apostolyukphd (814875), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При этом система возбуждениядействует непосредственно на инерционную массу. Приведены уравнениядвижения чувствительного элемента. Отмечены трудности разделенияпервичных и вторичных колебаний по упругим связям из-за погрешностейизготовления. В качестве альтернативной была приведена конструкциячувствительного элемента, в котором инерционная масса закреплена врамке. В этом случае возбуждающая сила прикладывается к рамке, ивозбуждает первичные колебания рамки вместе с инерционной массой.Вторичные колебания инерционная масса совершает уже относительнорамки.Этаконструкцияэквивалентнаконструкциигироскопаспоступательным перемещением инерционной массы, который был описанв статье [51], и который в последующем изложении будет упоминаться, какодномассовый гироскоп с дополнительной рамкой.В указанных работах по одномассовым гироскопам исследование ихдинамики и погрешностей не проводилось, математическая модель несоставлялась.Исследованиеуравненийдвижениячувствительногоэлемента одномассовых гироскопов (без рамки) проводилось в [26].Некоторые аспекты применения метода усреднения в матричной формедляанализадинамикиодномассовыхгироскоповичисленногомоделирования изложено в работе [57].Еще одним примером одномассового микромеханического гироскопаможет стать конструкция, описанная в [58].
Здесь приведено описаниеконструкции прибора, принципа работы магнитной системы регистрациивыходных колебаний инерционной массы, формулы для расчета силы,создаваемойсистемойвозбуждения,ирасчетакоэффициентачувствительности гироскопа. Особенности динамики и погрешности неанализировались.С определенным отставанием разработкимикромеханическихгироскопов осуществляются и в России. В докладе НПК "Вектор" [59]11рассматриваетсямикромеханическийвибрационныйгироскопскардановым подвесом инерционной массы, который сформирован из двухпар торсионов с взаимно ортогональными осями.
Влияние термоупругихнапряжений на точностные характеристики оценено для гироскопа,работающего в режиме измерителя проекции угловой скорости основанияна его входную ось. Показано, что наиболее серьезным является влияниетермоупругих напряжений в месте крепления гироскопа к основанию,Приводятся техническое решение, позволяющее минимизировать еговлияние на конструкцию вибрационного гироскопа. Показаны результатырасчетов для двух значений толщины платы 300 и 500 мкм.
Наличие грузаприводит к деформации поверхности микромеханической платы принагреве.Приразноститемпературныхкоэффициентовлинейногорасширения платы и груза 2106 1/С и нагреве до температуры 100 Сдеформация платы составляет примерно 8 нм. Численные результатыпоказали также, что искривление гироскопа вследствие биметаллическогоэффекта является наиболее существенным. Разность температурныхкоэффициентов линейного расширения в 1106 1/С и повышениетемпературы на 100 С приводят к прогибу микромеханической платыпримерно на 30 нм. Чтобы подавить этот эффект, предлагается применитьспециальную плату с вытравленными на ней упругими развязывающимиэлементами. Она позволяет снизить вышеупомянутый прогиб платы до 1,5нм.В другом докладе НПК «Вектор» [60] рассматривается влияниеактивного сопротивления электрических цепей в схемах управленияколебаниямимикромеханическихвибрационныхгироскоповиакселерометров на демпфирование механического колебательного контура.Составлена схема динамической системы, показывающая перекрестныесвязи электрических цепей и механического осциллятора, к на основе ееанализа предложены меры по предотвращению снижения добротности12гироскопаилиоптимизациидемпфированиямеханическойчастиакселерометра.
В результате показана возможность и целесообразностьрегулировкидемпфированиямеханическойчастиакселерометрапосредством выбора активных сопротивлений в цепи конденсаторов.1.2. Классификация основных видов микромеханических гироскоповОсновы классификации вибрационных гироскопов изложены в работе[26], где отмечалось, что все известные на настоящий момент типывибрационных гироскопов можно разбить на два класса: роторныевибрационные гироскопы и осцилляторные вибрационные гироскопы.
Воснову такого разделения положен признак, определяемый характеромпервичного движения чувствительного элемента (ЧЭ). Осцилляторныевибрационные гироскопы можно подразделить на два вида: гироскопы ссосредоточенными и с распределенными параметрами.Покажемвмикромеханическихэтойклассификациигироскоповпоместоотношениюсуществующихкостальнымвибрационным гироскопам. В рассмотренной базовой классификациисуществующие микромеханические гироскопы относятся к осцилляторнымвибрационнымгироскопамссосредоточеннымипараметрами.Поколичеству инерционных масс в составе чувствительного элемента,которые совершают вторичные колебания, гироскопы могут бытьдвухмассовыми (камертонный гироскоп) и одномассовыми (кардановый,дисковый, одномассовый с дополнительной рамкой и без нее).
