научная статья по теме ВИЛЕН ГРИГОРЬЕВИЧ ДОМРАЧЕВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ВИЛЕН ГРИГОРЬЕВИЧ ДОМРАЧЕВ»

где юд = 2п -10 [1/с], а для геофона GMT-12.5V — аппроксимирующую зависимость

(Р) =

20p2

p + л/2ю0р + ю0

B

м/с

где ю0 = 2п -12,5 [1/с].

Таким образом, предложенная методика расчета частотной характеристики датчиков геофонного типа позволяет учесть их реальные электрические параметры и получить адекватную зависимость для комплексного коэффициента преобразования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Щепеткин Ф. В., Куренной Е. В. Выбор затухания электродинамического сейсмодатчика // Радиосистемы. Вып. 96. "Территориально распределенные радиотехнические системы охраны". — 2006. — № 4.

2. Speller К. E., Duli Yu. A low-noise MEMS accelerometer for unattended ground sensor applications. Applied MEMS Inc. 12200 Parc Crest, Stafford, TX, USA 77477.

3. Грановский В. А. Динамические измерения: основы метрологического обеспечения. — Л.: Энергоатомиздат, Ле-нингр. отд-ние, 1984. — 224 с.

Работа выполнена в Пензенском государственном университете.

Виктор Александрович Дудкин — канд. техн. наук, доцент;

® (8412) 42-55-89

E-mail: cyrix@penza.net

Дмитрий Станиславович Иванцов — ст. преподаватель;

® (8412) 31-40-62

Сергей Викторович Дудкин — аспирант.

E-mail: dudkinsv@penza.net □

азовательный цикл

УДК 621.3.049.779

МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ1

Лекция 13

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИРОСКОПОВ

В. Я. Распопов

ВВЕДЕНИЕ

Микрогироскопы являются электромеханическими системами, в которых энергия вынужденных (первичных) колебаний инерционной массы на упругом подвесе (резонатор) при воздействии переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие влияния на резонатор сил (или моментов) инерции Кориолиса при вращении резонатора с переносной угловой скоростью, вектор которой перпендикулярен вектору мгновенной скорости инерционной массы резонатора.

1 Продолжение. Начало см. в №№ 3—5, 7, 11, 2005 г, № 3, 5, 8, 2006 г., № 2, 3, 6, 2007 г.

Первичные колебания называют также режимом движения (РД) или движением по координате возбуждения, вторичные — режимом чувствительности (РЧ) или движением по координате выходного сигнала.

По виду движения инерционных масс в РД и РЧ различают гироскопы LL-типа (linear-linear) или LL-гироскопы; гироскопы RR-типа (rotary-rotary) или RR-гироскопы и гироскопы LR-типа или LR-гироскопы. В LL-гироскопах инерционные массы в РД и РЧ совершают поступательные перемещения, в RR-гироскопах — вращательные перемещения, в LR/RL-гироскопах — различные комбинации поступательных и вращательных перемещений.

Наряду с указанными типами разрабатываются микрогироскопы, в которых чувствительный к измеряемой угловой скорости элемент представ-

ляет собой упругое кольцо (кольцевой резонатор), скрепленное с корпусом посредством упругих элементов подвеса. Кольцо пульсирует в двух взаимно перпендикулярных направлениях (поперечная упругая волна), т. е. периодически принимает форму овала. При вращении кольца относительно оси, перпендикулярной его плоскости, скорость вращения оси, вдоль которой пульсирует кольцо (большая ось овала), будет меньше скорости вращения корпуса 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 имеет место и в так называемых стержневых гироскопах. Поэтому гироскопы с кольцевыми и стержневыми резонаторами (вибрация вдоль стержня) можно называть волновыми микрогироскопами.

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

При изготовлении микрогироскопов применяют высокодобротные материалы, такие как кремний, кварц и др. Для возбуждения первичных колебаний, создания сил и моментов компенсации, измерения параметров вторичных колебаний применяют электростатические, магнитоэлектрические, электромагнитные, а с резонаторами из пьезокерамики также пьезоэлектрические преобразователи.

Микрогироскопы могут работать в режимах прямого и компенсационного преобразований.

ГИРОСКОПЫ LL-ТИПА

Принцип работы чувствительного элемента (ЧЭ) в гироскопах типа DRZ фирмы Temic (Deim-ler-Benz-Konzern) и типа QRZ фирмы Systron Donner (BEI. Electronics, Inc) иллюстрирует рис. 1.

Обе ветви ЧЭ, изготовленного из монокристалла, приводятся в противофазное колебательное движение в плоскости ZY (рис. 1, а). Каждый элемент ветви массой dm перемещается с линейной скоростью V При вращении ЧЭ со скоростью Q вокруг оси Z для направления векторов, соответствующих рис. 1, а, возникает ускорение Корио-лиса а к = 2VD. и соответствующие ему силы инерции Fk = 2 VÙ.dm. Силы инерции Кориолиса суммируются по всей массе каждой из ветвей и приводят к их изгибу в плоскости XZ (рис. 1, б).

