Микромеханические гироскопы

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

 и ордена Трудового Красного  Знамени

государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

 

 

 

 

 

 

Доклад  по предмету

Основы  гироскопической и навигационной  техники

Тема: микромеханические гироскопы

 

 

 

 

                                                                                                  выполнили студенты

группы ПС 1-41

Волынцев А.А. ,Колыхаев Д.Е.

Преподаватель

Герди В.Н.

 

Москва 2009

 

 

 

 

Введение 

Мы очень бегло и фрагментарно рассмотрим основные тенденции и конструкционные направления в этой области, делая акцент на серийно производимые устройства. За рамками работы останутся технологические особенности изготовления МЭМС-гироскопов и многие важные характеристики. Но наша цель в ином — показать многообразие этих чрезвычайно важных приборов, возможно, сулящих  
в ближайшем будущем технологическую революцию во многих прикладных областях.

В данной работе мы рассматриваем мы хотим рассмотреть основные конструкционные особенности микрогироскопов, их принципы работы. Мы рассмотрим микрогироскопы L-L типа   L-R типа  и R-Rтипа, а так же камертонные и волновые микрогироскопы. Однако в работе представлены только те разработки что содержат приоритетные решения или являются коммерческой продукцией либо же реализованы настолько что разработчики уверенно заявляют и технические характеристики и планируют выпуск.  Микромеханические, или микрогироскопы (МГ), являются электромеханическими системами, в которых энергия вынужденных (первичных) колебаний инерционной массы (ИМ) на упругом подвесе (резонатор) при появлении переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие воздействия на резонатор сил (или моментов) инерции Кориолиса при вращении резонатора с переносной угловой скоростью, вектор которой перпендикулярен к вектору количества движения, или момента количества движения (кинетического момента), соответственно для поступательных или вращательных первичных колебаний ИМ. Первичные колебания называют также режимом движения (РД), или движением по координате возбуждения, а вторичные - режимом чувствительности (РЧ), или движением по координате выходного сигнала.

 

  Разработка МГ- относительно новая  отрасль промышленности: стала развиваться в 90-х в мире, в 2005 российские разработчики заявили о первых опытных партиях из- за очень высоких требований к точности при изготовлении, которые стали выполнимыми лишь в последнее время.

К достоинствам МГ можно отнести:

• Естественно, малые габариты(5-10 мм)
• возможность совместного изготовления микромеханической части гироскопа и электронной схемы обработки сигналов в едином технологическом цикле;
• низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов

Микрогироскопы  уже нашли широкое применение в различных областях промышленности:

- Медицина (Интеллектуальные системы протезирования с функциями контроля

 за пространственным  положением и перемещением исполнительных  органов.)

- Энергетика (Технологические роботы в атомной энергетике. Контроль за положением и скоростями перемещаемых объектов, а также самодиагностика систем управления робота.)

- Нефтяная и газовая промышленность (Навигационное обеспечение  инклинометрии (контроль и управление

бурением глубоких и сверхглубоких  скважин; каротаж скважин). Навигационное обеспечение систем контроля за состоянием геометрии трубопроводов на больших, в том числе трансконтинентальных расстояниях.)

- Автомобилестроение (Системы навигации на базе МГ, комплексированных с другими источниками информации. Системы безопасности на базе МГ, исключающие занос автомобиля при торможении и обеспечивающие срабатывание подушек безопасности.)

- Оборона ( Системы пешеходной навигации. Системы навигации и стабилизации беспилотных управляемых малоразмерных летательных аппаратов и магнитных указателей курса (разведка, постановка электронных помех).Системы управления и навигации боевыми наземными и подводными роботами. Системы управления боеприпасами.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение 

Классификационные признаки МГ

Конструкционные особенности  МГ L-L типа:

Одномассовые

Двухсмассовые

 Конструкционные особенности  МГ L-R типа

Одномассовые

Двухсмассовые

Конструкционные особенности  МГ R-R типа

Краткие сведения о гироскопическом  моменте

Одномассовые 

Двухмассовые 

Камертонные и волновые гироскопы

 

 

 

Заключение 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Основные определения

По виду движения ИМ в  РД и РЧ различают гироскопы LL-типа (linear-linear), или LL-гироскопы; гироскопы RR-типа (rotare-rotare), или RR-гироскопы, и гироскопы LR-типа, или LR-гироскопы. В LL-гироскопах ИМ в РД и РЧ совершают поступательные перемещения, в RR-гироскопах - вращательные перемещения, в LR (RL)-гироскопax - различные комбинации поступательных и вращательных перемещений ИМ.

