Микромеханический гироскоп (варианты) и способы его настройки, основанные на использовании амплитудно-модулированного квадратурного тестового воздействия

Микромеханический гироскоп (варианты) и способы его настройки, основанные на использовании амплитудно-модулированного квадратурного тестового воздействия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

В системе подстройки резонансной частоты подвеса ПМ по оси вторичных колебаний (f₂) до частоты первичных колебаний (f₁) ф. Bocsh (пат. США №6553833) используется тестовый сигнал, состоящий из двух гармонических сигналов на частотах (f₁±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°.

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 (f₁±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.

Фирмой Thales предложено (пат. США №7159461) в качестве тестового сигнала использовать модулированный по частоте сигнал, центральная частота которого равна f₁, а девиация частоты находится на уровне 0,1 f₁.

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.

В докладе Link Т. et al "A new self-test and self-calibration concept for micro-machined gyroscopes" Transducers'05 The 13^th 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,

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 ω₁ 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

3 - звено с коэффициентом (K₁), 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

4 - звено с коэффициентом (К₂) 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 - диффе