СПОСОБ КОРРЕКТИРОВКИ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ЕМКОСТНОГО ЭЛЕМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CORRECT AMPLIFICATION RATIO OF CAPACITANCE ELEMENT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Настоящее изобретение относится к способу корректировки коэффициента усиления емкостного элемента и устройству для осуществления такого способа.
Уровень техники
Известны различные устройства, которые включают емкостный элемент для детектирования и регулирования расстояния между двумя частями устройства, которые перемещаются друг относительно друга. В частности, известно, что емкостные элементы используются для детектирования и регулирования деформации механического резонатора в вибрационном гироскопе, особенно в осесимметричном вибрационном гироскопе. Когда такие устройства используются в режиме свободного гироскопа, они обеспечивают преимущество в виде наличия очень стабильного коэффициента масштабирования (коэффициент Брайана).
В режиме свободного гироскопа вибрация свободная, и ее плоскость поворачивается относительно оси резонатора в зависимости от движения несущего основания. Для того чтобы воспользоваться преимуществами данного режима, важно знать точно положение колебаний относительно корпуса прибора для того, чтобы подавать сигналы управления, которые позволяют поддерживать колебательное движение. Любая ошибка в измерении положения колебаний создает ошибку в направлении прикладываемой силы, что в свою очередь порождает паразитный уход гироскопа.
Для коррекции или учета ошибок, возникающих в измерениях акселерометра, предпринимались многочисленные попытки. Так, в документах US-A-2003/006783 и US-A-6035694 сделаны попытки уменьшить ошибку измерения, вызванную паразитными емкостями, которые являются практически постоянными. Подобное решение описано в документе US-A-6035694.
Задача изобретения
Работа гироскопа в смысле определения и в смысле управления затрагивает коэффициент усиления емкостного элемента, т.е. отношение между расстоянием между электродами емкостного элемента и амплитудой электрического сигнала на выводах емкостного элемента. Амплитуда сигнала на выводах емкостного элемента при его применении в качестве детектора и расстояние между электродами при его применении с целью управления также зависят от напряжения смещения постоянного тока (DC), подаваемого на один из электродов. Эксперименты, которые привели к настоящему изобретению, показали, что на коэффициент усиления емкостного элемента влияет остаточное поле, которое остается даже после прерывания подачи напряжения смещения. Считается, что это остаточное поле возникает из-за посторонних примесей в объеме электродов или загрязнений на их поверхности, и оно создается под действием приложенного напряжения смещения. Когда номинальное напряжение смещения, т.е. напряжение, подаваемое на емкостный элемент на стадии определения или управления, составляет порядка нескольких сотен вольт, обычно в диапазоне от 200 В до 400 В, результирующее остаточное поле эквивалентно напряжению смещения в несколько вольт. Это остаточное поле может создавать медленно меняющееся отклонение коэффициента усиления.
Задачей настоящего изобретения является предложение способа и устройства, обеспечивающих устранение эффектов остаточного поля.
Раскрытие изобретения
Для решения указанной задачи согласно изобретению предложен способ корректировки коэффициента усиления емкостного элемента, содержащего электроды, которые перемещаются относительно друг друга и между которыми устанавливается остаточное поле, способ содержит шаги, на которых:
- подают на один из электродов пониженное напряжение смещения постоянного тока, имеющее значение ниже порогового значения, для которого может быть измерено остаточное поле, создаваемое указанным пониженным напряжением смещения;
- измеряют выходной сигнал от емкостного элемента; и
- корректируют коэффициент усиления емкостного элемента в зависимости от функции измеренного выходного сигнала.
Выходной сигнал от емкостного элемента тогда содержит два компонента, которые складываются: первый компонент возникает из-за напряжения смещения, эквивалентного имеющемуся остаточному полю, и второй компонент, который возникает непосредственно из-за пониженного напряжения смещения. Компонент выходного сигнала, возникающий непосредственно из пониженного напряжения смещения, можно рассчитать на основании указанного напряжения смещения и коэффициента усиления емкостного элемента перед корректировкой. Этот компонент выходного сигнала, возникающий из-за остаточного поля, можно таким образом извлечь из выходного сигнала. Этот компонент позволяет рассчитать отклонение коэффициента усиления, вызванное остаточным полем при использовании емкостного элемента для работы устройства, с которым он связан.
В предпочтительном варианте данного изобретения пониженное напряжение смещения больше, чем расчетное напряжение смещения, эквивалентное остаточному полю. Таким образом, выходной сигнал от емкостного элемента имеет знак, который является постоянным независимо от направления остаточного поля, и абсолютное значение выходного сигнала тогда делает возможным определение направления остаточного поля в зависимости от того, больше или меньше указанное абсолютное значение, чем амплитуда пониженного напряжения смещения.