Каждый вид МГ характеризуется  набором классификационных признаков, важнейшими из которых являются следующие.

1.Число измерительных  осей. МГ

могут измерять угловые скорости относительно одной или двух координатных осей. Следовательно, их можно классифицировать по числу измерительных осей: одно- или двухкомпонентный.

2.  Число инерционных масс. Важнейшим элементом МГ является ИМ, поступательное движение которой приводит к появлению количества движения, а вращательное - к моменту количества движения. По этому признаку можно различать одно- и многомассовые (две и более) МГ. Признак одинаково справедлив для всех типов МГ.

3.  Тип подвеса. Известны два типа подвесов: механические (контактные) и неконтактные. Механические подвесы реализуются в виде упругих микроструктур различной конфигурации (стержневые, петлевые, спиральные и др.). Элементы подвеса могут располагаться по периметру ИМ, и такой подвес можно называть наружным, или внешним. Подвес может размещаться в пространстве самой ИМ, либо между инерционными массами в многомассовых МГ. Такие подвесы можно называть внутренними.

Принципиально возможен любой  вид неконтактного подвеса, реализованный  на физическом принципе, обеспечивающем левитацию ("парение") ИМ. Неконтактный подвес может быть назван по физическому принципу его работы: электростатический, магнитный и др.

4.   Наличие кинематических связей. Известно, что для работы МГ необходимо поддерживать постоянные частоту и амплитуду колебаний ИМ (или масс). В одномассовых схемах для решения этой задачи    используются    дополнительные электронные цепи и датчики. В многомассовых схемах наряду со средствами электроники обеспечить равенство частот и амплитуд можно применением кинематической связи между ИМ. Кинематическая связь является аналогом спарника, применяемого в классических двухгироскопных схемах. Кинематическая связь может быть реализована в РД, в РЧ или в обоих ре жимах одновременно. Существуют и другие типы кинематических связей между ИМ например для увеличения масштабного коэффициента.

5.Вид перемещения ИМ.

Возможны два вида взаимного перемещения ИМ в РД и РЧ. В первом случае в обоих режимах движения ИМ (или масса) перемещаются в одной плоскости, во втором случае ИМ в РЧ выходят из плоскости их перемещения в РД.

6. Тип привода (обратные преобразователи). В МГ могут быть использованы любые типы обратных преобразователей (актюаторы), обеспечивающих привод ИМ в режиме движения с заданными параметрами: магнитоэлектрические, электромагнитные, пьезоэлектрические. В рассматриваемых типах МГ наиболее распространен электростатический привод, выполненный в виде гребенчатых структур.

7. Тип датчика съема сигнала (обратные преобразователи). В МГ могут быть использованы любые типы прямых преобразователей (датчики съема сигнала), которые вырабатывают информацию об измеряемых угловых скоростях: электростатические, магнитоэлектрические, пьезорезистивные, оптические и др.

МГ представляют собой  объемные многослойные микроструктуры, изготовленные из кристаллического материала, рабочие процессы в которых поддерживаются электроникой, выполненной по планарной технологии на одном (или нескольких) из слоев микроструктуры. Возможно изготовление МГ и по гибридной технологии - резонатор изготавливается по технологии МЭМС, а электроника - традиционно на отдельных платах.

Амплитуда вторичных колебаний  ИМ очень мала, поэтому требуется  резонансная настройка, при которой частоты первичных и вторичных колебаний и собственная частота резонатора близки между собой.

 

                                            

МГ могут работать в  режимах прямого и компенсационного преобразования (измерений).

Наряду  с  рассмотренными   видами разрабатываются МГ, которые  можно определять как камертонные и волновые. Отличительным признаком камертонных МГ (КМГ) является наличие стержневых структур  ("ножек").  Существенно  и то, что ИМ ножек, как правило, равномерно распределена вдоль их длины и имеется свободный, незакрепленный конец. При появлении переносной угловой скорости, вектор которой перпендикулярен к векторам количества движения элементарных масс, распределенных вдоль ножек, возникают силы инерции Кориолиса, генерирующие    вторичные    колебания    ножек КМГ.

Отличительным признаком  волновых МГ является наличие резонаторов, имеющих форму кольца, которое с помощью упругих элементов подвеса скреплено с корпусом, либо форму стержня, закрепление которого в корпусе не препятствует его продольным и поперечным колебаниям.