С изменением фазы генерируемых колебаний на противоположную, изменится и направление изгиба вынужденных колебаний ветвей ЧЭ в плоскости XZ. Таким образом, вынужденные ко-

Рис. 1. Принцип работы чувствительного элемента гироскопа:

а — возбуждаемые колебания; б — вынужденные (информативные колебания)

лебания 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 информационные колебания ветвей будут происходить в плоскости ZY. Линейные ускорения, включая вибрацию корпуса прибора, приводят к зашумлению выходного сигнала.

Концерн Daimler-Benz производит датчики угловой скорости (ДУС) модели Temic с вибрационным чувствительным элементом. Гироскоп изготовлен по гибридной технологии: чувствительный элемент камертонного типа с элементами возбуждения и съема сигналов с вибрирующих элементов выполнен по кремниевой технологии, а сервисная электроника изготовлена в виде одной платы. Выход аналоговый. Диапазон измеряемой скорости до 75 град/с. Металлический корпус прибора изготовляется, как правило, герметичным в габаритах 63 s 47 х 35 мм. Основное назначение гироскопа — работа в различных диагностических системах.

Фирма Sistron Donner выпускает гироскопы серии GiroChip с ЧЭ по схеме рис. 1. Использование пьезоэлектрического материала существенно упростило конструкцию и обеспечило температурную стабильность и длительный срок службы. ЧЭ вместе с электроникой встроены в жесткий

корпус. Прибор питается постоянным напряжением и имеет высокоуровневый аналоговый выходной сигнал в полосе пропускания более 60 Гц. Диапазон измеряемых скоростей 50...1000 град/с.

Сфера применения ДУС — приборостроение, робототехника, автомобилестроение, медицина, навигация, в том числе с применением GPS, стабилизация антенн, в системах управления и виртуальной реальности.

С аналогичным ЧЭ выпускается ДУС BEI GiroChip™ HORIZON.

Фирма Sistron Donner разработала гироскоп QRS 11, ЧЭ которого изготовлен из монолитного кварца и представляет собой сдвоенный камертон. Масса гироскопа 60 г при габаритах 040* 16 мм. Полоса пропускания более 60 Гц. Три таких гироскопа (каналы угловой скорости) и три акселерометра (каналы ускорений) входят в состав инер-циального блока Motion Pack™. Инерциальный модуль имеет расширенные возможности использования в сравнении с приборами Girochip и MotionPak, особенно для навигационных систем.

Фирма SAGEM SA (Франция) разработала гироскоп Quapason™ в макроскопических размерах, резонатор которого выполнен по кварцевой технологии и состоит из четырех стержней прямоугольного сечения на общем основании, которое через виброизолирующую ножку связано с корпусом [1] (рис. 2, а). На наружных гранях стержня расположены восемь преобразователей перемещения и восемь пьезоэлектрических преобразователей силы, создающих режим колебаний, показанный на рис. 2, б, в. Частоты колебаний стержней в резонаторе идентичны.

Резонатор работает с различными электронными схемами, обеспечивающими режим измерения угловой скорости либо угла поворота. Разработаны две модели гироскопа с габаритами 028 х60 и 015 s 30 мм. Полоса пропускания 100 Гц. Номинальная измеряемая скорость 250 град/с. Гироскоп находит применение в антеннах и оптических системах для стабилизации линии визирования, в судовых успокоителях качки, искусственных горизонтах, системах контроля скоростью рельсового транспорта и др.

Микрогироскопы разрабатываются также в Draper Laboratory (США). Одна из разработок лаборатории — гироскоп LL-типа, выполненный по кремниевой технологии [2], принципиальная схема которого приведена на рис. 3.

В гироскопе две подвижные инерционные массы, каждая площадью 4 мм2, подвешены на упругих элементах относительно базового элемента конструкции из стекла. Массы посредством трех (левый, правый, центральный) электростатических двигателей гребенчатой структуры приводятся в вибрационное движение со скоростью V

а) б) в)

Рис. 2. Резонатор гироскопа Quapason™:

а — общий вид; б — аксонометрия и возможное направление сил возбуждения FB; в — режимы колебания стержней

параллельно плоскости базы. Векторы скоростей находятся в противофазе друг к другу. При наличии угловой скорости Q вокруг входной оси под действием сил инерции Кориолиса F и F2 одна масса будет подниматься, а другая — опускаться по отношению к плоскости вибрации. Чувствительные пластины электродов емкостного преобразователя перемещений формируют выходной сигнал гироскопа. Имеются также пластины для формирования контура электростатической обратной связи.

Технология изготовления гироскопа основана на травлении кремниевой пластины. Для получения конечной структуры применяются реактивное ионное травление и диффузия бора. Затем структура анодной сваркой прикрепляется к подложке из стекла марки "Pyrex", на которой размещаются электроды. Серийная технология изготовления гироскопа была передана корпорации Rockwell International. Гироскоп нашел применение в автомобильной промышленности. Он имеет полосу пропускания 50 Гц и д

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком