ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ О ЗАЗОРЕ
М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн
УДК 531.383-11:531.714.7
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ О ЗАЗОРЕ
Р.Г. Люкшонков, Н.В. Моисеев
Рассмотрена структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений подвижной массы микромеханического гироскопа. Отличительной особенностью датчика является наличие в схеме дополнительного сигнала для компенсации изменений зазора между измерительными электродами и инерционным телом, связанных с влиянием внешних воздействий. Представлены экспериментальные результаты работы датчика перемещений. Ключевые слова: дифференциальные емкостные датчики, микромеханические инерциальные датчики, компенсация внешних воздействий, межэлектродный зазор.
Введение
Дифференциальные емкостные датчики перемещений предназначены для преобразования одной физической величины, емкости, в другую, например, в напряжение. Они является входной частью различных микромеханических устройств: гироскопов, акселерометров, датчиков давления, различных сенсоров, емкостных микрофонов, т.е. устройств, в которых используется емкостной съем информации.
Рассмотрим одно из вышеперечисленных устройств – микромеханический гироскоп (ММГ), у которого инерционное тело (ИТ) закреплено на упругом подвесе. Конструкция ММГ наиболее чувствительна к таким механическим воздействиям, как линейные вибрации, удары и ускорения вдоль оси первичных колебаний, и к изменению температуры. Перечисленные внешние воздействия приводят к изменению зазора между измерительными электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, и ИТ. При этом изменяются характеристики датчиков угла и датчиков момента, в частности, их коэффициенты передачи. Это приводит к изменению масштабного коэффициента и смещению нуля, а также влияет на величину отрицательной жесткости и квадратурную помеху, что, в свою очередь, приводит к появлению ошибок измерения в выходном сигнале ММГ.
Проведенный анализ рынка показал, что в настоящее время емкостные датчики перемещений выпускают такие фирмы производители, как, например, «Analog Devices, Inc», «MicroSensors, Inc» и «Xemics». Но выполняются они по схеме, в которой отсутствует алгоритм измерения зазора.
Известны различные способы уменьшения влияния изменений межэлектродного зазора. В [1] предложено решение для гироскопов прямого типа преобразования, заключающееся в измерении суммы токов, протекающих через электроды дифференциального емкостного датчика для выделения информации о зазоре, и в использовании полученного сигнала для поддержания постоянной амплитуды колебаний по первичной оси. Однако такой схемы компенсации изменения зазора в ММГ замкнутого типа недостаточно, так как от величины зазора зависят моменты, приложенные к силовым электродам по оси вторичных колебаний, следовательно, и коэффициенты передачи этих электродов.
Цель настоящей работы заключается в разработке структуры дифференциального емкостного датчика перемещений, особенностью которого является наличие дополнительного выходного сигнала, пропорционального зазору между измерительными электродами и ИТ и анализе возможности использования этого дополнительного сигнала для повышения точности микромеханических датчиков.
Оценка влияния внешних воздействий на параметры микромеханического гироскопа
Теоретическое обоснование. Для оценки влияния внешних воздействий на различные параметры ММГ в качестве объекта исследования был выбран гироскоп RR-типа разработки ЦНИИ «Электроприбор» [2]. Конструктивная схема и принцип действия поясняются рис. 1.
Рис. 1. Конструктивная схема ММГ
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
69
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА …
Инерционное тело на упругом подвесе под управлением системы разгона совершает колебатель-
ные движения вокруг оси первичных колебаний Z. При появлении угловой скорости основания относительно оси чувствительности Y возникают моменты сил Кориолиса, что вызывает вторичные угловые колебания ИТ вокруг оси X. При отклонении ротора на угол , пропорциональный действующей угло-
вой скорости, будут изменяться расстояния между измерительными электродами и ИТ. Воздействие таких внешних факторов, как температуры, вибрации, линейных ускорений и давления, будет приводить к
изменению первоначального зазора d0 на величину d .
Другими словами, при изменении величины зазора один и тот же наклон ротора будет вызывать различные изменения емкостей, что приведет к изменению масштабного коэффициента датчиков угла и момента. Для этого необходимо компенсировать это изменение, чтобы масштабный коэффициент датчиков оставался постоянным.
