МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относятся к гироскопическим приборам, и может быть использована в системах управления подвижных объектов различного назначения, а также в качестве индикаторов движения объектов.
В микромеханических гироскопах - измерителях угловой скорости [1-2] используются емкостные преобразователи механического перемещения инерционной массы из-за сил инерции и Кориолиса в напряжение на выходе.
В настоящее время емкостные преобразователи являются самыми высокоточными и имеют большой динамический диапазон измерения величин. В микромеханических акселерометрах и гироскопах, рабочие емкости составляют несколько пикофарад при размерах инерционной массы в районе 300×300 мкм, а чувствительность емкостного преобразователя определяется его выходными паразитными емкостями, предварительного усилителя обслуживающих элементов.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству являются измерители угловых скоростей с чувствительным элементом кольцевого типа [3-5]. Датчик угловой скорости (ДУС) [4], содержит пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем систему вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен к входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, модулятора и выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу выходного усилителя подключена система вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена к входу второго входного усилителя; на выходе фазовращателя образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал, отличающийся тем, что выполнена дополнительная система вторичных датчиков колебаний, расположенных на оси резонатора, перпендикулярной оси, по которой выполнена основная система вторичных датчиков колебаний, введены первый формирователь импульсов, второй формирователь импульсов, логическое устройство И, D-триггер, JK-триггер, генератор тактовых импульсов, выводы основной и дополнительной систем вторичных датчиков колебаний соединены вместе, выход второго входного усилителя подключен к входу первого формирователя импульсов, выход которого подключен к первому входу логического устройства, выход модулятора подключен к входу второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом логического устройства., к синхронизирующему входу D-триггера подключен выход логического устройства, инверсный выход D-триггера соединен с его входом D, прямой выход D-триггера подключен к соединенным вместе J-входу и K-входу JK-триггера, к синхронизирующему входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов; фазовращатель выполнен как фазовый расщепитель с дополнительным выходом сигнала с фазовым сдвигом 180°, выход фазового расщепителя с сигналом с фазовым сдвигом 0° подключен к входу опорного напряжения модулятора, выход фазового расщепителя с сигналом с фазовым сдвигом 90° подключен к входу опорного напряжения первого фазового демодулятора, выход фазового расщепителя с сигналом с фазовым сдвигом 180° подключен к входу опорного напряжения второго фазового демодулятора.
ДУС [3] состоит из прямоугольного металлического основания с тремя выступами, с формированными в них сквозными отверстиями под крепеж. К основанию крепятся четыре стойки, к которым крепиться плата управления с чувствительным элементом емкостного типа. Плата обработки располагается сверху платы управления, на промежуточных стойках зафиксированных на стойках прикрепленных к основанию. Взаимосвязь между платами управления и обработки осуществляется с помощью межплатного разъема. Управление ДУСом и съем информации осуществляется посредствам разъема установленного на крышке. Крышка выполнена таким образом, что формирует корпус прибора, устанавливаясь поверх плат сбора и обработки и фиксируясь с основанием.
Известный ДУС [3] обладает следующими недостатками приводящими к увеличению ошибки измерения. Использование в конструкции стоек для крепления плат с расположенными на них чувствительным элементом и обрабатывающей электроники при высоких угловых скоростях свыше 100 град/с приводит к возникновению напряжения в основания стоек вследствие действия Кориолисовых сил, что ведет к увеличению напряженности в узлах, последующей деформации конструкции и, соответственно, снижению надежности конструкции и точности измерений. Использование разъема РСГ7ТВ приводит не только к усложнению технического решения, в связи с трудоемкостью операции сборки, но так же и к увеличению габаритно массовых характеристик. Использование в устройстве крышки в качестве корпуса, приводит к увеличению габаритов изделия, что в свою очередь приводит к увеличению габаритов конечного изделия. Так же в конструкции не предусматривается точной установки ДУС на изделие, при условии использования крепежа с максимально возможным диаметром для данной конструкции ДУС, изначально возникает возможность появления ошибки 0,5 градуса, что является не допустимым при использовании ДУСа как высокоточного измерительного устройства.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является повышение точности и надежности функционирования за счет увеличения жесткости конструкции, уменьшения габаритно массовых характеристик и увеличения точности монтажа.
Технический результат достигается за счет того, что в микромеханическом твердотельном волновом гироскопе (МТВГ) содержащем крышку, основание, а также, по меньшей мере, один чувствительный элемент, плату управления и плату обработки, взаимодействующие через межплатный разъем, и, по меньшей мере, один выходной разъем для управления МТВГ и съема информации, этот чувствительный элемент помещен в глухое отверстие, сформированное в основании, и зафиксирован в нем посредством компаунда, плата обработки и плата управления установлены соответственно в крышке и в основании, которые совместно образуют корпус прибора, выходной разъем для управления МТВГ и съема информации прикреплен к плате обработки и выведен за пределы этого корпуса через отверстие, сформированное в крышке, а зазор между выходным разъемом и крышкой загерметизирован.
Кроме того, в основании с платой управления и в крышке с платой обработки выполнены сквозные отверстия, через которые они скреплены друг с другом для образования корпуса прибора.
