ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Главный pедактоp — д-p техн. наук, пpоф. В. Ю. Кнеллеp
УДК 531.383
ВОЛНОВЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ГИРОСКОПЫ С КОЛЬЦЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ
В. Я. Распопов, Р. В. Ершов
Описаны принцип работы волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) с кольцевым резонатором (КР), особенности динамики КР и функциональной электроники, обеспечивающей работу ВТГ. Дана характеристика особенностей конструкции ВТГ с КР в микромеханическом и интегральном (гибридном) исполнениях и приведены их технические характеристики. Указаны основные источники погрешностей измерения.
Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, кольцевой резонатор, прецессия стоячей волны, мода колебаний, позиционное и параметрическое возбуждение, источники погрешностей.
ВВЕДЕНИЕ
Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) с объемными резонаторами (полусферическими и цилиндрическими) имеют характеристики точности (дрейф, нестабильность масштабного коэффициента и др.), достаточные для использования их в автономных информационно-измерительных системах (ИИС) и инерциальных навигационных системах (ИНС) среднего класса точности. Эксплуатационные характеристики (потребляемая мощность, время готовности, ударо- и вибростойкость) делают возможным их применение в ИИС и ИНС динамических объектов, таких как летательные аппараты различного назначения, в том числе, беспилотные, в системах бурения и каротажа скважин и др.
Следствием тенденции к минимизации массы, габаритов, энергопотребления гироскопов явилось создание ВТГ с плоским кольцевым резонатором (КР) в микромеханическом исполнении с применением МЭМС-технологий. В основе работы ВТГ с любым типом резонатора лежит свойство прецессии возбужденной в нем "стоячей волны" при вращении резонатора вокруг оси,
перпендикулярной плоскости "стоячей волны". Теория ВТГ с объемным резонатором достаточно полно отражена в литературе, ее развитие активно продолжается, а отечественные и зарубежные разработчики способны выпускать серийные образцы этого типа гироскопов. ВТГ с КР имеют ряд конструктивных и технологических особенностей, которые необходимо учитывать при их проектировании и изготовлении. К таким особенностям следует отнести конструкцию упругого подвеса КР, способы микромеханической обработки планарных структур и элементов силовых и измерительных контуров. Теоретическая и практическая разработка задач, вызванных этими особенностями, активно развивается и находит отражение в публикациях.
Цель данной публикации — дать представление о проблемах, уровне развития знаний, достигнутых характеристиках и применениях, касающихся ВТГ с КР.
В ограниченном объеме статьи естественно, не представляется возможным перечислить и прокомментировать все известные авторам публикации по проблеме ВТГ с КР.
ПРИНЦИП И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА
Принцип работы волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) основан на использовании инертных свойств упругих волн, возбуждаемых в виде радиальных колебаний на второй моде в полусферическом, цилиндрическом или кольцевом резонаторах.
Эффект инертности упругих волн во вращающихся осесимметричных телах в 1890 г. открыл теоретически и подтвердил экспериментально Г. Х. Брайен. Он показал, что при вращении вибрирующей оболочки в результате действия инерционных сил Кориолиса происходит расщепление собственной частоты основной формы из-гибных колебаний ее стенок, что приводит к прецессии стоячей волны как относительно оболочки, так и в инерциальном пространстве.
Прецессия стоячей волны во вращающемся резонаторе иллюстрируется рис. 1. В упругой полусферической оболочке-резонаторе (рис. 1, а) в двух взаимно-перпендикулярных направлениях х и у возбуждаются стоячие волны, характеризуемые пучностями и узлами на кромке (или в сечении) резонатора (рис. 1, б).
При вращении резонатора вокруг оси чувствительности, которая перпендикулярна плоскости кольцевых сечений резонатора и является осью их симметрии, волновая картина стоячих волн отстает от вращающегося резонатора, т. е. узлы и пучности прецессируют относительно резонатора на угол 9 и инерциального пространства на угол а (рис. 1, в).
Возникновение моментов сил инерции Кори-олиса в любом кольцевом элементе резонатора, масса которого условно распределена по четырем точкам, иллюстрируется рис. 2.
В кольцевом элементе возбуждается стоячая волна изгибных колебаний второй моды (рис. 2, а),
имеющая две оси пучности и две оси узлов. Узлами называются точки, остающиеся неподвижными в процессе изгибных колебаний кольцевого элемента, являющегося резонатором.
При вращении вибрирующего кольцевого элемента с угловой скоростью О к каждой элементарной массе в точках А, В, С, D приложены силы инерции Кориолиса FkA, Fkв, Fkc, FkD как реакция на ускорения Кориолиса akв, akD, являющиеся следствием наличия линейных виброскоростей УА, Ув, Ус, ^Ъ и переносной скорости О (рис. 2, б). Результирующий момент от разности пары сил FkA, Fkв, Fkс и FkD и вызывает прецессию (вращение) стоячей волны относительно резонатора и в инерциальном пространстве (рис. 2, в). Определяя положение стоячей волны относительно корпуса, зависящее от угловой скорости О, можно получить информацию об угле поворота и угловой скорости основания в инер-циальном пространстве.
