Микромеханические гироскопы

Разработаны две модели гироскопа  с габаритными размерами ø 28x60 и ø 15x30 мм. Резонатор может работать с различными электронными схемами, обеспечивающими режим измерения угловой скорости либо угла поворота. Полоса пропускания частот 100 Гц. Номинальная измеряемая скорость 250 °/с.        

Гироскоп находит применение в антеннах и оптических системах для стабилизации линии визирования, в судовых успокоителях качки, искусственных горизонтах, в системах контроля скоростью рельсового транспорта и др.

Стержневые вибрационные гироскопы, где вдоль стержня (ЧЭ) генерируется поперечная волна деформации, которая затем как реакция на измеряемую угловую скорость трансформируется во вторичные колебания стержня, могут быть отнесены к волновым.

На рис. 33 показана схема гироскопа, состоящего из стержня 2 в корпусе 1 и пьезоэлементов 3...6, нанесенных на гранях стержня. Стержень в поперечном сечении может быть и другой формы, например равностороннего треугольника.

Стержень с обеих сторон имеет уменьшенные сечения, которые  можно считать упругими точками  крепления стержня к корпусу.

 

 

 

 

Пара пьезоэлементов "3, 5" служит для возбуждения колебаний (первой формы) в плоскости YZ. Каждый элемент стержня при этом получает линейную скорость V_y.. Если конструкцию вращать вокруг оси Z со скоростью Ω, возникают силы инерции Кориолиса, которые вызывают колебания стержня в плоскости XZ с линейными скоростями V_х каждого элемента.

При этом один из пары пьезоэлементов "4, 6" служит для измерения этих колебаний, а другой может быть включен в контур демпфирования колебаний. С помощью электронной цепи фиксируется как амплитуда колебаний, пропорциональная скорости Ω, так и фаза, регистрирующая направление вращения вокруг оси Z.                                                    

Фирма Murata (Япония) выпускает две модификации пьезоэлектрических вибрационных гироскопов: ENV и ENC. ЧЭ гироскопов этих типов представляет собой призму, подвешенную на растяжках и имеющую сечение в форме равностороннего треугольника. На боковых гранях этой призмы находятся пьезоэлементы для возбуждения первой формы изгибных колебаний призмы и съема сигналов.

Призма выполнена из элинвара, отличающегося   почти нулевым   температур- резонатором, ЧЭ этого МГ показан на рис. 34.

МГ вначале планировался для коммерческого применения, но по мере улучшения характеристик стал использоваться в военных целях и для космоса.

Резонатор, изготовленный  из кремния, представляет собой кольцо диаметром 6 мм, выполненное в опорной пластине (рамке) заодно с поддерживающими его упругими элементами (8 шт.). Размер опорной рамки 10x10 мм. Чип анодно металлизирован к стеклянной поддерживающей структуре. Кольцо с помощью магнитоэлектрического датчика силы приводится в режим вибрации в своей плоскости на частоте > 5кГц.

Таким образом, в кольцевом  резонаторе возбуждаются колебания, имеющие форму стоячей волны (на рис. 34, а показана пунктиром), пучности которой находятся в точках A, B, С, D. При вращении резонатора вокруг оси, перпендикулярно к плоскости чертежа, момент сил инерции Кориолиса вызывает прецессию (вращение) стоячей волны относительно резoнатора. Эффект прецессии стоячей волн иллюстрируется рис. 35.                       

При вращении вибрирующего кольца с угловой скоростью П  к каждой элементарной массе в точках А, В, С, D приложены   силы   инерции   Кориолиса    F_КА,

F_KB, F_KC, F_KD как реакция на ускорения Кориолиса а_KA ,a_KB ,a_KC ,а_KD являющиеся следствием наличия линейных   виброскоростей    V_A, V_B, V_C, V_D   и

переносной скорости Ω. Результирующий момент   от   разности   пары   сил    F_KA,

F_KC F_KB и F_KD вызывает прецессию (вращение) стоячей волны относительно резонатора и в инерциальном пространстве. Определяя положение стоячей волны, зависящее от угловой скорости Ω, относительно опорной рамки, можно получить информацию об угле поворота основания гироскопа в инерциальном пространстве.

Стоячая волна генерируется в кольце с помощью сил, которые  приложены к участкам кольца между  точками их крепления к проводящим упругим элементам подвеса в районе точек А, В, С, D. Каждый такой участок составляет 1/8 периметра кольца.

Гироскоп может работать в режиме прямого (разомкнутый контур) и компенсационного преобразований (замкнутый контур), что обеспечивается электроникой.

 

Гироскоп в случае температурной  стабилизации обеспечивает дрейф < 17 °/с. Гироскоп обладает виброустойчивостью и ударной стойкостью 5000 g.

В университете Michigan по технологии high-aspect ratio изготовлен МГ, в котором, видимо, также реализован принцип прецессии стоячей волны в кольцевом резонаторе при его вращении вокруг оси, перпендикулярной к плоскости резонатора.

 

Резонатор выполнен в виде кольца диаметром 2 мм и высотой 80 мкм, размещенного с помощью восьми S-образных упругих элементов и анкера в их центре в кольцевой выемке, по периметру которой расположены 16 электродов электростатических преобразователей силы и перемещений. Зазор между кольцом и электродами может быть  в  пределах  1,2...      10 мкм. Ширина упругих элементов подвеса 4 мкм, а высота равна высоте кольца.