Кроме того, крепежные отверстия сформированы по периметру корпуса прибора.
Кроме того, в основании сформирована, по меньшей мере, одна пара отверстий под штифтовое соединение.
Полезная модель поясняется чертежами:
На фиг. 1 приведен внешний вид МТВГ.
На фиг. 2 приведено основание МТВГ.
На фиг. 3 приведено поэлементное устройство МТВГ для пояснения последовательности его сборки.
На фиг. 4 приведено расположение ЧЭ МТВГ в основании.
На фиг. 5 приведено расположение оси чувствительности относительно осей прибора.
На фиг. 1 показано:
1 - крышка;
2 - основание;
3 - разъем;
4 - крепеж;
5 - технологические канавки.
На фиг. 2 показано:
2 - основание;
6 - отверстия под крепеж;
7 - отверстия под штифты.
На фиг. 3 показано:
1 - крышка;
2 - основание;
4, 10, 11, 12 - крепеж;
8 - печатная плата обработки;
9 - печатная плата управления.
На фиг. 4 показано:
2 - основание;
13 - ЧЭ МТВГ;
14 - эпоксидный компаунд.
На фиг. 5 показано:
Ζ, Χ, Υ - оси прибора;
- вектор угловой скорости (ось чувствительности).
Микромеханический твердотельный волновой гироскоп (МТВГ) содержит, крышку 1, основание 2, а также, по меньшей мере, один чувствительный элемент 13, плату управления 9 и плату обработки 8, взаимодействующие через межплатный разъем, и, по меньшей мере, один выходной разъем 3 для управления МТВГ и съема информации, Чувствительный элемент 13 помещен в глухое отверстие (фиг. 4), сформированное в основании 2, и зафиксирован в нем посредством компаунда 14, плата обработки 8 и плата управления 9 установлены соответственно в крышке 1 и в основании 2, которые совместно образуют корпус прибора (фиг. 1), выходной разъем 3 для управления МТВГ и съема информации прикреплен к плате обработки 8 и выведен за пределы этого корпуса через отверстие 15, сформированное в крышке, а зазор между выходным разъемом 3 и крышкой 1 загерметизирован. В основании 2 с платой управления 9 и в крышке 1 с платой обработки 8 выполнены сквозные отверстия 6, через которые они скреплены друг с другом для образования корпуса прибора. Сквозные отверстия 6 могут быть сформированы по периметру корпуса прибора. В основании может быть сформирована, по меньшей мере, одна пара отверстий 7 под штифтовое соединение.
Указанный выше технический результат достигается путем использования корпуса прибора с сформированными в нем отверстиями под крепления и установку плат управления и обработки, взаимодействующие между собой посредствам разъема. При этом плата управления крепиться к основанию, так же как и чувствительный элемент. Крепление чувствительного элемента к основанию осуществляется посредством компаунда. Плата управления в свою очередь крепится к крышке. Данное расположение плат практически полностью исключает влияние перекрестных связей и Кориолисовых сил на конструкцию и ее функционирование. Так же для точной установки МТВГ на изделие в основании корпуса предусмотрены отверстия под штифты.
Внешний вид МТВГ приведен на фигуре 1. Посредством разъема 3 обеспечивается взаимодействие с внешним устройством. Для крепления МТВГ используется крепеж 4. Канавки 5 являются технологическими.
Детальное расположение составных частей МТВГ друг относительно друга приведено на фигуре 3. Печатная плата обработки 8, обеспечивающая взаимосвязь с внешними устройствами, а так же обработку информации с ЧЭ МТВГ с помощью крепежа 11 крепиться к крышке 1. В крышке 1 имеется сквозное отверстие 15 для разъема. Для обеспечения герметичности зазор между разъемом и боковыми поверхностями технологического отверстия крышки 1 герметизируют. Печатная плата управления 9 с установленным ЧЭ МТВГ крепится к основанию 2 с помощью крепежа 12. С помощью крепежа 4 МТВГ крепиться к внешнему основанию
В основании 2 фигура 4 имеется отверстие для размещения микросхемы ЧЭ МТВГ 13, для обеспечения жесткой фиксации микросхемы ЧЭ МТВГ дополнительно производиться заливка эпоксидным компаундом 14.
Суть работы МТВГ заключается в изменении выходного напряжения в следствии действия угловой скорости вдоль оси Ζ фигура 5. При этом выходное напряжение пропорционально физической величине угловой скорости ω
вых
0
1
U=K+K·ω
0
K - нулевой сигнал;
1
K - масштабный коэффициент.
Таким образом, от использования предлагаемой полезной модели достигается технический результат, которым является повышение точности и надежности функционирования за счет увеличения жесткости конструкции, уменьшения габарит массовых характеристик и увеличения точности монтажа.
Источники информации:
Патент РФ №2248525, G01C 19/56, G01P 9/04, 2004.
Патент РФ №2296300, G01C 19/56, 2005.
Data sheet TG75S-XYZ_DS131125_ru (www.mp-lab.ru).
Патент РФ №2276371, G01P 9/04, G01C 19/56, 10.05.2006.
Патент РФ №2282151, G01P 9/04, G01C 19/56, 20.08.2006.