Предпочтительно способ включает шаги по выполнению двух последовательных измерений выходного сигнала от пониженных напряжений смещения, имеющих одинаковое значение, но противоположные знаки, и вычисления среднего значения результирующих выходных сигналов. В результате убираются компоненты из выходного сигнала, возникающие из-за пониженных напряжений смещения, делая таким образом возможным использование среднего значения выходных сигналов емкостного элемента для корректировки коэффициента усиления без необходимости учета амплитуды сигналов пониженного напряжения смещения.
В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению выполняют предварительный шаг, на котором подают номинальный сигнал смещения на емкостной элемент в течение короткого периода времени. В результате остаточное поле, измеренное при осуществлении способа корректировки коэффициента усиления, имеет значение, идентичное своему значению во время работы устройства, с которым связан емкостной элемент.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут понятны из прочтения следующего описания неограничительного варианта осуществления изобретения, представленного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид осевого сечения по линии I-I фиг.2, представляющий вибродатчик с полусферическим колоколом;
фиг.2 - сечение по линии II-II фиг.1;
фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая осуществление способа данного изобретения на стадии установки в исходное состояние;
фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления способа согласно изобретению на стадии работы устройства, с которым связан емкостный элемент;
фиг.5 - диаграмма, представляющая амплитуду напряжения смещения, эквивалентного остаточному полю, пониженное напряжение смещения и общее эквивалентное напряжение, полученное для двух пониженных напряжений смещения с одинаковыми значениями и противоположными знаками; и
фиг.6 - блок-схема, иллюстрирующая второй вариант осуществления способа согласно изобретению на стадии работы устройства, с которым связан емкостный элемент.
Осуществление изобретения
С ссылкой на фиг.1 и 2 настоящее изобретение иллюстрировано в отношении вибродатчика 7 с полусферическим куполом, содержащего обычный кремниевый купол 1, установленный на основании 2, которое также изготовлено из кремния, купол 1 окружен газонепроницаемым корпусом 3, который позволяет поддерживать в датчике вакуум.
Также известным способом внутренняя поверхность купола 1, как и его нижний край, покрыта металлом, и нижний край проходит напротив двух пар управляющих электродов 4 и двух пар детектирующих электродов 5. Покрытый металлом нижний край купола 1 образует с каждым из противостоящих электродов соответствующие емкостные элементы, соответствующим образом соединенные с блоком 6 детектирования управления для генерации колебаний относительно в плоскости, проходящей через ось полусферического купола, и положение, определяемое углом θ относительно опорного электрода 5. Положение колебаний регулируется блоком 6 управления путем подачи сигнала управления прецессией на управляющие электроды 4.
Остаточное поле, которое возникает в результате подачи напряжения смещения постоянного тока на металлический слой купола 1, меняется не только в зависимости от времени и температуры, но также и в зависимости от ориентации плоскости колебаний.
Для выполнения уточненной коррекции коэффициента усиления каждого емкостного элемента способ согласно изобретению предпочтительно включает стадию установки в исходное состояние, которая выполняется на периодической основе, причем период зависит от длительности сохранения остаточного поля после прерывания подачи номинального напряжения смещения. Это время сохранения остаточного поля может составлять от нескольких часов до нескольких дней. Затем выполняется стадия внесения корректировки с применением устройства, с которым связан емкостный элемент.
Стадия установки в исходное состояние предпочтительно выполняется непосредственно перед стадией внесения корректировки, например, непосредственно перед взлетом самолета, на котором установлен вибродатчик.
0
На фиг.3 показано предпочтительное осуществление стадии установки в исходное состояние. В данном предпочтительном варианте осуществления способ содержит шаг 8 подачи номинального напряжения смещения в течение короткого периода, т.е. напряжения смещения, которое подается при использовании гироскопа. В самых обычных условиях номинальное напряжение смещения лежит в диапазоне от 200 В до 400 В. Способ далее включает шаг 9 позиционирования колебаний сначала под углом θ относительно опорного электрода. В этом месте способ включает шаг 10 подачи пониженного напряжения смещения постоянного тока, имеющего значение +ε, которое лежит ниже порогового значения, при котором можно измерить остаточное поле, генерируемое указанным пониженным напряжением смещения. Значение +ε пониженного напряжения смещения также больше, чем напряжение смещения VE, эквивалентное остаточному полю. В данном контексте следует отметить, что номинальное напряжение смещения в пределах от 200 В до 400 В создает остаточное поле, имеющее эквивалентное напряжение смещения порядка нескольких вольт. Пониженное напряжение смещения ε может таким образом, быть порядка нескольких вольт, но оно больше напряжения, эквивалентного остаточному полю.
Эквивалентное напряжение смещения VE можно определить из технических данных емкостного элемента. Эквивалентное напряжение смещения можно также определить путем измерения выходного сигнала без подачи пониженного напряжения смещения. На практике значение пониженного напряжения смещения можно установить произвольно равным 10 В.
