторичных колебаний. Более подробно эта конструкция ММГ описана в работе (Пешехонов В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. - Гироскопия и навигация. - 2005. - №3. - С.44-51).
К опоре 23 подключены последовательно включенные первое устройство сдвига фазы 32 электрического сигнала на 90° и первый источник переменного напряжения 33.
К статорам 24, 25 подключены входы первого (34), а к электродам 30, 31 - второго (35) дифференциальных усилителей, которые могут быть выполнены как трансрезистивные усилители.
Входы для опорного сигнала демодуляторов 36, 37 соединены с первым источником переменного напряжения 33, а сигнальные входы этих демодуляторов подключены соответственно к выходам усилителей 34, 35.
Входы третьего демодулятора 38 соединены с выходами демодуляторов 36, 37.
Входы четвертого демодулятора 41 соединены с выходом демодулятора 36 и через второе устройство сдвига фазы электрического сигнала на 90° (39) - с выходом демодулятора 37.
Входы пятого демодулятора 47 соединены со вторым источником переменного напряжения 43 и выходом третьего демодулятора 38.
Выход четвертого демодулятора 41 через интегратор 42 и первое устройство суммирования 44 соединен с одним входом модулятора 45. При этом другой вход устройства суммирования 44 соединен со вторым источником переменного напряжения 43. Другой вход модулятора 45 через устройство сдвига фазы электрического сигнала 40 соединен с выходом демодулятора 36.
Выход пятого демодулятора 47 через второй интегратор 48 соединен с одноименными входами первого и второго усилителей 50, 51. К разнополярным входам этих усилителей подключены через второе устройство суммирования 49 выходы модулятора и дифференцирующего устройства 46, вход которого соединен с выходом демодулятора 37.
Формирование тестового воздействия производится следующим образом.
Перемещения ПМ по оси первичных колебаний γ имеют гармонический характер и описываются выражением (2). С помощью емкостного датчика, в который входят статоры 24, 25 преобразователя емкость -напряжение, на элементах 34, 36 эти колебания преобразуются в электрический сигнал
42
который из-за задержки в фильтре низших частот демодулятора 36 может отставать на угол Δφ по отношению к колебаниям γ(t). С помощью элемента 40 это отставание может быть скомпенсировано, и в этом случае на вход модулятора 45 будет поступать сигнал, синфазный γ(t). На другой вход модулятора 45 поступает выходной сигнал элемента 44, который может содержать постоянную составляющую (А) с выхода интегратора 42 и сигнал
48
43
21
21
1
С учетом того, что с выхода интегратора 48 поступает постоянное напряжение U нa входы усилителей 50, 51, которые имеют один знак, а на разноименные входы этих усилителей поступает сигнал с выхода элемента 45, то ω=ω после преобразований, описанных выше при получении выражения для момента М, можно прийти к выражению, в котором содержится составляющая sin(ωt)sin(ωt), как и в выражении (9).
Таким образом, и в ММГ с электродной структурой с неизменяющейся площадью перекрытия между ПМ и электродами по оси вторичных колебаний может быть сформировано желаемое тестовое воздействие на ПМ.
На фиг.5 показана конструкция ММГ LL-типа. Здесь ПМ 52 подвешена с помощью торсионов 58, которые прикреплены к опорам 57, находящимся на основании. На основании под ПМ 52 находится электрод 53, который с ПМ 52 образует емкостной датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний. На основании находится и статор 55 с зубцами 56. Боковые поверхности ПМ 52 также имеют зубцы 54, которые с зубцами 56 образуют гребенчатую электродную структуру, используемую в ММГ для формирования емкостных датчиков перемещения и момента. На фиг.5 показаны возможные размещения вспомогательных электродов, предназначенных для формирования предлагаемого тестового воздействия. Помимо описанного выше расположения электродов над или под зубцами ПМ эти электроды могут быть расположены вне зубцовой зоны, как это показано для группы электродов 59, находящихся на периферии боковой поверхности, или между зубцов, как это показано для группы электродов 60.
Принцип формирования тестового воздействия при этом аналогичен описанному применительно к электродам над зубцовой зоной. И в том и другом случае при движении ПМ происходит изменение площади перекрытия между ПМ и соответствующими электродами, на которых формируют изменяющееся во времени напряжение. В результате формируется сила или момент, действующие на ПМ в той же фазе, что и момент, вызывающий квадратурную помеху, с изменяющейся по известному закону во времени амплитудой. Основное отличие между электродной структурой на фиг.5 и на фиг.З в величине тестового воздействия, которое пропорционально площади перекрытия. Величина площади перекрытия имеет важное значение для подавления квадратурной помехи, однако тестовое воздействие, необходимое для нормальной работы систем подстройки и диагностики, может быть на несколько порядков ниже величины квадратурной помехи, которую необходимо подавить в ММГ.
На фиг.6 элементы соединены следующим образом.
Входы дифференциального усилителя 61 подключены к статорам 24, 25 емкостного датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Входы дифференциального усилителя 62 подключены к электродам 20, 20а.
Входы для опорного сигнала демодуляторов 63, 64 соединены с первым источником переменного напряжения 33, а сигнальные входы этих демодуляторов подключены соответственно к выходам усилителей 61, 62.
Выходы демодуляторов 63, 64 соединены с входами демодулятора 65. Входы демодулятора 66 соединены с выходом демодулятора 65 и источником 21. Выход демодулятора 66 через интегратор 67 соединен с электродом 16.
Формирование тестового воздействия в ММГ с такой электродной структурой описано выше.
Наряду с моментом, обусловленным действием ускорения Кориолиса, на ПМ действует сформированное тестовое воздействие.
21
Σ
Принимая во внимание только член с составляющей sin(ωt), получим, что суммарный момент М
1
2
где k,k - коэффициенты.
Под действием этого момента перемещения ПМ по оси вторичных колебаний могут быть описаны выражением
2
1
1
2
где Δω=ω-ω, a k(Δω) и ψ(Δω) - соответственно масштабный коэффициент и вносимый резонансным подвесом фазовый сдвиг, которые зависят от расстройки резонансных контуров или разности их резонансных частот ω, ω.
Высокочастотное напряжение источника 33 вызывает протекание токов через электроды емкостных датчиков, которые зависят от величин емкостей между этими электродами и ПМ. Эти токи усиливаются усилителями 61, 62 и демодуляторами 63, 64 преобразуются в электрические сигналы, пропорциональные перемещениям ПМ (γ, α) по соответствующим осям.
21
Низкочастотная составляющая произведения электрических сигналов, которые пропорциональны перемещениям γ, α, будет содержать члены, пропорциональные величинам Ω(t)sin(ψ(Δω)) и sin(ωt)cos(ψ(Δω)). Эта составляющая выделяется демодулятором 65.
21
При совмещении резонансных частот (Δω=0) угол ψ=90° и составляющая сигнала на частоте ω, т.е. обусловленная тестовым воздействием, равна нулю, а составляющая, пропорциональная Ω(t), принимает максимальное значение.
2
Для подстройки резонансной частоты ω в демодуляторе 66 в качестве опорного сигнала используется напряжение источника 21.
21
21
2
Низкочастотная составляющая произведения сигнала, представляющего сумму сигналов (Ω(t)sin(ψ(Δω))+sin(ωt)cos(ψ(Δω))), и опорного сигнала вида sin(ωt) выделяется демодулятором 66. Эта составляющая пропорциональна cos(ψ(Δω). Поэтому если эту составляющую через интегратор подать на электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, то за счет известного изменения отрицательной жесткости резонансная частота ω будет изменяться, пока входной сигнал не окажется равным нулю, что имеет место при ψ=90°.
Таким образом, предложенный способ формирования тестового воздействия и подстройки частоты обеспечивает требуемую настройку резонансной частоты подвеса ПМ. Можно отметить, что усилители 61, 62 могут быть выполнены по схеме трансрезистивного дифференциального усилителя, для формирования датчика перемещения ПМ 15 могут дополнительно использоваться электроды 24а, 25а, ПМ 15 электрически связана с опорой 23, поэтому общий электрод всех емкостных датчиков может быть обозначен как ПМ 15 и как опора 23.