Для электродов, имеющих форму ограниченного сектора (рис. 2), емкости C1 и C2 могут быть определены по формулам
C1(,
d
)
0
R max max
cos() R min min (d0
d
)
r r cos()
sin()
ddr,
C2
(,
d
)
0
R max max
cos() R min min (d0
d
)
r r cos()
sin()
ddr,
где 0 8,851012 [Ф/м] – электрическая постоянная; – угол поворота ИТ вокруг вторичной оси,
[рад]; d0 – зазор между ИТ и измерительными электродами в нейтральном положении, [м]; d –
изменение зазора, [м]; Rmax и Rmin – соответственно внутренний и наружный радиусы рассматриваемого электрода, [м]; – угол сектора электрода, [град].
Rmax
Rmin
Рис. 2. Форма измерительных электродов Для того чтобы оценить влияние линейных ускорений на изменение зазора, можно воспользоваться вторым законом Ньютона и законом Гука:
(Kмех0z Kэл )d ma0Z ,
где m – масса ИТ, [кг]; a0Z – действующее ускорение вдоль оси Z, [м/c2]; Kмех0z – линейная механиче-
ская жесткость вдоль оси Z, [Н/м]; Kэл – электростатическая жесткость, [Н/м]. В табл. 1 приведена зависимость изменения зазора от действующего ускорения. Например, для за-
зора d0 2 мкм при воздействии ускорения, равного 300 g, зазор изменится на 0,6 мкм, что приведет к изменению масштабного коэффициента датчика угла и масштабного коэффициента гироскопа на 30%.
Линейное ускорение вдоль оси Z, м/c2 10g 50g 300g
Изменение зазора, мкм 0,023 0,115 0,69
Таблица 1. Зависимость изменения зазора от действующего ускорения
На величину зазора влияет и температура, так как ее изменение приводит к изменению размеров
ИТ. Используя коэффициент расширения кремния ( L 2,33106 1/°C) и толщину ИТ ( L 60 мкм) ,можно определить линейное расширение материала при изменении температуры T (табл. 2):
L LLL .
Изменение температуры, °C 5 20
Расширение ИТ, нм 0,7 2,8
70 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн
30 4,2
Таблица 2. Зависимость расширения ИТ при изменении температуры
Экспериментальные исследования. Для подтверждения теоретических обоснований были проведены экспериментальные исследования гироскопа ММГ-ЭПТРОН. Выходной сигнал записывался при неподвижном основании. При обработке полученной информации с помощью метода вариации Аллана была получена нестабильность смещения нуля 5 °/ч (рис. 3, а). При испытании на вибростенде (при действии вибрации с увеличивающейся частотой в диапазоне 10–3000Гц и амплитудой 2 g) на некоторых образцах наблюдались изменения выходного сигнала гироскопа (рис. 3, б). Можно предположить, что это изменение связано с изменением зазора под действием вибраций.
аб
Рис. 3. Результаты испытаний: при неподвижном основании (а); при воздействии вибраций вдоль оси первичных колебаний (б)
Структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений с дополнительным выходом об изменении зазора
В микромеханических датчиках прямого преобразования для решения задачи компенсации предлагается алгоритмический подход. Для этого необходимо измерять не только дифференциальное изменение емкости, но и синфазное. При этом предлагается изменить существующую структурную схему преобразователя (см. рис. 4). На измерительные емкости C1 и C2, которые представляют собой емкостной мост, с генератора сигнала (ГС) подается напряжение, изменяющееся по гармоническому закону. При этом через емкости будут протекать токи I1 и I2 , которые состоят из двух компонент:
I1 I (C0) I (C), I2 I (C0) I (C), где I (C0 ) – ток, пропорциональный величине зазора; I (C) – ток, определяемый полезным изменением емкости. Эти токи с помощью трансрезистивных усилителей K1 и K2 преобразуются в напряжения U1 и U2 соответственно, которые также состоят из двух компонент U (C0 ) и U (C) .