Кольцо пульсирует в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (поперечная упругая волна), т.е. периодически принимает форму овала. При вращении кольца относительно оси, перпендикулярной к его плоскости, скорость вращения оси, вдоль которой пульсирует кольцо (большая ось овала), будет меньше скорости вращения корпуса, а значит и кольца. Угол отставания несет информацию об угле поворота основания относительно инерциального пространства.

В данном случае имеет место  генерирование стоячей волны, которая затем прецессирует при появлении переносной угловой скорости основания. Процесс генерирования стоячей волны наблюдается и в так называемых стержневых гироскопах.

Типовыми характеристиками МГ являются: диапазон измерений, чувствительность,   полоса   пропускания   частот, масштабный коэффициент и его стабильность,   перекрестная    чувствительность, шум, температурная стабильность характеристик и другие эксплуатационные параметры и характеристики.

 Микрогироскопы LL-типа

Конструктивным узлом, определяющим функциональные возможности МГ, является ЧЭ. ЧЭ МГ можно называть ИМ (или массы) в подвесе с приводом, который обеспечивает ИМ РД, на который при наличии переносной угловой скорости вследствие возникающего ускорения Кориолиса и соответствующих ему сил инерции, генерируются вторичные колебания (РЧ). На этом основании МГ иногда называют приборами для измерения ускорения Кориолиса.

Ускорение Кориолиса определяется векторным произведением а_к = 2(Ω×v) (Ω - вектор мгновенной угловой скорости вращения подвижной системы координат; v - вектор мгновенной линейной скорости тела в подвижной системе координат). Ускорение Кориолиса является вектором, длина которого равна а_к = 2Ωv sin φ

(φ - угол между векторами Ω и v) и который направлен перпендикулярно к векторам Ω и v в такую сторону, чтобы кратчайший поворот от Ω к v казался наблюдателю, смотрящему с конца вектора а_к, идущим против часовой стрелки.

А. Одномассовые микрогироскопы

На рис.1 приведена принципиальная схема ЧЭ МГ, который состоит из ИМ 1 (величиной т) и подвеса из упругих элементов 3, 4, скрепленных с основанием 5 (показано условно). Элементы 2 обеспечивают целостность и жесткость в местах сопряжения упругих элементов. Привод какой-либо физической природы (электростатический, электромагнитный и т.д. - на рисунке не показан) функционально входит в состав ЧЭ.

В общем случае привод развивает  силу F₀sin pt (F₀, p - соответственно амплитуда силы и частота ее генерации), которая направлена под некоторым малым углом ε (sin ε ≈ ε, cos ε  ≈ ε, t - время) к оси x и сообщает ИМ колебания х = x₀ sin pt (x₀ - амплитуда колебаний). Мгновенный вектор линейной скорости ИМ в РД имеет проекции на оси Х и Y:

V_x = V cos ε ≈ v;   V_y = -V sin ε ≈ -Vε.

При появлении переносной угловой скорости Ω_z, мгновенный вектор которой направлен в положительном направлении оси z, возникает ускорение Кориолиса вдоль осей X и Y:

а_Kх = 2Ω_zvε,        а_Ky = 2Ω_zv,

вследствие чего ИМ оказывается  под действием сил инерции Кориолиса: та_Кx вдоль оси X, и та_Ку вдоль оси Y.

С учетом сил инерции, демпфирования и упругих сил, действующих на ИМ, уравнения ее движения в простейшем случае имеют вид

тẍ + b_xẋ + G_xx = F₀ sin pt - 2mvΩ_zε;

m ӱ + b_y ẏ + G_yy = (F₀ sin pt)ε - 2mvΩ_z,  (1)

где b_x, b_y - коэффициенты демпфирования ИМ в направлении соответствующих осей; G_x, G_y - жесткости упругого подвеса в направлении соответствующих осей.

Первое уравнение системы (1) описывает РД, а второе - РЧ, из которого следует, что перемещение ИМ вдоль оси Y под действием силы инерции Кориолиса искажается проекцией силы привода на эту же ось, что приводит к ошибке в МГ измерении.

Оценим влияние величины ε на точность измерения Ω_z,. Так как v = ẋ = x₀pcos pf, ускорение Кориолиса а_Kу =2Ω_zx₀pcos pf. Проекция ускорения ИМ в режиме движения на ось Y равна   a_y=ẍε=-ε x₀ p² sin pt = ε х₀р² cos (pt+90°)

и на эту составляющую ускорения  ИМ реагирует так же, как и на а_Ку что приводит к ошибке измерения, которую принято называть квадратурной, поскольку между ускорениями а_у и а_Ку существует сдвиг по фазе на 90°.