lr_mmgyro (814877)

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

Текст из файла

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революциии ордена Трудового Красного Знаменигосударственный технический университет им. Н.Э. БауманаДжепаров И.Э., Кулешов А.В., Фатеев В.В., Щеглова Н.Н.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯк лабораторной работе по курсу«Гироскопические приборы и системы ориентации»Микромеханический датчик угловой скорости(вибрационный гироскоп L-L типа)Москва20090Цель работы – ознакомление с принципом действия, конструкцией и погреш-ностями микромеханического ДУС на базе вибрационного гироскопа L-L типа. Оп-ределение основных характеристик ДУС.Назначение прибора – измерение угловой скорости основания в инерциальномпространстве.В зависимости от типа собственного движения чувствительного элемента гиро-скопа все ВГ делятся на роторные (РВГ: собственное движение чувствительногоэлемента – вращение с постоянной угловой скоростью) и осцилляторные (ОВГ: собственное движение чувствительного элемента - гармонические колебания).Любой осцилляторный микромеханический гироскоп представляет собой телоили несколько тел в упругом подвесе, имеющие две степени свободы и совершаю-щие по этим осям какого-либо рода механические колебания.

Причем в зависимостиот схемы прибора участвовать в этих колебаниях может, как только одно тело, так инесколько тел сразу. Колебания чувствительного элемента гироскопа, создаваемыесистемой возбуждения со специальным приводом будем называть первичными иликолебаниями по оси возбуждения. Вращение основания с абсолютной угловой ско-ростью приводит к возникновению кориолисовых сил инерции, разворачивающихвектор колебаний чувствительного элемента в плоскости, перпендикулярной изме-ряемой угловой скорости. В результате возникают так называемые выходные (вто-ричные) колебания чувствительного элемента или колебания по оси съема. Выход-ной сигнал гироскопа определяется по параметрам выходных колебаний чувстви-тельного элемента и также имеет гармонический вид.Оба движения – возбуждения и съема – в современных конструкциях могутбыть как угловыми, так и поступательными.

Таким образом, в каждом вибрационномгироскопе всегда сосуществуют два колебательных процесса, которые в силу воз-можных инструментальных погрешностей могут оказывать взаимное влияние другна друга. Кроме того, каждое из этих колебаний тем или иным образом связано скорпусом, что приводит к взаимному влиянию корпуса и чувствительного элемента.Настоящая работа посвящена исследованию микромеханического осциллятор-ного гироскопа ADXRS150EB фирмы Analog Device. В этом датчике колебания по1осям возбуждения и съема являются поступательными (линейными).

Такие гироско-пы относятся к вибрационным гироскопам L-L типа (от английского Linear-Linear).В производстве датчика ADXRS150EB, как и в производстве других микроме-ханических датчиков, используются технологии изготовления полупроводниковыхприборов, основной из которых является травление поли- и монокристаллическогокремния и кварца.Датчик ADXRS150EB является интегральным гироскопом, построенным на базетехнологии iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System - интегрированныемикроэлектромеханические системы), объединяющей на одном кремниевом кри-сталле датчик угловой скорости и электронику, обеспечивающую возбуждения пер-вичных колебаний, формирование и предварительную обработку сигнала.Подобная технология позволяет создавать надежные миниатюрные датчики уг-ловых скоростей с очень малой массой, энергопотреблением и низкой стоимостью.Это значительно расширяет области применения гироскопических датчиков.Кинематическая схема и принцип действияКинематическая схема микромеханического ДУС типа L-L представлена на рис.

1.Система координат OXYZ связана с корпусом прибора.Ось OY называется осью возбуждения, ось OX - осью съема информации, а осьOZ является измерительной осью датчика.Чувствительный элемент 1, подвешенный в рамке 2 с помощью упругих (внут-ренних) торсионов 3, обеспечивающих чувствительному элементу степень свободывдоль оси OY. Рамка с чувствительным элементом с помощью упругих (наружных)торсионов 4 подвешена в основании 5, что обеспечивает чувствительному элементустепень свободы вдоль оси OX.Специальная форма торсионов 3, 4 обеспечивает работу торсионов в большейстепени на изгиб, значительно снижая при этом растяжение торсионов, что имело быместо при прямых торсионах.

Таким образом, торсионы дают чувствительному эле-менту свободу линейных перемещений.2Z45Ω3Y2акF0, y3Fк, x41XРис. 1. Кинематическая схема вибрационного гироскопа L-L типаС помощью системы возбуждения по оси OY создаются принудительные гар-монические колебания чувствительного элемента со скоростьюy = y 0 sin ω t .Вращение основания ДУС с угловой скоростью Ω в абсолютном пространствеявляется переносным движением для чувствительного элемента 1. Движение чувст-вительного элемента с относительной скоростью y и переносной скоростью Ω приводит к возникновению ускорения Кориолиса а к = 2Ω × yи силы инерции КориолисаFк = − ma к ,модуль которой будет изменяться по гармоническому закону в соответствии с изме-нением линейной скорости y .

Силы инерции Кориолиса вызывают гармоническиеколебания рамки с чувствительным элементом вдоль оси OX, величина амплитудыкоторых пропорциональна измеряемой абсолютной угловой скорости основания Ω .3Уравнения движенияПриближенные уравнения движения центра масс чувствительного элемента мо-гут быть записаны с помощью принципа Даламбера:OX :− ( m р + m ч ) x − D x x − Cx x + 2m чΩy = 0OY :− m чу − D y y − C y y − 2m чΩx + F0 sin ω t = 0 ,где m ч – масса чувствительного элемента, m р – масса рамки, x, y – перемещенияцентра масс чувствительного элемента относительно системы координат, связаннойс корпусом прибора, Сх , С у – коэффициенты жесткости торсионов по осям OX и OYсоответственно, D x , D y – коэффициенты демпфирования вдоль осей OX и OY соот-ветственно, Ω – измеряемая угловая скорость основания, F0 – амплитудное значениевнешней силы системы возбуждения колебаний, ω – циклическая частота колебанийпо оси возбуждения.В предположении малости влияния колебаний по оси съема на параметры дви-жения по оси возбуждения величиной 2m чΩx по сравнению с остальными моментами по оси OY можно пренебречь.