1
43
1
2
43
1
2
В ММГ на фиг.4 формирование тестового воздействия осуществляется с помощью элементов 43-45 и 49-51, как описано выше. Формируемый с помощью этих элементов момент создает те составляющие колебаний ПМ с частотой ω, которые ортогональны колебаниям, вызываемым ускорением Кориолиса. Амплитуда этих колебаний изменяется с частотой ω источника напряжения 43. При совпадении частот ω и ω сигнал на выходе демодулятора 38 синфазен с колебаниями, вызываемыми ускорением Кориолиса, и ортогонален колебаниям, амплитуда которых изменяется с частотой ω. Поэтому на выходе демодулятора 38 при совпадении частот ω и ω присутствует только сигнал, пропорциональный угловой скорости Ω.
43
Если в спектре сигнала на выходе демодулятора 38 отсутствуют составляющие с частотой ω, то выходной сигнал демодулятора 47 оказывается равным 0.
43
2
1
В случае, когда  на выходе демодулятора 38 появляется постоянная составляющая, обусловленная квадратурной помехой, и составляющая на частоте ω. Последняя демодулятором 47 преобразуется в постоянное напряжение, которое приводит к тому, что выходное напряжение интегратора становится нарастающим или уменьшающимся. Соответственно изменяются напряжения на электродах 28, 29, и это из-за изменения отрицательной жесткости приводит к изменению частоты ω до тех пор, пока она не станет равной ω.
1
2
При настройке в резонанс (ω=ω) демодулятор 41 выделяет постоянное напряжение, пропорциональное квадратурной помехе, которое через интегратор 42 поступает к модулятору 45, формирующему напряжение на частоте с фазой, совпадающей с первичными колебаниями ПМ. Это напряжение, поступая в противофазе на электроды 30, 31 при наличии постоянного напряжения между ПМ и этими электродами создает момент, подавляющий квадратурную помеху.
За счет дифференцирования выходного сигнала демодулятора 37 элементом 46 и формирования из выходного сигнала элемента 46 противофазных напряжений на электродах 28, 29 в ММГ обеспечивается снижение добротности подвеса по оси вторичных колебаний. Здесь можно отметить, что при большой величине добротности подвеса в канале вторичных колебаний при настройке в резонанс коэффициент передачи элемента 46 (точнее, тракта из емкостного датчика по оси вторичных колебаний, демодуляторов 35, 37, усилителей 50, 51 и датчика момента на электродах 28, 29) определяет масштабный коэффициент ММГ.
Таким образом, показано, что предложенные способы формирования тестового воздействия и подстройки частоты обеспечивают требуемую настройку резонансной частоты подвеса ПМ в ММГ с электродной структурой, в которой отсутствуют электроды по оси вторичных колебаний с изменяемой при колебаниях ПМ площадью перекрытия.
На фиг.7 в отличие от фиг.6 управляемое устройство сдвига фазы электрического сигнала 68 включено между выходом демодулятора 63 и входом демодулятора 65, а выход интегратора соединен со входом для управления элемента 68.
1
Предложенный способ определения сдвига фазы сигнала основан на анализе реакции ПМ на тестовое воздействие, которое создается с помощью источника напряжения 21 и электродов, с которыми он соединен. Создаваемые таким образом колебания ПМ по оси вторичных колебаний, как отмечалось выше, являются модулированными по амплитуде колебаниями на частоте ω, которые совпадают по фазе с квадратурной помехой. Сигнал, пропорциональный амплитуде этих колебаний, может быть выделен с помощью последовательной демодуляции сигнала емкостного датчика по оси вторичных колебаний с помощью демодуляторов, опорными сигналами которых являются соответственно сигнал емкостного датчика положения ММГ по оси первичных колебаний и источник 21. Этот сигнал принимает нулевое значение только при сдвиге фазы между сигналами демодулятора, равным 90°. При отличии от 90° входной сигнал интегратора 67 будет изменяться и соответственно изменять сдвиг фазы, вносимый элементом 68, до тех пор, пока не будет достигнут этот сдвиг. Напряжение на входе элемента 68 (выходе интегратора 67) определяет величину фазового сдвига, необходимого для компенсации отличия сдвига фаз между сигналами емкостных датчиков от 90°.
Таким образом, по измеренной величине напряжения на выходе элемента 67 и известной функциональной зависимости между фазой и напряжением элемента 68 можно определить искомый сдвиг фаз.
Отметим, что можно уменьшить диапазон выходных напряжений элемента 67, если последовательно с элементом 68 включить последовательно элемент с постоянным сдвигом фазы, желаемым для выбранного режима работы ММГ.
Например, при работе ММГ с расстройкой на уровне 3-5% от резонансной частоты этот постоянный сдвиг фазы близок к 90°. Достоинством ММГ, в котором реализован этот способ определения и стабилизации сдвига фазы между сигналами емкостных датчиков, будет полное подавление квадратурной помехи демодулятором 65.
Отметим, что входы элемента 62 могут быть подключены к электродам 16, 16а без изменения работы контура подстройки фазы.
На фиг.8 приведена часть блок-схемы варианта ММГ, в котором используется предложенный способ определения сдвига фазы сигнала в канале вторичных колебаний относительно сигнала датчика перемещения подвижной массы в канале первичных колебаний в ММГ и подстройки этого сдвига фазы. Сформированный таким образом сигнал используется в ММГ для формирования обратной связи по силе (моменту).
На фиг.8 элементы соединены следующим образом.
Входы первого (элемент 69) и второго (элемент 70) демодуляторов объединены и соединены с выходом емкостного датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний. Выходы этих демодуляторов через первое и второе усилительные звенья (соответственно элементы 71, 72) соединены с входами первого и второго модуляторов (соответственно элементы 73, 74), выходы которых соединены со входами суммирующего устройства 77. Входы для опорного сигнала одноименных демодуляторов и модуляторов соединены с выходами одноименных фазосдвигающих цепей (соответственно первой 75 и второй 76). Входы этих фазосдвигающих цепей через управляемую фазосдвигающую цепь 78 соединены с выходом емкостного датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Вход управления фазосдвигающей цепи 78 соединен через интегратор 80 и третий демодулятор 79 с источником напряжения B(t) и выходом второго демодулятора 70.
Приведенная на фиг.8 блок-схема может быть использована в ММГ на фиг.6 при замене ею элементов 65-67. В этом случае ММГ оказывается компенсационного типа. В нем производится компенсация квадратурной помехи и моментов, обусловленных ускорением Кориолиса соответственно каналами с демодуляторами 69 и 70 при условии, что фазосдвигающая цепь дает сдвиг 90°, цепь 76 - 0°. Подстройка сдвига фазы в устройстве на фиг.8 происходит аналогично тому. как это происходит в устройстве на фиг.7.
На фиг.9 элементы соединены следующим образом.
Для удобства представления электрических связей общий электрод всех емкостных датчиков перемещения и момента (ПМ 15) показан разделенным.
Резисторы 87-92 включены между выходом и инвертирующим входом соответственно ОУ 81-86. Вход ОУ 81 соединен с электродом 16, вход ОУ 82 - с диаметрально расположенным электродом. Выходы ОУ 81, 82 через дифференциальный усилитель 105 соединены с входом демодулятора 93, другой вход которого соединен с источником напряжения 33. Выход демодулятора 93 соединен со входами демодуляторов 94, 95. Входы дифференциального усилителя 105а соединены со статорами гребенчатого двигателя. Выходы ОУ 84, 85 соединены с электродами, расположенными над зубцовой зоной ПМ с одной стороны оси чувствительности ММГ, ОУ 86 - с парой других, расположенных по другую сторону от оси чувствительности ММГ. Источник постоянного напряжения 103 через резисторы 108, 109 соединен соответственно с входами ОУ 84, 85. Источник постоянного напряжения 104 через резистор 111 соединен с входом ОУ 86. Выход дифференциального усилителя 105а соединен с входом демодулятора 94 и входом фазосдвигающей цепи 99, которая соединена с входом элемента 95. Источник переменного напряжения 100 соединен с входом элемента 96 и через резистор 113 - со входом ОУ 86. Резисторы 106, 107, 110, 112 соединены со входами ОУ 83-86 соответственно. Выходы демодуляторов 94-96 соединены соответственно с входом ФНЧ 114 и входом элемента 96, с входом интегратора 98, с входом интегратора 97. Выходы интеграторов 97, 98 соединены с резисторами 106, 112 соответственно. Выход элемента 95 через последовательно соединенные элемент с изменяемым коэффициентом передачи 115, дифференцирующее звено 101 и инвертирующее звено 102 соединены с резистором 107. В ММГ на фиг.9 контур автоподстройки резонансной частоты подвеса сформирован на элементах 81, 82, 105, 93, 94, 96, 97, 83. Эти элементы работают следующим образом. Усилители 81, 82, 105 и демодулятор 93 образуют преобразователь емкость - напряжение, который с электродами, соединенными со входами ОУ 81, 82, образуют датчик перемещения ПМ по оси вторичных колебаний. Демодуляторы 94, 96 выделяют сигнал на частоте источника 100, создающего тестовое воздействие на ПМ, если резонансные частоты подвесов не совпадают. В этом случае выходное напряжение интегратора изменяется, при этом изменяются напряжения на синфазных входах ОУ 81, 82. Соответственно изменяется и напряжение на инвертирующих входах этих ОУ и на подключенных к ним электродах, что и приводит к изменению резонансной частоты. Дифференциальный усилитель 105а может быть сформирован аналогично цепи на элементах 81, 82, 105 и 93, он совместно с подключенными к нему статорами образует датчик перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Благодаря автоподстройке резонансной частоты сигнал на выходе демодулятора 95 пропорционален амплитуде колебаний ПМ с фазой квадратурной помехи. Средняя составляющая этих колебаний подавляется выходным сигналом интегратора 98, который поступает на электроды, расположенные над зубцовой зоной ПМ. Отрицательная обратная связь через звенья 101 и 115 позволяет изменять коэффициент передачи преобразователя ускорение Кориолиса - напряжение на выходе элемента 94, которым является ММГ путем изменения коэффициента передачи элемента в цепи отрицательной обратной связи. Отметим, что стабильный коэффициент передачи сохраняется только при действии системы автоподстройки частоты в случае работы ММГ в режиме с близко сведенными частотами.
Элементы на фиг.10 соединены следующим образом.
Входы умножителя 116 объединены и подключены к одному входу умножителя 117, выход элемента 116 через резистор 118 соединен с конденсатором 119 и вторым входом элемента 117, выход которого соединен с входом элемента 101.
Элементы 118, 119 образуют ФНЧ, который сглаживает выходной сигнал элемента 116, который пропорционален квадрату выходного сигнала ММГ. Коэффициент передачи звена обратной связи в ММГ на фиг.9 с такой реализацией элемента 115 зависит от уровня измеряемой угловой скорости Ω. Чем ниже уровень, тем слабее сигнал обратной связи. Благодаря этому при малых уровнях Ω ММГ работает при большей величине добротности, что позволяет повысить разрешающую способность ММГ. Учет изменения масштабного коэффициента ММГ может быть сделан при измерении сигнала на выходе элемента 116.
Необходимо отметить, что звено с переменным коэффициентом передачи может быть реализовано другими средствами. В частности, на пороговых элементах или с использованием элементов, у которых коэффициент передачи изменяется в зависимости от входного в соответствии с таблицей значений.
На фиг.11 индикатор 120 соединен с выходом элемента 94 и источником 100.
В случае исправности всех контуров в ММГ напряжение на выходе демодулятора 94 имеет составляющую, которая пропорциональна тестовому напряжению. Их сравнение позволяет производить оценку исправности ММГ.
Для контроля исправности ММГ можно использовать сигналы с выходов интеграторов 97, 98, выходной сигнал которых определяется начальной расстройкой резонансных частот и уровнем квадратурной помехи. Для каждого образца микромеханического чувствительного элемента эти величины могут быть паспортизированы. Сравнение текущих значений сигналов с выхода интеграторов с паспортизированными значениями не должны выходить за определенную зону при исправной работе ММГ.