В своюочередь одномассовые гироскопы отличаются по характеру движениячувствительного элемента: вращательное и поступательное. На основанииперечисленных признаков расширенная классификация вибрационных13гироскопов может быть представлена схематически, как показано на рис.1.1.Вибрационные гироскопыРоторныеОсцилляторныеС распределенными параметрамиС сосредоточенными параметрамиДвухмассовыеКамертонныйгироскопОдномассовыеВращательное движение ЧЭКардановый гироскопДисковый гироскопПоступательное движение ЧЭОдномассовый гироскопОдномассовый сдополнительной рамкойРис. 1.1. Классификация вибрационных гироскоповДинамика роторных вибрационных гироскопов в настоящее времядостаточнохорошоизучена[20,21,23-25].Косцилляторнымвибрационным гироскопам с распределенными параметрами относятсяразличные волновые гироскопы, среди которых широкое распространение14получили твердотельные волновые гироскопы.
Кроме этого ведутсяисследования по гироскопам на поверхностных и объемных акустическихволнах. На основании рассмотренных выше опубликованных материаловвидно, что среди осцилляторных гироскопов с сосредоточеннымипараметрамиматематическаямодель науровне принципаработысоставлялась только для камертонных гироскопов.Как следует из приведенной на рис.
1.1 классификации, всесовременныемикромеханическиегироскопы,заисключениемкамертонного, относятся к одномассовым осцилляторным вибрационнымгироскопам с сосредоточенными параметрами. Это объясняется тем, чтоотносительнаяпростотаконструкцииодномассовыхгироскоповпредопределяет большие перспективы с точки зрения миниатюризации.
Вособенности это касается гироскопов с поступательными колебаниямичувствительного элемента. Рассмотренные конструкции одномассовыхмикромеханических гироскопов характерны тем, что они планарные. Этоих свойство определяется технологией изготовления чувствительныхэлементов.Математическаямодельодномассовыхосцилляторныхвибрационных гироскопов с сосредоточенными параметрами на уровнединамики и погрешностей ранее в публикациях не рассматривалась.1.3. Постановка задачи и основные результаты работы, выносимые назащитуАктуальность темы. Анализ публикаций по микромеханическимгироскопампоказал,чтодетальноерассмотрениединамикиипогрешностей таких датчиков в них отсутствует. В частности, не освещеныпогрешности,вызванныеизменениями температуры,пространственнымдвижениемоснования,неидеальностью технологии изготовления и15сборки.Отсутствуютмикромеханическихметодикирасчетагироскопов:основныххарактеристикполосыпропускания,ширинымасштабного коэффициента и его стабильности, смещения нуля иразрешающей способности.
Поэтому актуальным является созданиематематической модели осцилляторных (одномассовых) вибрационныхгироскоповсперспективных,сосредоточеннымиипроведениепараметрами,сравнительногокакнаиболееанализаразличныхконструкций с точки зрения реализации ее в Украине (потребность которойв микромеханических гироскопах в недалеком будущем может исчислятьсянесколькими тысячами штук в месяц).Связь работы с научными программами, планами, темами.Исследования динамики и погрешностей микромеханических гироскоповвыполнялись в соответствии с научными планами Государственногокомитета по науке и технике и проектом Министерства образованияУкраины (тема №2330).Цель и задачи исследования:1. Исследовать динамику микромеханических гироскопов различныхкинематических схем, выявить зависимости, определяющие влияниевращения основания на параметры движения чувствительных элементов, сцелью выработки рекомендаций по расчету, проектированию и улучшениюхарактеристик гироскопов как датчиков угловой скорости.2.Разработатьмикромеханическихматематическуюгироскоповмодельразличныхсхемпогрешностейвусловияхпространственных движений основания, неидеальности изготовления иизмененийтемпературыдлявыработкирекомендацийповыборуконструктивных параметров и уменьшению или исключению влияниявредных факторов.3.
Создать вычислительные программы аналитического и численногомоделирования движения чувствительных элементов микромеханических16гироскопов на подвижном основании, и программы автоматизированногопроектирования конструкций чувствительных элементов.Для достижения поставленных целей в работе решены следующиегруппы задач:1. Разработана и обоснованна математическая модель чувствительныхэлементов гироскопов различных схем, при помощи которой проведеныисследования влияния вращения основания на основные параметрыдвиженияих чувствительных элементов.Исследованыпереходныепроцессы для схем прямого измерения и с обратной связью.2. Исследовано влияние поступательных ускорений и вибраций,гармонического характера измеряемой угловой скорости, перекрестнойчувствительности, таких технологических факторов, как несовпадениеизмерительных и упругих осей, дебаланс, а также изменений температурына точность измерения угловой скорости, выявлены наиболее вредныефакторыивыработаныметодыуменьшенияобусловленныхимипогрешностей.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
