МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП-АКСЕЛЕРОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в инерциальных системах подвижных объектов, в автопилотах авиа и судомоделей, в системах безопасности транспортных средств.
Особенностью микромеханических гироскопов является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и вес гироскопа, возможность применения групповой технологии изготовления, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.
Известен микромеханический гироскоп-акселерометр, конструктивно выполненный в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием посредством взаимно перпендикулярных торсионов. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента [патент РФ №2064682, МКИ G01Р 15/08, 1993].
Недостатком данного устройства является значительный разброс в пространстве колеблющихся элементов, что приводит при работе в обычной газовой среде к появлению больших сил демпфирования.
Известно также техническое решение [патент РФ №2293338, МПК G01P 15/14 (2006.01), G01C 19/56 (2206.01), 2005 г.], в котором введены две инерционные массы, одна из которых выполнена в виде кольца, а другая - в виде квадрата.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп-акселерометр [Патент РФ №2162229, МПК G01P 15/08, МПК G01C 19/56, 2000 г.], содержащий плату из диэлектрического материала с напылением на ней электродов датчика угла и датчика момента и инерционную массу, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие балочки, которые одними концами жестко прикреплены к опорам, расположенным на плате, а вторыми - к инерционной массе, выполненной в виде пластины из электропроводного материала со сквозными отверстиями и боковыми
гребенчатыми зубцами электродов пластины, при этом на плате закреплены электроды системы возбуждения с гребенчатыми зубцами, установленные с возможностью электромагнитного взаимодействия с инерционной массой в плоскости ее пластины через боковые зазоры и взаимопроникающие друг в друга гребенки электродов, причем электроды соединены с электронной схемой обработки сигналов. В пластине выполнены по меньшей мере две сквозные параллельные прорези от периферии пластины до линии ее геометрического центра, в местах их пересечения с которой к пластине прикреплены вторые концы упругих балочек, установленных в указанных прорезях с возможностью совершения колебаний в плоскости пластины и ортогонально к ней.
Недостатком подобного устройства является невысокая точность, обусловленная консольным закреплением инерционной массы, а также введением единого датчика выходного сигнала и по каналу гироскопа и по каналу акселерометра.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности микромеханического гироскопа-акселерометра.
Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе-акселерометре, содержащем плату из диэлектрического материала, инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния со сквозными отверстиями и расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие балочки, которые одними концами прикреплены к инерционной массе, а другими концами через промежуточные элементы к плате, электровибропривод, датчик силы, содержащий подвижные и неподвижные элементы, емкостные датчики перемещений гироскопического канала, емкостные датчики перемещений акселерометрического канала, содержащие подвижные и неподвижные элементы, блок электроники. В инерционной массе по осям ее симметрии могут быть выполнены четыре сквозные прорези от периферии пластины к ее центру, внутри которых могут размещаться упругие балочки, образующие подвес, позволяющий инерционной массе совершать колебания как в плоскости пластины из кремния, так и ортогонально к ней. Подвижные элементы датчика силы могут быть напылены на инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния, и размещены по ее углам, а неподвижные элементы датчика силы могут быть напылены на плату. Подвижные элементы емкостного датчика перемещений акселерометрического канала могут быть напылены на инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния, и размещены в центральной
части пластины. Неподвижные элементы емкостного датчика перемещений акселерометрического канала могут быть напылены на плату.
При исполнении микромеханического гироскопа-акселерометра у которого центр масс совпадает с точкой подвеса, а каналы съема сигналов по угловой скорости и линейному ускорению конструктивно разделены, обеспечивается повышение точности измерения.
На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического гироскопа-акселерометра. Микромеханический гироскоп-акселерометр содержит плату 1, выполненную из диэлектрического материала. Инерционная масса 2 выполнена в виде прямоугольной пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположена с зазором относительно платы 1 и связана с ней через упругие балочки 3, которые одними концами прикреплены к инерционной массе 2, а другими концами через промежуточные элементы 4 к плате 1. Электровибропривод 5 представляет собой генератор системы электростатического возбуждения. Емкостной датчик перемещения гироскопического канала 6 содержит подвижные и неподвижные элементы. Подвижные элементы перемещаются вместе с инерционной массой 2, а неподвижные элементы закреплены на плате 1. Датчик силы содержит подвижные 8 и неподвижные элементы. Подвижные элементы датчика силы 8 напылены на инерционную массу 2 и размещены по ее углам. Неподвижные элементы датчика силы напылены на плату 1. Емкостной датчик перемещений также содержит подвижные 7 и неподвижные элементы. Подвижные элементы 7 напылены на инерционную массу 2 и размещены в ее центральной части, а неподвижные элементы напылены на плату 1.
Предложенное устройство работает следующим образом. При включении питания под воздействием электростатических сил в зазорах электровибропривода 5 инерционная масса 2 совершает возвратно-поступательные движения в направлении оси Y. При вращении платы 1 с угловой скоростью ω вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные к инерционной массе 2 и направленные вдоль оси X. Амплитуда колебаний инерционной массы 2 в направлении оси Х пропорциональна измеряемой угловой скорости ω. Электрический сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний инерционной массы 2, снимается с емкостного датчика перемещений 6 гироскопического канала, а затем преобразуется электронной схемой обработки сигналов в блоке электроники. При действии линейного ускорения в направлении оси, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, возникает сила инерции, под
действием которой инерционная масса 2 перемещается в том же направлении. Электрический сигнал, пропорциональный величине линейного ускорения, снимается с емкостного датчика перемещений 7 акселерометрического канала и также преобразуется в блоке электроники. Акселерометрический канал выполняется по схеме компенсационного типа (с обратной связью). Сигнал, снимаемый с емкостного датчика перемещений 7, используется для формирования силы в системе обратной связи.
Таким образом может быть осуществлено не только измерение угловой скорости движения основания (платы 1) вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, но и измерение линейного ускорения в направлении этой же оси.
Заявленный микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет повысить точность измерений.