Микромеханические гироскопы

Углы поворота ротора относительно измерительных осей в установившемся режиме вычисляются аналогично формуле (15):

α = HΩ_y/G_α;  β = HΩ_x/G_β.    (17)

Из выражений (17) следует, что точность измерения переносных скоростей основания зависит, в первую очередь, от стабильности и предсказуемости параметров, определяющих величины H, G_α

G_β (а также J_α, J_β).

 

 

Наряду с ЧЭ МГ, в которых  РД ротора происходит в его плоскости, в The Charles Stark Draper Laboratory (США) был разработан так называемый рамочный МГ, принципиальная схема ЧЭ которого приведена на рис.24.

Схема образована соединением  двух рамок, конструктивно выполненных  в виде внешнего 1 и внутреннего 2 плоских элементов, соединенных между собой и с основанием 6 торсионами 3 и 4, оси которых перпендикулярны друг к другу. Для увеличения инерционности на внутреннем элементе расположена дополнительная масса 5. С помощью электростатических датчиков силы наружному элементу 1 сообщаются первичные угловые колебания относительно оси У (РД). Эти колебания через торсионы 3 передаются и на внутренний элемент, сообщая ему колебательный кинетический момент Н. При вращении прибора со скоростью Ω относительно оси Z возникают моменты сил инерции Кориолиса HΩ_Z ,которые заставляют колебаться внутренний элемент относительно оси X (РЧ). Амплитуда этих колебаний, измеряемая расположенным под внутренним элементом емкостным преобразователем, будет пропорциональна измеряемой угловой скорости.

Движение ЧЭ в простейшем случае описывается уравнениями (14). Применительно к рассматриваемой схеме ЧЭ в них γ - угол колебания рамок 1 и 2 относительно оси У; α — угол колебаний рамки 2 вокруг оси X; J_γ — суммарный момент инерции тел 7, 2, 5 относительно оси Y; J_α - суммарный момент инерции тел 2, 5 относительно оси X; b_γ   - коэффициент демпфирования рамок 7, 2 при колебаниях относительно оси У; b_α - коэффициент демпфирования рамки 2 при колебаниях вокруг оси X; G_γ, G_α - жесткость на кручение торсионов 4 и 3 соответственно.

Помимо описанных, наиболее часто используемых схем ЧЭ, существуют и другие, в том числе с двумя  роторами, вращающимися в РД синхронно и противофазно аналогично ЧЭ двухмассовых МГ LL- и LR-типов.

 

 

 

Б. Конструкция микрогироскопов

Принципиальная схема  МГ (производитель - фирма The Charles Stark Draper Laboratory), ЧЭ которой соответствует схеме рис. 23, а, приведена на рис. 25. Ротор 7 с массивными участками, разнесенными вдоль оси х, с помощью упругих элементов 5 подвеса, растяжек-торсионов 2, промежуточного кинематического (опорного) элемента 4 и анкеров 3 смонтирован на подложке. Электростатический привод, гребенчатые структуры ротора которого составляют единое целое с ИМ 1, а статорные структуры 6, 8 размещены на подложке, обеспечивает колебательный РД вокруг оси z. При появлении переносной угловой скорости Ω_x основания переменный гироскопический момент вызывает вторичные колебания ротора (РЧ) вокруг оси у. Электроды 9, размещенные на подложке, и электроды, сформированные напротив, на роторе, образуют емкостные измерители перемещений.

Конструкция имеет особенности. Прежде всего, следует обратить внимание на петлевые образования (длина петли  около 200 мкм при ширине 20 мкм) упругих элементов 5, которые служат для того, чтобы уменьшить растягивающую силу в упругих элементах при колебаниях ротора, так как растяжение упругих элементов вызывает нелинейную зависимость между амплитудой колебаний ротора и из их жесткостью.

Далее, следует обратить внимание на продольные пустоты в  анкерах, которые, по сути, сформировали миниатюрные упругие элементы в местах соединения торсионов 2 и анкеров 5. При возможном и неизбежном напряжении в материале и особенно в местах соединения разнородных материалов упругость в местах соединения торсионов 2 и анкеров 3 должна создать более комфортные условия работы торсионов. Из-за необходимости присадки бора в кремний, из которого выполнены ЧЭ (технологическая необходимость), в материале также может возникнуть дополнительное напряжение. Такая ситуация характерна для статоров 6, которые состоят из двух половин, разъединенных петлей 7, играющей роль компенсатора напряжения.

 

В    реализованной    микроструктуре диаметр  (максимальный)   ротора   около

1  мм. Электроды выполнены в виде тонкопленочной металлизации на подложке из стекла Руrех. Имеется также электрод для компенсации момента сил инерции Кориолиса при работе гироскопа с обратной связью.

Принципиальная схема  МГ фирмы Irvine Sensors Corp. (США), ЧЭ которого соответствует схеме на рис. 23, a, приведена на рис. 26. ИМ 1 кольцевой формы (ротор) с помощью упругих элементов

2 и 5 и кинематического элемента 4 подвеса установлена на анкерах 3 несколько выше подложки. Система упругих элементов 2 характеризуется малой жесткостью на кручение вокруг оси у и большими изгибными жесткостями вокруг осей х и z. Система упругих элементов 5 обладает малой изгибной жесткостью вокруг оси z и большими жесткостями вокруг осей х и у.

