3 Микромеханический гироскоп rr-типа

3.1 Конструкция и принцип действия

В данной работе в качестве объекта исследования рассматривается ММГ RR-типа.

Конструктивная схема и принцип действия ММГ поясняются рисунком 1. Для упрощения рассмотрения принципа действия на конструктивной схеме сокращено количество гребенчатых структур в теле ротора.

а) б)

Рис. 1 – Конструктивная схема ММГ (а) и фотография ротора ММГ (б)

Ротор гироскопа (диск) при работе совершает первичные угловые колебания относительно оси первичных колебаний Z. При появлении угловой скорости относительно оси чувствительности Y возникает гармонический момент сил Кориолиса, вызывающий вторичные угловые колебания ротора ММГ относительно оси X (ось вторичных колебаний). Амплитуда вторичных колебаний пропорциональная действующей скорости.

Для измерения поворота ротора относительно осей Z и X используются емкостные датчики угла. По оси первичных колебаний электродами датчика угла являются гребенчатые структуры, зубцы подвижной и неподвижной частей которых имеют взаимную область перекрытия. При повороте ротора относительно оси Z площадь перекрытия зубцов изменяется: для одной структуры она увеличивается, а для другой – уменьшается. Соответственно, изменяется дифференциальная емкость датчика угла. Для измерения емкости используется преобразователь “емкость-напряжение” (ПЕН). Емкостной датчик, используемый для измерения углов вторичных колебаний, так же относится к датчикам дифференциального типа. Два неподвижных электрода этого датчика расположены на корпусе, а в качестве общего электрода используется тело ротора. При повороте ротора относительно оси X изменяется зазор между электродами датчика и емкость. Дифференциальное изменение емкости также как и в канале первичных колебаний измеряется с помощью ПЕН.

Для приложения к ротору управляющих моментов в конструкции ММГ предусмотрены электростатические датчики момента. По оси Z датчик момента (электростатический привод) также образован электродами в виде гребенчатых структур (рис. 1а). При подаче напряжения на один электрод, возникает электростатическая сила, втягивающая зубцы ротора в пазы неподвижной гребенки. Подача напряжения на другой электрод вызывает силу, действующую в противоположном направлении. Таким образом, использование встречных гребенчатых структур позволяет прикладывать к ротору управляющие моменты разного знака. Аналогичный принцип используется для создания управляющих моментов относительно оси вторичных колебания, с тем отличием, что электростатический датчик управляющих моментов образован обкладками электродов, расположенными на корпусе прибора и телом ротора (аналогично датчику угла по этой же оси).

Поскольку, как было показано, по принципу работы ММГ относится к измерителям модуляционного типа действия, для достижения требуемых характеристик необходимо использовать специальные методы и схемы, обеспечивающие управление движением ротора в двух плоскостях. Существуют 4 основных системы управления для ММГ, это системы:

• возбуждения первичных колебаний на резонансной частоте;

• стабилизации амплитуды первичных колебаний или амплитуды скорости угловых колебаний;

• компенсации момента Кориолиса;

• подавления квадратурной составляющей.

В то же время предполагается, что в общую структуру датчика должен входить и блок коррекции выходного сигнала с целью масштабирования выходного сигнала и коррекции смещения нуля.

Обобщенная функциональная схема датчика угловой скорости (ДУС) на базе ММГ приведена на рис. 2. Датчик содержит три группы элементов: механическую, электромеханическую и электронную.

Механическая часть – ротор ММГ – является чувствительным элементом (ЧЭ) ММГ, реагирующим на действие сил Кориолиса.

В состав электромеханической части входят датчики углов первичных и вторичных колебаний (ДУПК и ДУВК соответственно). Также электромеханическими элементами являются датчики моментов первичных и вторичных колебаний (ДМПК и ДМВК соответственно).

Электроника содержит: преобразователи “емкость-напряжение” (ПЕН1 и ПЕН2); формирователь выходного сигнала (ФВС); систему управления первичными колебаниями (СУПК); систему управления вторичными колебаниями (СУВК).

В соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2, углы отклонения ЧЭ  и  преобразуются с помощью ДУПК и ДУВК в емкости C_ и C_ , и далее с помощью ПЕН1 и ПЕН2 в напряжения U₁ и U₂, соответственно. Сигнал U₁ поступает в СУПК, вырабатывающую сигнал управления ММГ U_упр1. Сигнал управления поступает в ДМПК, который формирует управляющий момент по оси первичных колебаний M₁. Целью СУПК является возбуждение первичных колебаний и выработка опорных сигналов и для ФВС и СУВК.

Рис. 2 – Обобщенная функциональная схема ДУС на базе ММГ

Блок ФВС используется для формирования выходного сигнала ММГ U_вых1, пропорционального сигналу измеряемой угловой скорости. Задачи блока – выделение полезной составляющей из сигнала U₂, компенсация смещения нуля, усиление сигнала, коррекция градуировочной характеристики ДУС и его динамических характеристик, а также выработка сигналов для остальных электронных блоков. В приборе прямого типа измерения сигнал на выходе данного блока U_вых1 является выходным сигналом ДУС.

Блок СУВК используется для управления ротором ММГ по оси вторичных колебаний. В зависимости от принципа организации ДУС этот блок решает различные задачи. В датчике прямого типа измерения он используется только для активной стабилизации характеристик ММГ. В датчике компенсационного типа он используется для подавления колебаний ротора по выходной оси и формирования выходного сигнала ДУС U_вых2.