С1,2 =C0C
I1 U1 K1
С1
Uв ~ C
KUзазора K
С2
ГС
I2
K2 U2
Uзазора
Рис. 4. Структурная схема дифференциального емкостного датчика
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
71
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА …
Рис. 5. Зависимость сигнала об изменении зазора при влиянии: ускорения ± g (а); вибрации ±2,5 g с частотой 3 Гц (б); изменения температуры на 30ºС (в)
После вычитания в точке 2 напряжение будет равно U1 U2 (U(C0) U(C)) (U(C0) U(C)) 2U(C). Но, так как при изменении зазора изменяется коэффициент преобразования датчика угла, то разность напряжений будет зависеть и от величины зазора, которую можно определить, если сложить напряжения U1 и U2 в точке 1: U1 U2 2U (C0). Полученное напряжение зависит только от компоненты, пропорциональной величине зазора. Выходной сигнал дифференциального емкостного датчика определяется отношением сигнала в точке 2 к сигналу на выходе сумматора 1 (блок компенсации K). При этом полученный выходной сигнал не зависит от зазора. Экспериментальные исследования емкостного датчика подтвердили эффективность предложенного решения. На рис. 5 показаны сигналы, пропорциональные изменению зазора при воздействии вибраций и температуры. При изменении действующего ускорения вдоль оси Z с +g на –g зазор изменился примерно на 2,3 нм; при действии вибрации с частотой 3 Гц и амплитудной 2,5 g изменение составило 11,1 нм; при непосредственном нагреве чувствительного элемента на 30ºС изменение составило 5,5 нм. Использование информации об изменении зазора в устройствах компенсационного типа В случае, когда микромеханические датчики работают по принципу компенсации входного воздействия, необходимо предпринимать дополнительные меры, так как при изменении зазора изменяются коэффициенты передачи силовых электродов.
72 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн
Входное воздействие
Мупр ~
KUупр Uзазора
Силовые электроды
ЧЭ C/U Uв
Uзазора
Uупр K
Регулятор
Рис. 6. Использование сигнала в датчиках компенсационного типа
На рис. 6 приведена структурная схема датчика с обратной связью [3], включающая: чувствительный элемент ЧЭ, датчик перемещений с дополнительным выходом об изменении зазора, регулятор и силовые электроды, на которых создается момент управления M упр .
Изменение коэффициентов передачи силовых электродов при постоянном входном воздействии приводит к изменению сигнала управления Uупр , который является информационным, и появлению ошибки измерения.
С помощью дополнительного сигнала, пропорционального изменению зазора, и блока компенсации К в обратной связи датчика поддерживается постоянный коэффициент передачи силовых электродов. В этом случае масштабный коэффициент датчика не зависит от зазора.
Заключение
В работе экспериментально была получена численная оценка влияния линейных ускорений, вибраций и температуры на изменение величины зазора и масштабного коэффициента гироскопа. Предложенная структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений позволяет выделить информацию об изменении зазора и использовать ее для коррекции масштабного коэффициента датчиков разомкнутого типа и датчиков компенсационного типа.
Литература
1. Патент РФ № 2289789, МПК G 01 C 19/56, G 01 P 9/04. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний / Некрасов Я.А.; заявитель ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор». – № 2005130466/28; заявл. 23.09.05; опубл. 20.12.06, Бюл. № 35. – 8 с.
2. Пешехонов В.Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – № 2. – С. 29–31.
3. Естифеев М.И., Розенцвейн Д.В. Анализ контактных взаимодействий в микромеханических гироскопах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – № 4(68). – С. 46–50.
4. Патент РФ № 2393428, МПК G 01 C 19/56, G 01 P 9/04. Микромеханический гироскоп компенсационного типа / Некрасов Я.А., Моисеев Н.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». – № 2008143288/28; заявл. 28.10.08; опубл. 27.06.10, Бюл. № 18. – 8 с.
Люкшонков Роман Геннадьевич Моисеев Николай Владимирович
– ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», инженер, lukroma@yandex.ru – ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ведущий инженер,
elmon@nwgsm.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
73
УДК 531.383-11:531.714.7
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ О ЗАЗОРЕ
Р.Г. Люкшонков, Н.В. Моисеев
Рассмотрена структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений подвижной массы микромеханического гироскопа. Отличительной особенностью датчика является наличие в схеме дополнительного сигнала для компенсации изменений зазора между измерительными электродами и инерционным телом, связанных с влиянием внешних воздействий. Представлены экспериментальные результаты работы датчика перемещений. Ключевые слова: дифференциальные емкостные датчики, микромеханические инерциальные датчики, компенсация внешних воздействий, межэлектродный зазор.
Введение
Дифференциальные емкостные датчики перемещений предназначены для преобразования одной физической величины, емкости, в другую, например, в напряжение. Они является входной частью различных микромеханических устройств: гироскопов, акселерометров, датчиков давления, различных сенсоров, емкостных микрофонов, т.е. устройств, в которых используется емкостной съем информации.
Рассмотрим одно из вышеперечисленных устройств – микромеханический гироскоп (ММГ), у которого инерционное тело (ИТ) закреплено на упругом подвесе. Конструкция ММГ наиболее чувствительна к таким механическим воздействиям, как линейные вибрации, удары и ускорения вдоль оси первичных колебаний, и к изменению температуры. Перечисленные внешние воздействия приводят к изменению зазора между измерительными электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, и ИТ. При этом изменяются характеристики датчиков угла и датчиков момента, в частности, их коэффициенты передачи. Это приводит к изменению масштабного коэффициента и смещению нуля, а также влияет на величину отрицательной жесткости и квадратурную помеху, что, в свою очередь, приводит к появлению ошибок измерения в выходном сигнале ММГ.
Проведенный анализ рынка показал, что в настоящее время емкостные датчики перемещений выпускают такие фирмы производители, как, например, «Analog Devices, Inc», «MicroSensors, Inc» и «Xemics». Но выполняются они по схеме, в которой отсутствует алгоритм измерения зазора.
Известны различные способы уменьшения влияния изменений межэлектродного зазора. В [1] предложено решение для гироскопов прямого типа преобразования, заключающееся в измерении суммы токов, протекающих через электроды дифференциального емкостного датчика для выделения информации о зазоре, и в использовании полученного сигнала для поддержания постоянной амплитуды колебаний по первичной оси. Однако такой схемы компенсации изменения зазора в ММГ замкнутого типа недостаточно, так как от величины зазора зависят моменты, приложенные к силовым электродам по оси вторичных колебаний, следовательно, и коэффициенты передачи этих электродов.
Цель настоящей работы заключается в разработке структуры дифференциального емкостного датчика перемещений, особенностью которого является наличие дополнительного выходного сигнала, пропорционального зазору между измерительными электродами и ИТ и анализе возможности использования этого дополнительного сигнала для повышения точности микромеханических датчиков.
Оценка влияния внешних воздействий на параметры микромеханического гироскопа
Теоретическое обоснование. Для оценки влияния внешних воздействий на различные параметры ММГ в качестве объекта исследования был выбран гироскоп RR-типа разработки ЦНИИ «Электроприбор» [2]. Конструктивная схема и принцип действия поясняются рис. 1.
Рис. 1. Конструктивная схема ММГ
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
69
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА …
Инерционное тело на упругом подвесе под управлением системы разгона совершает колебатель-
ные движения вокруг оси первичных колебаний Z. При появлении угловой скорости основания относительно оси чувствительности Y возникают моменты сил Кориолиса, что вызывает вторичные угловые колебания ИТ вокруг оси X. При отклонении ротора на угол , пропорциональный действующей угло-
вой скорости, будут изменяться расстояния между измерительными электродами и ИТ. Воздействие таких внешних факторов, как температуры, вибрации, линейных ускорений и давления, будет приводить к
изменению первоначального зазора d0 на величину d .
Другими словами, при изменении величины зазора один и тот же наклон ротора будет вызывать различные изменения емкостей, что приведет к изменению масштабного коэффициента датчиков угла и момента. Для этого необходимо компенсировать это изменение, чтобы масштабный коэффициент датчиков оставался постоянным.
