apostolyukphd (814875), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

Приборможет быть построен по схеме прямого измерения (разомкнутая схема) исхеме с компенсационной обратной связью. В разомкнутой схемеотсутствует система, которая создает силу, действующую на инерционнуюмассувнаправленииизмеряемойкоординаты.Принциппрямогоизмерения заключается в следующем. Системой возбуждения вызываютсяпервичные колебания чувствительного элемента по одной из координат(например x2 ). Это могут быть как автоколебания, так и вынужденныеколебания в резонансе. Из-за сил Кориолиса происходит возбуждениевторичных колебаний инерционной.

Эти колебания регистрируются. Послеэтого происходит выделение их амплитуды. Сигнал, пропорциональныйамплитуде вторичных колебаний, будет пропорционален и измеряемойугловой скорости вращения основания, и будет являться выходнымсигналом прибора в целом. При этом не происходит формирования какихлибо воздействий на колебания чувствительного элемента на основаниирегистрируемой информации о них. Такая схема является наиболеепростой в реализации.

Если информация о вторичных колебанияхчувствительного элемента используется для создания силы, которая их129изменяет, то речь идет о схеме измерения с обратной связью. В этомслучае на инерционную массу в направлении координаты x1 действует силаq1 t , x1  , зависящая от регистрируемых вторичных колебаний. Если сила q1пропорциональна скорости x1 , то происходит уменьшение (компенсация)амплитуды вторичных колебаний чувствительного элемента. При этомвыходным становится сигнал в контуре обратной связи, а не сигнал,пропорциональный регистрируемым колебаниям.Микромеханический вибрационный гироскоп может быть выполненкак в аналоговом, так и в цифровом виде.

Элементная база аналоговойэлектроникиимеетнекоторыеограничениясточкизренияминиатюризации. Исполнение сервисной электроники в цифровом видепозволяет значительно миниатюризировать всю конструкцию и неиспользовать гибридные платы. Кроме этого, при интеграции датчиковугловых скоростей в навигационные комплексы желательно, чтобы ониимели цифровой выход. Это приводит к необходимости использоватьцифровую элементную базу для сервисной электроники.Рассмотрим устройство и работу вибрационного микромеханическогогироскопа прямого измерения по его принципиальной функциональнойсхеме, приведенной на рис.

5.1. Здесь введены следующие обозначения:У1, У2- выходной и входной усилители;СВ- электростатическая система возбуждения;ЧЭ- чувствительный элемент вибрационного гироскопа;СС- емкостная система регистрации колебаний;Ф- полосовой фильтр;ДМ- демодулятор;Постоянство амплитуды первичных колебаний в схеме на рис. 5.1обеспечивается по принципу автогенератора.

При подаче опорногонапряжения на усилитель У1 идет переходной процесс, который вызывает130полигармоническое возбуждение чувствительного элемента при помощигребенчатых структур. Наиболее существенные колебания чувствительногоэлемента возникают на собственной частоте первичных колебаний. Этиколебания регистрируются и подаются на вход усилителя У1. Такимобразом чувствительный элемент выступает в качестве частотозадающегоэлемента.У1СВДМФЧЭУ2ССРис. 5.1.

Функциональная схема гироскопа прямого измеренияГребенчатыеструктурысоздаютэлектростатическуюсилу,пропорциональную подаваемому напряжению. Под влиянием вращенияоснования появляются вторичные колебания чувствительного элемента.ЭтиколебаниярегистрируютсяемкостнойсистемойсъемаСС.Напряжение с системы съема преобразуется блоком усилителей У2 доуровня, необходимого для подачи на вход фильтра Ф. Напряжение,пропорциональное вторичным колебаниям чувствительного элемента,фильтруетсядлявыделениясигналавобластирабочейчастотывозбуждения.

Отфильтрованное гармоническое напряжение подается навходдемодуляторадлявыделенияамплитудыиформированиянапряжения, пропорционального угловой скорости вращения основания.После этого напряжение, пропорциональное угловой скорости, может131подаватьсянавходаналогово-цифровогопреобразователядляформирования цифрового выхода.Рассмотренная выше функциональная схема является простейшейсхемой вибрационного гироскопа прямого измерения. Чувствительностьвибрационных гироскопов к угловой скорости вращения основания сильнозависит от выполнения условий резонанса чувствительного элемента. Дляприведения собственной частоты в резонанс с частотой возбужденияможет использоваться и позиционная обратная связь, пропорциональнаяфазе первичных или вторичных колебаний чувствительного элемента.Увеличение диапазона измеряемых угловых скоростей, повышениебыстродействиядостигаетсяичувствительностииспользованиеммикромеханическогоскоростнойобратнойсвязи,гироскопакотораяуменьшает амплитуду вторичных колебаний чувствительного элемента.Функциональная схема такого компенсационного гироскопа приведена нарис.

5.2.ГУ1СВ1КОМФД1ФД2У2ДМСВ2ЧЭФУ4ДБССУ3Рис. 5.2. Функциональная схема компенсационного гироскопаНа рис. 5.2, по сравнению с обозначениями на рис. 5.1, добавленыследующие обозначения132Г- генератор для создания гармонического напряжения;СВ1- электростатическая система возбуждения первичныхколебаний;СВ2- система, действующая на инерционную массу;У1 - У4- согласующие и усилительные блоки;ДБ- дифференцирующий блок;ФД1, ФД2- фазовые дискриминаторы для входного и выходногосигналов;КОМ- компаратор.Гармоническое напряжение из блока генератора Г подается на блокусилителей У1 для достижения уровня, необходимого для подачи нагребенчатыеструктурысистемыФД1.случаедискриминаторгироскопасигнал,ВрегистрируемыйвозбужденияСВкомпенсационногосистемойсъема,ифазовыйвибрационногоподаетсянасогласующий усилитель У3.