Таким образом, уравнения движения принимаютвид:( mр + mч ) x + Dx x + Cx x = 2mч Ωy ,m чу + D y y + C y y = F0 sin ω t .Преобразуем уравнения движения по оси OY.у + 2ξ yω 0 y + ω 02 y =где ω 0 =CymчF0sin ω t ,mч- частота собственных колебаний чувствительного элемента вдоль осиOY (резонансная частота по оси возбуждения), ξ y =Dy2 Сymч- относительный коэф-фициент затухания колебаний по оси возбуждения.Под действием силы F0 sin ωt чувствительный элемент совершает гармонические колебания по оси возбуждения, определяемые выражением:4y=(Cилиy=CyF0y− m чω 2) + (D ω)22yω 2ξ yF0ω0sin  ω t − arctg 22ω2 ω2  ω 1− 1 − 2  +  2ξ yω 20ωω00=где λ y =1 ω  ω 1 − 2  +  2ξyω0  ω0  22ω 2ξ yω0χ y = −arctg ω2−1ω 20 Dyω  sin  ω t − arctg  Cy − mчω2  2F0λ yCy =sin ( ω t + χ y ) ,- коэффициент динамичности, - фазовый сдвиг.Для повышения чувствительности датчика колебания чувствительного элементапо оси возбуждения всегда осуществляются в резонансном режиме.

В этом случаечастота возбуждающей силы, а, следовательно, и частота колебаний чувствительногоэлемента равны частоте его собственных колебаний, то есть ω = ω 0 . В резонансномрежиме λ y =1π, χy = − .2ξy2Для возбуждения колебаний используется режим автоколебаний с обеспечени-ем стабилизации амплитуды колебаний.В этом случае y = y 0 cos ( ω t ) и, соответственно, y = y 0 sin ( ω t ) .При возникновении угловой скорости Ω вращения основания вокруг измери-тельной оси OZ под действием кориолисовых сил инерции чувствительный элементвместе с рамкой начинает совершать линейные колебания вдоль оси OX, которые поаналогии с осью OY можно получить, решая уравнение:x+Dx( mр + mч )x +Cx( mр + mч )5x=2m ч( mр + mч )Ωy илиx + 2ξν0 x + ν02 x =где ν0 =2m ч( mр + mч )Ωy ,Cx- частота собственных колебаний вдоль оси OX (резонансная час( mр + mч )тота по оси съема), ξx =Dx2 Сx ( mр + mч )- относительный коэффициент затухания коле-баний по оси съема.Гармонические колебания по оси съема, по аналогии с колебаниями по оси воз-буждения определяются следующим выражением:x=2m чΩy 0λ xsin ( ω t + χ x ) ,Cx ( mр + mч )ω 2ξx1ν0где λ x =,χ x = −arctg 22ω2 ω2  ω−1 1 − 2  +  2ξ x ν20νν00 .В зависимости от соотношения резонансных частот по осям возбуждения и съе-ма осцилляторные вибрационные гироскопы могут работать в двух режимах: доре-зонансном, в том случае если резонансная частота по оси возбуждения меньше резонансной частоты по оси съема ( ω 0 < ν0 ), и резонансном, когда резонансные частотыпо двум осям равны или очень близки ( ω 0 = ν0 ).Датчик угловой скорости ADXRS150EB работает в резонансном режиме.

Ко-риолисова сила инерции по оси OX при этом уравновешивается силой демпфирова-ния, поскольку инерционная сила в резонансном режиме компенсируется силой упругости. Тогда λ x =1π, χx = − .2ξ x2Перемещение по оси съема при этом с точностью до знака определяется сле-дующим выражением:x=2m чΩy 02m чΩy 0cos ( ω t ) =cos ( ω t ) .ξ x Cx ( m р + m ч )D x ν0 ( m р + m ч )6Конструкция датчикаКонструктивная схема датчика угловой скорости представлена на рис.2.481582195397646336782598329471674Рис. 2.

Конструктивная схема микромеханического гироскопа L-L типа1 – чувствительный элемент, 2- рамка, 3 – внутренние торсионы,4 – наружные торсионы, 5 – основание, 6 – электростатический приводсистемы возбуждения, 7 – датчик перемещения по оси съема, 8 – датчикперемещений системы возбуждения, 9 – электростатический приводобратной связи по оси съемаДатчик ADXRS150 состоит из двух механически независимых гироскопов, объ-единенных в единую конструкцию. Каждый гироскоп представляет собой чувстви-тельный элемент 1, подвешенный в основании 5 с помощью двухосного упругогоподвеса.Чувствительным элементам 1 гироскопов задаются поступательные колебатель-ные движения в резонансном режиме, но в противофазе друг другу.

Подобное ис-пользование двух гироскопов позволяет значительно снизить влияние движения ос-нования с переменными величинами ускорений (удар, вибрация) на выходной сигналдатчика. Для этого в датчике реализовано дифференциальное измерение угловойскорости. При использовании двух чувствительных элементов, совершающих разно-направленные колебания, выходной сигнал датчика определяется разностью показа-ний двух гироскопов.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги