Диссертация (1026019), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Экспериментально определены значения расщепления собственнойчастоты для партии серийно выпускаемых полусферических резонаторовволнового твердотельного гироскопа. Сравнение результатов экспериментов срасчётнымиданнымиматематическоймоделипоказалоупругиххорошеесоответствиечувствительныхразработаннойэлементовволновоготвердотельного гироскопа реальным объектам данного класса и адекватностьпредложенных методов её численного анализа.В заключении даны основные выводы по работе.Работа выполнена на кафедре прикладной механики МГТУ им.Н.Э.

Баумана.14ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТОЧНОСТИРАБОТЫ ОБОЛОЧЕЧНЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВВОЛНОВЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ГИРОСКОПОВ И ОСНОВНЫЕЗАДАЧИ, РАССМАТРИВАЕМЫЕ В РАБОТЕ1.1. Применение волновых твердотельных гироскопов. Режимыработы их чувствительных элементов в условиях эксплуатацииКакотмечалосьтвердотельныхвогироскоповвведении,весьмаобластьширока.примененияУсловияработыволновыхупругихчувствительных элементов ВТГ, критерии оценки их точности, а такжетребования, предъявляемые к этим критериям, существенно зависят отфункционального назначения и конструктивных особенностей устройств, вкоторых они устанавливаются.По мере насыщения производства, транспортных, энергетических и другихсистем вычислительной и микропроцессорной техникой возрастают не толькообъёмы первичной измерительной информации, но и требования к её качествуи, в первую очередь, к её точности и надёжности. Постоянно происходитобновление элементной базы информационно-измерительных систем, заменастарых датчиков первичной информации новыми, обладающими значительноболее высокими метрологическими показателями и удовлетворяющими целомукомплексусложныхииногдапротиворечивыхтребований(точность,надежность, малая масса и габаритные размеры, малое энергопотребление,низкая стоимость, возможность дальнейшей миниатюризации и др.).Волновыетвердотельныегироскопынаосновеполусферическихчувствительных элементов удовлетворяют большинству из перечисленныхтребований.В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа лежитфизическое явление прецессии стоячих упругих волн в осесимметричномупругом теле, вращающемся вокруг оси симметрии.15Если возбудить стоячие волны в осесимметричном резонаторе, товращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворотстоячей волны на меньший, но известный угол.Соответствующее движение волны как целого называется прецессией.Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловойскорости вращения основания на ось симметрии резонатора.Самое раннее исследование влияния вращения на колебания оболочек,по-видимому, принадлежит G.H.

Bryan [1]. Он исследовал явление биения,которое происходит из-за малых различий скоростей прямой и обратнойбегущих волн в оболочке, вращающейся с малой угловой скоростью. В работеописан эффект запаздывания формы колебаний относительно корпуса кольца ицилиндра при вращении их со скоростью Ω (Рисунок 1.1). Показано, что вкольце скорость прецессии составляет:γ* =k2 − 12Ω,k +1где k – количество волн или узловых меридианов (номер формы колебаний).При k = 2 скорость прецессии в кольце γ * = 0,6Ω [2].Рисунок 1.1Этот эффект в конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века использовалиисследователи из General Motors, разрабатывая гироскоп с резонатором в видетонкой полусферической оболочки [3, 4]. С 70-х годов прошлого века ВТГ в16США разрабатывали в филиале General Motors под руководством D.D. Lynch.Позднее это подразделение последовательно принадлежало Delco Electronics,Litton, Hughes Electronics и Northrop Grumman Со.

В настоящее времяразработкой ВТГ занимается созданный на базе указанного подразделения«David D. Lynch Hemispherical Resonator Gyro Manufacturing Center» [5].Былзарегистрированрядпатентов,описывающихмножествоусовершенствований конструкции ВТГ. Первые патенты описывали прибор какдатчик угловой скорости. В более поздних патентах [6, 7] предлагаетсяинтегрирующий датчик угловой скорости на базе ВТГ, то есть датчик углаповорота.

При этом важной особенностью предлагаемого прибора является то,что он будет продолжать интегрировать угловую скорость поворота даже вовремя короткого прерывания электропитания, что является его уникальнымпреимуществом.Существуют различные возможные конструктивные решения УЧЭ ВТГ(Рисунок 1.2, а - е) [8 – 13].а)б)в)г)д)е)Рисунок 1.2. Типы резонаторов ВТГ17В реальных ВТГ резонатор, как правило, представляет собой либостержень кольцевой формы, либо тонкостенную упругую оболочку вращения,изготовленные из плавленого кварца, сапфира или другого материала,имеющего малый коэффициент потерь при колебаниях [1, 13]. На Рисунке 1.3дана схема одного из вариантов ВТГ, представляющего собой полусферическийкварцевый резонатор 1, закреплённый в корпусе на ножке 4 в полюсе оболочки[8, 14].