Для электродов, имеющих форму ограниченного сектора (рис. 2), емкости C1 и C2 могут быть определены по формулам
C1(,
d
)
0
R max max
cos() R min min (d0
d
)
r r cos()
sin()
ddr,
C2
(,
d
)
0
R max max
cos() R min min (d0
d
)
r r cos()
sin()
ddr,
где 0 8,851012 [Ф/м] – электрическая постоянная; – угол поворота ИТ вокруг вторичной оси,
[рад]; d0 – зазор между ИТ и измерительными электродами в нейтральном положении, [м]; d –
изменение зазора, [м]; Rmax и Rmin – соответственно внутренний и наружный радиусы рассматриваемого электрода, [м]; – угол сектора электрода, [град].
Rmax
Rmin
Рис. 2. Форма измерительных электродов Для того чтобы оценить влияние линейных ускорений на изменение зазора, можно воспользоваться вторым законом Ньютона и законом Гука:
(Kмех0z Kэл )d ma0Z ,
где m – масса ИТ, [кг]; a0Z – действующее ускорение вдоль оси Z, [м/c2]; Kмех0z – линейная механиче-
ская жесткость вдоль оси Z, [Н/м]; Kэл – электростатическая жесткость, [Н/м]. В табл. 1 приведена зависимость изменения зазора от действующего ускорения. Например, для за-
зора d0 2 мкм при воздействии ускорения, равного 300 g, зазор изменится на 0,6 мкм, что приведет к изменению масштабного коэффициента датчика угла и масштабного коэффициента гироскопа на 30%.
Линейное ускорение вдоль оси Z, м/c2 10g 50g 300g
Изменение зазора, мкм 0,023 0,115 0,69
Таблица 1. Зависимость изменения зазора от действующего ускорения
На величину зазора влияет и температура, так как ее изменение приводит к изменению размеров
ИТ. Используя коэффициент расширения кремния ( L 2,33106 1/°C) и толщину ИТ ( L 60 мкм) ,можно определить линейное расширение материала при изменении температуры T (табл. 2):
L LLL .
Изменение температуры, °C 5 20
Расширение ИТ, нм 0,7 2,8
70 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн
30 4,2
Таблица 2. Зависимость расширения ИТ при изменении температуры
Экспериментальные исследования. Для подтверждения теоретических обоснований были проведены экспериментальные исследования гироскопа ММГ-ЭПТРОН. Выходной сигнал записывался при неподвижном основании. При обработке полученной информации с помощью метода вариации Аллана была получена нестабильность смещения нуля 5 °/ч (рис. 3, а). При испытании на вибростенде (при действии вибрации с увеличивающейся частотой в диапазоне 10–3000Гц и амплитудой 2 g) на некоторых образцах наблюдались изменения выходного сигнала гироскопа (рис. 3, б). Можно предположить, что это изменение связано с изменением зазора под действием вибраций.
аб
Рис. 3. Результаты испытаний: при неподвижном основании (а); при воздействии вибраций вдоль оси первичных колебаний (б)
Структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений с дополнительным выходом об изменении зазора
В микромеханических датчиках прямого преобразования для решения задачи компенсации предлагается алгоритмический подход. Для этого необходимо измерять не только дифференциальное изменение емкости, но и синфазное. При этом предлагается изменить существующую структурную схему преобразователя (см. рис. 4). На измерительные емкости C1 и C2, которые представляют собой емкостной мост, с генератора сигнала (ГС) подается напряжение, изменяющееся по гармоническому закону. При этом через емкости будут протекать токи I1 и I2 , которые состоят из двух компонент:
I1 I (C0) I (C), I2 I (C0) I (C), где I (C0 ) – ток, пропорциональный величине зазора; I (C) – ток, определяемый полезным изменением емкости. Эти токи с помощью трансрезистивных усилителей K1 и K2 преобразуются в напряжения U1 и U2 соответственно, которые также состоят из двух компонент U (C0 ) и U (C) .