И, напротив, из-за собственного низкого значения пониженное напряжение смещения создает незначительное остаточное поле (эквивалентное напряжению смещения порядка нескольких сотых вольта). Таким образом, компонент выходного сигнала, соответствующий остаточному полю, получается исключительно из остаточного поля, создаваемого первоначальной подачей номинального напряжения смещения.
При подаче пониженного напряжения смещения +ε выполняется шаг 11 измерения выходного сигнала и его сохранения. Выходной сигнал от емкостного элемента является результатом изменения зазора между электродами полного напряжения смещения VT, которое, как показано на фиг.5, является алгебраической суммой напряжения смещения VE, эквивалентного имеющемуся остаточному полю, и пониженного напряжения смещения +ε. Выходной сигнал измеряется в течение временного периода Т1.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг.3, способ также включает шаг 12 подачи пониженного напряжения смещения постоянного тока -ε, т.е. напряжения смещения, имеющего то же значение, что и пониженное напряжение смещения +ε, но с противоположным знаком. Далее выполняется шаг 13 указанного измерения соответствующего выходного сигнала в течение периода времени Т2, равного периоду времени Т1.
Далее на шаге 14 рассчитывается среднее значение выходного сигнала за временной период Т1+Т2. Компоненты выходного сигнала, соответствующие пониженному напряжению смещения +ε и пониженному напряжению смещения -ε, таким образом компенсируются, поэтому среднее значение характеризует собственно остаточное поле. Рассчитанное таким способом среднее значение можно далее использовать непосредственно для расчета корректировки коэффициента усиления на шаге 15. Корректировка коэффициента усиления, вычисленная таким способом, и соответствующее положение колебаний сохраняются, как представлено шагом 16 на фиг.3.
n
n
Как также показано на фиг.3, эти шаги повторяются для    положений колебаний при угловых смещениях π/n, где  определяется в зависимости от точности корректировки, которую желательно выполнить.
На стадии использования гироскопа, как показано на фиг.4, способ содержит первый шаг 17 обнаружения положения колебаний, за которым следует шаг 18 поиска соответствующей корректировки коэффициента усиления, а затем шаг 19 применения корректировки коэффициента усиления. Когда положение колебаний находится между двумя положениями, для которых корректировки коэффициента усиления сохранены, можно применить корректировку коэффициента усиления, соответствующую ближайшему из сохраненных положений, или вычислить среднее значение исходя из значений корректировки коэффициента усиления, связанных с двумя сохраненными положениями на любой из сторон положения колебаний.
Ссылаясь на фиг.6, во втором варианте осуществлении способа согласно изобретению, этот вариант осуществления, подобно первому варианту осуществления, имеет первый шаг 8 подачи номинального напряжения смещения в течение короткого времени, за которым следует шаг 9 позиционирования колебаний, и шаг 10 подачи пониженного напряжения смещения +ε. В этом варианте осуществлении пониженное напряжение смещения больше расчетного напряжения смещения VE, эквивалентного остаточному полю. В этом варианте осуществления выходной сигнал от емкостного элемента 11 измеряется на шаге 20 для определения только направления остаточного поля и сохранения указанного направления. За этим шагом определения направления остаточного поля следует шаг 21 измерения выходного сигнала емкостного элемента без подачи пониженного напряжения смещения. Далее выполняется шаг 15 расчета корректировки коэффициента усиления с помощью, во-первых, направления остаточного поля для определения знака корректировки и, во-вторых, с помощью измеренного выходного сигнала без пониженного напряжения смещения для определения значения корректировки коэффициента усиления. Корректировка коэффициента усиления и соответствующее положение колебаний сохраняются на шаге 16, как было указано выше.
В модификации второго варианта осуществления способа согласно изобретению значение остаточного поля можно определить путем измерения выходного сигнала от емкостного элемента при сохранении пониженного напряжения смещения. Для получения значения корректировки, чтобы скомпенсировать остаточное поле, далее необходимо вычесть из измеренного выходного сигнала компонент выходного сигнала, который получен непосредственно из-за пониженного напряжения смещения путем расчета указанного компонента, исходя из напряжения смещения и коэффициента усиления емкостного элемента перед корректировкой. Тем не менее, следует заметить, что на генерирование пониженного напряжения смещения влияет ошибка, которая соответственно является причиной ошибочного определения компонента, возникающего из остаточного поля. Как показано на фиг.6, таким образом предпочтительно определить направление остаточного поля путем подачи пониженного напряжения смещения и измерить значение остаточного поля независимо путем измерения выходного сигнала без пониженного напряжения смещения. В данном контексте следует заметить, что шаги по определению направления остаточного поля и измерения значения остаточного поля можно выполнять в любом порядке.
Конечно, изобретение не ограничивается описанным осуществлением и можно использовать разные его варианты, не выходя за пределы изобретения, как оно определено формулой изобретения.
В частности, хотя изобретение описано со ссылкой на осесимметричный вибрационный гироскоп с множеством емкостных элементов, изобретение в равной степени применимо к устройству с одним емкостным элементом, для которого требуется корректировка коэффициента усиления.