Внутренняя и внешняя поверхности резонатора покрыты тонким слоемхромаиявляютсяответнымичастямисистемыэлектростатическоговозбуждения 2, поддержания колебаний 5 и системы ёмкостного съёма 3,электроды которых располагаются по окружности вдоль свободного краярезонатора. Свободная кромка полусферы является рабочей областью ВТГ.Таким образом, совместно с системой самовозбуждения резонатор составляетэлектромеханическую автоколебательную систему, частота колебаний которойравна одной из его собственных частот (как правило, низшей).Рисунок 1.3.

Схема ВТГ:1 – резонатор, 2 – система электростатического возбуждения, 3 – система съёмасигналов колебаний, 4 – ножка резонатора, 5 – система поддержания колебанийCRS03-01Tautomotive and commercial customers.Angular rate sensors are used wherever rate of turnsensing is required without a fixed point of reference.The sensor will output a DC voltage proportional to the18and input voltage.rate of turnHigh performance motion sensing even under severeshock and vibration.Whatever your1.4application,the unique silicon ringмикромеханическийtechnology,В качестве примера на Рисункепредставленcoupled with closed loop electronics, gives advancedand stable performance over time and temperature,overcoming the mount sensitivity problems experiencedwith simple beam or tuning fork based sensors.гироскоп (ММГ) CRS03 фирмы Silicon Sensing Systems (SSS), Япония –Великобритания [15].CRS03-02TKey features• Two model types available• Excellent performance over temperature• Repeatable drift characteristic• High shock and vibration operation• High reliability• Metalised housing• FFF equivalent to CRS03-01S and CRS03-02Sа)б)в)Рисунок 1.4.

Микромеханический гироскоп фирмы SSS:а) – внешний вид датчика; б) – фрагмент кольцевого упругого чувствительногоэлемента ММГ; в) – датчик без внешней крышки, чувствительный элементЧувствительныйэлементэтогоприборапредставляетсобой© Silicon Sensing is an Atlantic Inertial Systems, Sumitomo Precision Products joint venture companyмикромеханическуюсистему в виде упругого кольца на гибких изогнутыхстержнях. Для возбуждения первичных колебаний используется миниатюрныймагнит (цилиндр в верхней части на Рисунке 1.4, в).

Чувствительный элементвыполнен из монокристаллического кремния методом фотолитографии и имееттолщину 100 мкм.На Рисунке 1.5, а, б показаны фотография и конструкция одной изпоследних разработок ВТГ французской фирмы Sagem [16].Конструктивное исполнение волнового твердотельного гироскопа соднойосью,разработанногоОАО«Раменскоеприборостроительноеконструкторское бюро» [2, 13], приведено на Рисунке 1.6. Прибор состоит изполусферического резонатора 7, наружного 6 и внутреннего 3 корпусов срасположенными на них системами электродов возбуждения 4 и 8 и съёмаинформации 5, основания с вакуумной колодкой и установленными в нейкоаксиальными 10 и одинарными 2 гермовводами, кожуха 9 с ниппелем и.

2.Sagem:1–, 2– , 3–, 5–, 6–, 7–, 8–, 9–, 10–, 11–встроенного нераспыляемогогеттерногонасоса 1, предназначенногодля, 12–, 13–, 14–, 15–, 16–, 17–, 18–, 19–поддержанияглубокого вакуума ,в21–полости прибора., 20–, 22–, 23–, 24–, 25–, 26–, 27–19, 4–а). 3. 20-. 4.б)SagemSagemРисунок 1.5. Волновой твердотельный гироскоп фирмы Sagem:481 – электрическое соединение, 2 – вал, 3 – крышка, 4 – верхняя сторона,50 (3. 4).5 – герметичная камера, 6 – резонатор, 7 – электрод,, 8 – торцевая сторона, .9 – боковаясторона, 10 – нижняя сторона, 11 – инерциальный блок,,112 – электрододержатель, 13 – электрический соединитель, 14 – верхняя,./сторона, 15 – стержни, 16 – электрическое соединение, 17 – нижняя сторона,294 (83), 201318 – электронная карта, 19 – корпус, 20 – электрический соединитель,. 2.21 – заслонка, 22 – шпилька, 23 – пружина,24 – штырь, 25 – электрическое Sagem1–, 2–, 3–, 4–, 5–, 7–8–, 10–соединение,26 –, рамка,27 – основа, 9–, 12–, 13–, 15–, 16–, 17–, 18–На наружном корпусе6имеются16отдельныхиодинкольцевой, 20–, 21–, 22–, 23–,26–,27–электроды, предназначенных для возбуждения и поддержания колебанийрезонатора в рабочем режиме; на внутреннем корпусе 3 – восемь электродовсистемы съёма информации, формирующих два измерительных канала,которые расположены под углом 45° по отношению друг к другу.С помощью системы возбуждения в резонаторе устанавливают такназываемую вторую форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четырепучности через каждые 90 градусов..

Характеристики

Список файлов диссертации