Таким образом, вращение резонатора в инер-циальной системе координат можно рассматривать как причину уменьшения амплитуды первичной вибрации и появления новой составляющей колебаний (вторичная волна), пучности которой расположены под углом 45° относительно пучностей первичной волны, т. е. эти пучности совпадают с узлами первичной вибрации. Наложение этих составляющих приводит к образованию результирующей диаграммы пучностей, которая расположена под углом 9 относительно первоначальной диаграммы вибрации (см. рис. 1, в, 2, в).
Режим работы ВТГ в качестве датчика угловой скорости (ДУС), ВТГ-ДУС, или в качестве интегрирующего гироскопа (ИГ), ВТГ-ИГ, зависит от способа возбуждения колебаний резонатора. Позиционное возбуждение (рис. 3, а), при котором на пару противоположных электродов подается
а) б) в)
Рис. 1. Прецессия стоячей волны во вращающемся резонаторе:
а — стоячая волна в резонаторе; б — положение стоячей волны при неподвижном резонаторе; в — положение стоячей волны при вращающемся резонаторе; П — скорость вращения; Э — угол прецессии стоячей волны; а — угол поворота резонатора
Рис. 2. К пояснению прецессии стоячей волны:
а — первичные колебания кольцевого элемента неподвижного резонатора; б — возникновение сил инерции Кориолиса; в — вторичные колебания
Электрод
Рис. 3. Принципиальные схемы позиционного (а) и параметрического (б) возбуждения
переменное напряжение с частотой, в два раза меньшей собственной частоты основной формы, обеспечивает режим работы ВТГ-ДУС. При О = 0 ориентация стоячих волн в резонаторе постоянна и определяется ориентацией 9о электродов позиционного возбуждения 9 = 9). Следовательно, стоячая волна "привязана" к резонатору.
Режим ВТГ-ИГ обеспечивается параметрическим возбуждением резонатора (рис. 3, б), кромка которого окружена кольцевым электродом, образующим цилиндрический конденсатор. К конденсатору приложено напряжение с амплитудой Щ и частотой X, близкой к частоте собственных колебаний резонатора.
При вращении основания ориентация стоячей волны относительно резонатора для ВТГ-ДУС и
ВТГ-ИГ определяется следующими выражениями соответственно [1, 2]:
t
9 = 90 - О; 9 = 90 - к |о(Х)^Х,
0 0
где К — масштабный коэффициент резонатора; 9) — начальная ориентация стоячей волны; Ю) — собственная частота колебаний резонатора; Q = = 1/2^ — добротность резонатора; ^ — коэффициент затухания (демпфирования) материала резонатора.
Теория ВТГ с кольцевым резонатором в отечественной литературе наиболее полно изложена в работе [2].
В работе [3] подробно, на основе большого экспериментального материала, изложены физико-химические основы разработки полусферических резонаторов ВТГ.
Кольцевой резонатор ВТГ состоит из упругих кольца и элементов его подвеса в корпусе. Для изготовления резонатора могут быть использованы различные материалы (никель, поликристаллический и монокристаллический кремний) и соответствующие им технологии. Для возбуждения первичных колебаний применяют электростатические и магнитоэлектрические датчики силы (возбуждения), ДВ, а для измерения вторичных колебаний — электростатические (емкостные) датчики перемещений, ДП. ВТГ этого типа могут изготавливаться полностью по технологиям МЭМС, и в этом случае они относятся к классу микромеханических гироскопов. ВТГ могут быть изготовлены в интегральном (гибридном) варианте: резонатор с ДП — по технологиям МЭМС, а ДВ и функциональная (сервисная) электроника — по обычным технологиям.
В отечественной литературе, посвященной ВТГ с КР, рассматриваются в основном вопросы разработки математических моделей кольцевых резонаторов. В работе [4] рассмотрена восьмиточечная модель волнового твердотельного гироскопа. Механическая модель резонатора представлена в виде восьми точечных масс, соединенных между собой и связанных с центром системы пружинами. В работе [5] приведены алгоритмы идентификации параметров волнового твердотельного гироскопа, необходимой в связи с внутренними потерями и неточностями изготовления прибора.
КОЛЬЦЕВОЙ РЕЗОНАТОР
В отличие от объемных резонаторов (см. рис. 1, а) кольцевой резонатор поддерживается упругими элементами подвеса, которые обеспечивают изгибные колебания кольца в своей плоскости, сохраняя планарность всей вибрационной структуры. Система упругих элементов подвеса может быть внутренней и внешней. Внутренние подвесы крепят кольцо к центральному анкеру, который, в свою очередь, неподвижно закреплен на основании. Внешние подвесы закрепляют кольцо непосредственно к основанию. Кроме того, подвесы могут различаться по форме упругих элементов (рис. 4): дугообразные; ^-образные; ра-диально-дуговые; угловые.
Упругий подвес должен обеспечивать равную жесткость виброструктуры во взаимоперпендикулярных направлениях, соответствующих большим осям эллипса в прот
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.