Далее этот сигнал дифференцируется в блокеДБ и подается на вход усилительно-суммирующего блока У2. Там сигналсуммируется с позиционным сигналом, пропорциональным фазе и вместеони подаются на электростатический датчик силы СВ2, действующийнепосредственнонаинерционнуюмассу.Другойвыходдифференцирующего блока связан с выходным каскадом фильтра идемодулятора. Сигнал, пропорциональный фазе вторичных колебанийчувствительного элемента, подается на компаратор КОМ, на другой входкоторого подается сигнал, пропорциональный фазе входного напряжения.На компараторе происходит формирование сигнала, пропорциональногоразности фаз входного и выходного напряжений.

Если разность фаз равнанулю, то угловая скорость вращения основания положительна. Приотрицательной измеряемой угловой скорости разность фаз будет  .1335.2. Расчет гребенчатого двигателяОднимизосновныхмикромеханическихэлементовгироскоповявляетсясистемывозбуждениягребенчатыйдвигатель.Рассмотрим математическую модель функционирования такого двигателяиметодыоптимальноговыбораегопараметров.Созданиеэлектростатической силы, действующей на чувствительный элемент,основано на взаимодействии заряженных поверхностей. Гребенчатыйдвигатель состоит из двух гребенчатых структур - одна расположена наосновании прибора (неподвижная), а другая на чувствительном элементе(подвижная). На неподвижную часть двигателя подается разностьпотенциалов  , которая изменяется по задаваемому закону.

Разностьпотенциалов создает поверхностный заряд q  S , где  - поверхностнаяплотность зарядов, Sподвижнойчасти- площадь поверхности. В общем случае кгребенчатойструктурыприкладываетсяразностьпотенциалов  0 , которая постоянна, и вследствие чего на поверхностиподвижной части возникает заряд q0 . Гребенчатая структура состоит изнабора вертикальных заряженных пластин (рис.5.3).xc1h2z…nРис. 5.3. Гребенчатая структура134Применение подобной конструкции позволяет увеличить эффективнуюплощадь и повысить устойчивость. Найдем продольную проекцию силывзаимодействия между двумя заряженными пластинами.

Вся конструкциясостоит из n пар таких пластин. Пластины будем рассматривать каксистемы с равномерно распределенными по поверхности зарядами. Длявектора поля напряженности E , создаваемого пластиной с плотностьюзаряда  , необходимо знать лишь его проекцию на ось, вдоль которойдействует сила возбуждения. Эта составляющая вычисляется какE x1 1rx11ds,4 0 S r 3где r - модуль радиус-вектора r   x 2  x1 , y 2  y1 , z 2  z1 , соединяющего точкуx , y ,z 1x211на поверхности пластины и произвольную точку пространства, y 2 , z 2  , для которой вычисляется значение E .

Если ширина пластиныравна 2b , а ее длина равна c , тоE x1  x 2 , y 2 , z 2  14 0b cb 0 x  x dx dy x  x    y  y    z21122112212 z1 2 32.(5.1)Сила, создаваемая парой пластин гребенчатой структуры будетb xcF1  x    E x , yx122, z 2  2 dx 2 dy 2 .(5.2)b xЗдесь x - зазор между гребенчатыми структурами, показанный на рис. 5.3.Окончательное выражение для силы, создаваемой гребенчатой структуройиз n пар пластин, и полученное после интегрирования (5.2), будетF1  x  n 0 x U1U 0 ,2h 2(5.3)где U1 и U 0 - напряжения, подаваемые на неподвижную и подвижнуючасти конструкции. Когда применяется заземление подвижной частисистемы возбуждения, что имеет место на практике, то U1  U 0  U идействующая на чувствительный элемент сила будет определяться поформуле135F1  x  n 0 x U 2 .2h 2(5.4)Здесь  x  - функция, определяемая по следующей формуле: 2 b  4b 2  z 2  x 2   2x x   4bx ln 222bzxb 4   2 4b 2  z 2  x 2  z 2  x 2   2b  4b 2  z 2   x  c  2   2b  4b 2  z 2   x  c  2  2b x  c  ln 2b x  c  ln  2 b  4b 2  z 2   x  c  2  2b  4 b 2  z 2   x  c  2 x  4b 2  z 2  x 2x  4b 2  z 2  x 2  8b 2 ln  8b 2 ln  x  c  4b 2  z 2   x  c  2  x  c  4b 2  z 2   x  c  2   x  c24b 2  z 2   x  c   z 2   x  c 2   x  c24b 2  z 2   x  c   z 2   x  c 2x  4b 2  z 2  x 2  4b 2  z 2  ln  x  c  4 b 2  z 2   x  c  2 x  c  4b 2  z 2   x  c  22x  x2  z2 z 2 ln  x  c  z 2   x  c 2 x  c  z 2   x  c 22.График функции  x  представлен на рис.

5.4.3000 x , мкм 22500200015001000500102030x04050x , мкмРис. 5.4. Зависимость  x  от текущего расстояния xОнпостроендляследующихзначенийпараметровгребенчатойконструкции: c=50, h=3, b=10, z=5 (все размеры в микронах). Анализзависимости  x  показывает, что она имеет максимум при некотором136x  x 0 . Очевидно, что при начальной установке гребенчатых конструкций стаким зазором будет обеспечена максимальная эффективность работыдвигателя.

Характеристики

Список файлов книги