Режим движения обеспечивается электростатическими приводами, которые  состоят из гребенчатых структур 6 являющихся частью ротора, и неподвижных структур  7, укрепленных на подложке.

 

 

 

Приводы развивают переменный вращающий момент M₀ sin pt (M₀, p - амплитуда и частота) вокруг оси z, и на роторе создается переменный за период колебаний кинетический момент Н. При появлении угловой скорости Ω_x переносного вращения основания вокруг оси у возникает переменный по направлению гироскопический момент НΩ_Х который вызывает колебания ротора вокруг выходной оси у (РЧ). Эти колебания в соответствии с уравнением (15) содержат информацию о скорости вращения основания (ω = Ω_x). Вместе с ротором в РЧ вокруг оси Y колеблется и кинематический элемент 4.

На подложке,  под кинематическим элементом 4 и напротив - на самом элементе 4 сформированы пары электродов, образующих конденсаторы для выполнения следующих функций. Электроды 8 служат для раскачки элемента 4 вокруг оси Y с целью калибровки и тестирования измерительного  сигнала,  съем которого осуществляется с помощью электродов 9 образующих емкостный измеритель перемещений элемента 4, и связанного с ним ротора.

 

 

 

МГ способен работать в  режиме компенсационного измерения. Для  компенсации гироскопического момента в контур обратной связи может быть включен датчик силы, образующейся на электродах 10.

Схему МГ можно модифицировать для измерения двух угловых скоростей  вращения основания, как показано на рис. 27 (см. схему 23, б). Подвес ротора 1 относительно подложки на анкерах 3 реализован с помощью пар упругих элементов 2 и 3. Соосно расположенные элементы подвеса 2 и 5 обладают малой жесткостью на кручение вокруг осей, вдоль которых они размещены, и большой из-гибной жесткостью вокруг поперечных осей. РД обеспечивается электростатическими приводами с гребенчатыми структурами 6, 7.

Появление угловой скорости Ω_x переносного вращения основания приводит к возникновению гироскопического момента вокруг оси у, который влечет за собой колебания ротора и элемента 4 вокруг оси у [РЧ, обусловленный угловой скоростью вокруг оси х - РЧ (х)]. Аналогично угловая скорость Ω_y, вызывает колебания ротора вокруг оси х - РЧ (у). В этой схеме также могут быть сформированы электроды контуров измерения, тестирования (калибровки) и обратной связи.

 

 

 

 

Кинематическая схема  МГ разработки института HSG-IMIT, соответствующая схеме, показанной на рис. 23, в, приведена на рис. 28.

ИМ 1 через внешние упругие элементы 2 связаны с внешним ободом кольцевого элемента 4, который вместе с внутренним ободом и роторными элементами гребенчатой структуры вибропривода (двигателя) представляет собой единую структуру, а она, в свою очередь, через внутренние упругие элементы 5 подвеса соединена с анкером 3, установленным на подложке. На последней сформированы также статорные элементы гребенчатого вибропривода.

Вращающий момент вибропривода в режиме движения создает переменный кинетический момент гироскопа, взаимодействие которого с измеряемой угловой скоростью Ω_У приводит к возникновению переменного момента сил инерции Кориолиса, вызывающего в РЧ колебательное движение ИМ относительно выходной оси. Перемещение ИМ измеряется электростатическими датчиками, неподвижные электроды которых расположены на подложке под ИМ, а подвижные - на них.

 

 

 

Корпус гироскопа вакуумирован до давления 0,01 мбара (1 бар = 10⁵ Па). Частота колебаний ротора (ИМ) в режиме движения 1420 Гц. Скорость дрейфа ~65 °/ч при полосе пропускания частот 50 Гц. Диапазон измеряемых скоростей до 300 °/с.

Рассмотренная конструкция  может быть преобразована в двухкомпонентный МГ, принципиальная схема которого приведена на рис.29.

 

 

 

ИМ  1 разнесены вдоль осей х и у и с помощью упругих элементов 2 соединены с кольцевым элементом 4, который, в свою

очередь, через упругие  элементы 5 связан с анкером 3, размещенным на подложке. На ней сформированы также неподвижные электроды емкостных измерителей перемещений ИМ 1 и электроды датчиков силы, которые могут быть включены в контур обратной связи.

Электростатический привод реализует вибрационный РД вокруг оси z, следствием чего является переменный кинетический момент, который для ИМ, расположенных вдоль одной оси, равен Н ≈ 2m R²  (т - масса ИМ; R - расстояние от оси z до центров ИМ; - мгновенная

угловая скорость собственного вращения ротора).