Электростатические преобразователи  силы, расположенные попарно и  диаметрально противоположно, могут создавать высокочастотную вибрацию, следствием чего является стоячая волна, которая прецессирует при вращении гироскопа вокруг оси чувствительности, перпендикулярной к плоскости кольца. Измеренная добротность резонатора 85 000. Расчетная чувствительность гироскопа 5 °/ч в полосе пропускания частот 10 Гц. При такой чувствительности гироскоп может измерять скорость вращения Земли.

 ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ  СВОЙСТВ МГ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ  ПАРАМЕТРОВ И ВНЕШНИХ ВОЗМУЩЕНИЙ

5.8.1. Масштабный коэффициент и  частотная настройка

Напомним, что возможны следующие режимы частотной настройки, т.е. соотношений между частотами первичных (РД) и вторичных колебаний (РЧ). Перечислим их.

1. Частоты РД и РЧ совпадают (резонансная настройка). Имеет место резонансное усиление вторичных колебаний, а полоса пропускания частот определяется резонансной кривой.

2. Частоты РД и РЧ значительно разнесены. Наблюдается большая полоса пропускания частот и отсутствие резонансного усиления вторичных колебаний.

3. Имеет место расстройка частот  РД и РЧ, при которой обеспечиваются  заданная полоса пропускания  частот и масштабный коэффициент.

Обеспечить требуемую расстройку и, тем самым, полосу пропускания  частот можно только при очень  жестких допусках на размеры упругих элементов подвеса в пределах 10³ (низкая добротность)... 10⁵ мкм (высокая добротность). Очевидно, что погрешность в расчете частот не должна превышать тысячных долей процента от номинального значения частоты.

При существующем уровне технологии выполнение таких требований проблематично, и для МГ с резонансной настройкой необходима электрическая система подстройки частот, которая создает отрицательную жесткость при подаче постоянных потенциалов на электроды датчика системы подстройки. Последняя частота должна быть рассчитана так, чтобы частота вторичных колебаний несколько превышала частоту первичных.

Для МГ RR-типа система подстройки частот представляет собой емкость, электроды которой площадью S расположены на роторе и подложке с зазором h₀ между ними. При расстоянии S от центра подвеса до центра электродов и напряжении подстройки U электростатическая жесткость, создаваемая системой подстройки, может быть определена зависимостями

G_э=KU² ;  K=2εε₀r²S/h₀²

Собственная частота упругого подвеса  с учетом выражений  равна

ω_β1=((G_п-G_э)/ J_β)^0.5

где G_п - номинальная жесткость упругого подвеса; J_β - момент инерции ротора относительно выходной оси.

Отсюда следует приближенное равенство

G_э= G_п- J_β ω²_β1= J_β(ω²_β0- ω²_β1)= J_β(ω_β0- ω_β1) (ω_β0+ ω_β1)≈ J_βΔω_эω_β0

где  Δω_э= ω_β0- ω_β1 - частота, создаваемая системой подстройки.

Напряжение, которое требуется  для изменения частоты ω₀ на Δω_э, определяется по формуле

U= (J_βΔω_эω_β0/K)^0.5

Из литературы известно, что допуск на расстройку частот первичных и  вторичных колебаний представляет собой сумму допусков на неточность расчета собственной частоты  Δω_P и технологического допуска  Δω_T обусловленного неточностью изготовления. Система подстройки частоты используется только для уменьшения частоты вторичных колебаний. Поэтому можно считать, что начальное превышение Δω_H частоты вторичных

колебаний над первичными определяется неравенством

Δω_H> Δω_P+ Δω_T

Следует также ограничение на величину расстройки:

Δω_Э>  Δω_H +  2(Δω_P+ Δω_T)

При расчете системы электрической  подстройки следует иметь в виду ее ограниченную мощность и, следовательно, затруднения с обеспечением вышеописанного неравенства.

 

 

 

Заключение

Таким образом, на данный момент микромеханические  гироскопы находят применение благодаря  своим габаритам и весу. Их устанавливают  там, где невозможно установить системы  традиционного типа: системы автомобильной  навигации, роботехника, микроспутники. Однако, сокращение общих размеров прибора влечет за собой увеличение погрешностей, а потому многие производители  становятся перед выбором между  качеством снимаемых показаний  и физическими характеристиками системы навигации.

Именно поэтому работы в области  микромеханической гироскопии направлены на улучшение точностных и эксплуатационных характеристик МГ. В случае увеличения получаемой точности показаний МГ смогут успешно конкурировать с другими  системами, отличающимися большими размерами, и устанавливаться на приборы более высокого класса,  (как пример: с микроспутников на малые спутники).

Задача по отслеживанию изменений  пространственного положения объекта  встречается в различных отраслях промышленности и быта. На данный момент микрогироскопы, микроакселерометры и  их аналоги находят наибольшее применение в авионике, системах автомобильной  навигации и робототехнике. Технология их производства позволяет наладить массовое производство, что снижает  себестоимость МГ в сотни раз  в сравнении с традиционными  системами. Развитие нанотехнологий дает возможность в дальнейшем существенно  разнообразить соотношение габариты/качество приборов. Что позволит их внедрять не только в сложные и специфические  технические устройства (роботы, малые  самолеты шпионы), но и увеличить  объемы уже начавшегося внедрения  в предметы быта (цифровые фотоаппараты, ноутбуки, телефоны).

Полноценная конкуренция микрогироскопов  с более «крупными собратьями»  пока что не представляется возможной, однако они могут найти применение в качестве дешевых, но все же точных приборов отслеживания изменения положения  объекта, на котором установлены.