С1,2 =C0C
I1 U1 K1
С1
Uв ~ C
KUзазора K
С2
ГС
I2
K2 U2
Uзазора
Рис. 4. Структурная схема дифференциального емкостного датчика
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
71
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА …
Рис. 5. Зависимость сигнала об изменении зазора при влиянии: ускорения ± g (а); вибрации ±2,5 g с частотой 3 Гц (б); изменения температуры на 30ºС (в)
После вычитания в точке 2 напряжение будет равно U1 U2 (U(C0) U(C)) (U(C0) U(C)) 2U(C). Но, так как при изменении зазора изменяется коэффициент преобразования датчика угла, то разность напряжений будет зависеть и от величины зазора, которую можно определить, если сложить напряжения U1 и U2 в точке 1: U1 U2 2U (C0). Полученное напряжение зависит только от компоненты, пропорциональной величине зазора. Выходной сигнал дифференциального емкостного датчика определяется отношением сигнала в точке 2 к сигналу на выходе сумматора 1 (блок компенсации K). При этом полученный выходной сигнал не зависит от зазора. Экспериментальные исследования емкостного датчика подтвердили эффективность предложенного решения. На рис. 5 показаны сигналы, пропорциональные изменению зазора при воздействии вибраций и температуры. При изменении действующего ускорения вдоль оси Z с +g на –g зазор изменился примерно на 2,3 нм; при действии вибрации с частотой 3 Гц и амплитудной 2,5 g изменение составило 11,1 нм; при непосредственном нагреве чувствительного элемента на 30ºС изменение составило 5,5 нм. Использование информации об изменении зазора в устройствах компенсационного типа В случае, когда микромеханические датчики работают по принципу компенсации входного воздействия, необходимо предпринимать дополнительные меры, так как при изменении зазора изменяются коэффициенты передачи силовых электродов.
72 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн
Входное воздействие
Мупр ~
KUупр Uзазора
Силовые электроды
ЧЭ C/U Uв
Uзазора
Uупр K
Регулятор
Рис. 6. Использование сигнала в датчиках компенсационного типа
На рис. 6 приведена структурная схема датчика с обратной связью [3], включающая: чувствительный элемент ЧЭ, датчик перемещений с дополнительным выходом об изменении зазора, регулятор и силовые электроды, на которых создается момент управления M упр .
Изменение коэффициентов передачи силовых электродов при постоянном входном воздействии приводит к изменению сигнала управления Uупр , который является информационным, и появлению ошибки измерения.
С помощью дополнительного сигнала, пропорционального изменению зазора, и блока компенсации К в обратной связи датчика поддерживается постоянный коэффициент передачи силовых электродов. В этом случае масштабный коэффициент датчика не зависит от зазора.
Заключение
В работе экспериментально была получена численная оценка влияния линейных ускорений, вибраций и температуры на изменение величины зазора и масштабного коэффициента гироскопа. Предложенная структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений позволяет выделить информацию об изменении зазора и использовать ее для коррекции масштабного коэффициента датчиков разомкнутого типа и датчиков компенсационного типа.
Литература
1. Патент РФ № 2289789, МПК G 01 C 19/56, G 01 P 9/04. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний / Некрасов Я.А.; заявитель ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор». – № 2005130466/28; заявл. 23.09.05; опубл. 20.12.06, Бюл. № 35. – 8 с.
2. Пешехонов В.Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – № 2. – С. 29–31.
3. Естифеев М.И., Розенцвейн Д.В. Анализ контактных взаимодействий в микромеханических гироскопах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – № 4(68). – С. 46–50.
4. Патент РФ № 2393428, МПК G 01 C 19/56, G 01 P 9/04. Микромеханический гироскоп компенсационного типа / Некрасов Я.А., Моисеев Н.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». – № 2008143288/28; заявл. 28.10.08; опубл. 27.06.10, Бюл. № 18. – 8 с.
Люкшонков Роман Геннадьевич Моисеев Николай Владимирович
– ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», инженер, lukroma@yandex.ru – ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ведущий инженер,
elmon@nwgsm.ru
Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 4 (74)
73