Появление переносной угловой  скорости Ω_х приводит к колебаниям ИМ, расположенных вдоль оси х, вокруг оси у (РЧ_x.) под действием переменного гироскопического момента НΩ_Х. Аналогично возникновение угловой скорости Ω_y, вызывает колебания ИМ, находящихся вдоль оси у, вокруг оси х (РЧ_y обусловленных гироскопическим моментом HΩ_y

Колебания ИМ в РЧ_Х регистрируются емкостными измерителями перемещений,

размещенными вдоль оси х, а колебания в РЧ_у — измерителями, расположенными вдоль оси у. В МГ может быть реализован (так же, как и в схеме по рис. 28) компенсационный режим измерений с помощью контура силовой компенсации моментов от сил инерции Кориолиса (гироскопических моментов).

Гироскопы RR-типа активно исследуются отечественными разработчиками. Некоторые разработки, видимо, близки к выпуску опытных партий.

 

1.3.5. Камертонные и волновые микрогироскопы

Принцип работы ЧЭ, использованного в гироскопах типа DRZ фирмы Temic (концерн Deimler-Benz) и типа QRZ фирмы Systron Dormer (BEI. Electronics, Inc.), показан на рис.30.

Обе ветви ЧЭ, изготовленного из монокристалла, приводятся в противофазное колебательное движение в плоскости zy (рис. 30, а). Каждый элемент ветви массой dm перемещается с линейной скоростью v. При вращении ЧЭ со скоростью Ω вокруг оси z для направления векторов, соответствующих рис. 30, а, возникают ускорения Кориолиса a_к = 2vΩ и соответствующие ему силы инерции F_k = 2vΩdm. Силы инерции Кориолиса суммируются по всей массе каждой из ветвей и приводят к их изгибу в плоскости xz (рис. 30, б).

При изменении фазы генерируемых колебаний на противоположную изменится и направление изгиба вынужденных колебаний ветвей ЧЭ в плоскости xz. Таким образом, вынужденные колебания ветвей ЧЭ в плоскости xz содержат информацию об угловой скорости вращения основания. Очевидно также, что генерировать колебания ветвей ЧЭ можно и в плоскости xz, тогда информативные колебания ветвей будут происходить в плоскости zy. Линейные ускорения, включая вибрацию корпуса прибора, приводят к зашумлению выходного сигнала.

Концерн Deimler-Benz производит датчики угловой скорости модели Temic с вибрационным ЧЭ.

 

 

 

 

Гироскоп с габаритными  размерами 63x47x35 мм (макроскопические размеры) изготовлен по гибридной технологии, так как ЧЭ камертонного типа с элементами возбуждения и съема сигналов с вибрирующих элементов выполнен по кремниевой технологии, а сервисная электроника осуществлена традиционно в виде одной платы. Металлический корпус прибора делается, как правило, герметичным. Гироскоп имеет аналоговый выход. Диапазон измеряемой скорости до 75 °/с.

Основное назначение гироскопа -различные диагностические системы

Фирма Systron Donner выпускает гироскопы серии GiroChip с ЧЭ по рис. 30. Использование пьезоэлектрического материала существенно упростило конструкцию и обеспечило температурную стабильность и длительный срок службы. ЧЭ вместе с электроникой встроены в жесткий корпус. Прибор запитывается постоянным напряжением и имеет высокоуровневый аналоговый выходной сигнал в широкой полосе пропускания частот. Диапазон измеряемых скоростей 50... 1000 ^o/с.

Датчик угловой скорости нашел широкое применение: сферы его распространения - приборостроение, робототехника, автомобили, медицина, навигация, в том числе с применением GPS, стабилизация антенн, системы управления и виртуальной реальности.

С аналогичным ЧЭ выпускается  датчик угловой скорости BEI GiroChip™ Horizon.

Фирма Systron Donner разработала гироскоп QRS 11 (Quartz Rate Sensor), ЧЭ которого изготовлен из монолитного кварца и представляет собой сдвоенный камертон (рис.31, а). Действие сил инерции Кориолиса F_K в ответ на перемещение ножек силами возбуждения F_B и измеряемую скорость Q аналогично рис. 30. Сдвоенный ЧЭ позволяет уменьшить взаимодействие рамок. Масса QRS 11 составляет 60 г при габаритных размерах ø 40x16 мм, полоса пропускания частот > 60 Гц.

Три таких гироскопа (каналы угловой скорости) и три акселерометра (каналы ускорения) входят в состав инерциального блока Motion Pack , общий вид которого и габаритные размеры показаны на рис. 31, б. При напряжении питания 4, 5 В потребляемая мощность 7 Вт.

Инерциальный модуль имеет  расширенные возможности использования по сравнению с приборами GiroChip и Motion-Pak, особенно для навигационных систем.

фирма Sagem SA (Франция) разработала гироскоп в макроскопических разменах Quapason , резонатор которого выполнен по кварцевой технологии и состоит из четырех стержней прямоугольного сечения, имеющих общее основание, которое через виброизолирующую ножку связано с корпусом (рис. 32).

На наружных гранях стержня  расположено по восемь пьезоэлектрических преобразователей силы и преобразователей перемещений.

Преобразователи силы создают  два возможных режима колебаний, показанные на рис.32, а, б. Частоты колебаний стержней в резонаторе идентичны.