Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Монолитные кремниевые гироскопы



Хотя гироскопы с вращающимся ротором в течение многих лет были практически единственным устройствами применяемыми при построении навигационных уст­ройств, их размеры в настоящее время являются сильно ограничивающим факто­ром. Однако принцип действия таких датчиков не позволяет реализовать их в виде миниатюрных монолитных устройств. К тому же все части традиционных механи­ческих гироскопов: рамки, подвесные конструкции, моторы и роторы, требуют высокой точности при изготовлении и сборке, что обуславливает их высокую сто­имость. Наличие в датчиках таких элементов как моторы и подвесы, приводит к тому, что вследствие их повышенного износа, гироскопы удовлетворяют объявлен­ным характеристикам в течение только ограниченного количества рабочих часов. Поэтому и возникла потребность в разработке альтернативных устройств для опре­деления направления и скорости движения объектов. В ряде случаев глобальная система навигации (GPS) является идеальным выбором, но она не работает в кос­мосе, под водой, и ее невозможно использовать там, где размеры и стоимость дат­чиков имеют решающее значение. Более перспективный метод построения гирос­копов основан на применении микротехнологий, позволяющих реализовать ми­ниатюрные устройства, в которых вращающийся диск заменяется на вибрирующий


вращение

элемент. Такой подход дает возможность использовать технологии, применяемые в электронной промышленности для налаживания серийного выпуска монолитных датчиков ускорений. В дополнение к этому гироскопы вибрационного типа имеют более прочную конструкцию и могут работать в довольно суровых окружающих ус­ловиях, поэтому они нашли широ­кое применение в военных и аэро­космических приборах.

линейное движение
ускорение Кориолиса
(А)
кольцо резонатора
перекла-цины ,
(Б)
(В)
Рис. 8.11. А — ускорение Кориолиса, Б — микро­структура с вибрирующим кольцом, В — влияние ускорения на режимы вибрации кольца

Все гироскопы вибрацион­ного типа основаны на явлении ускорения Кориолиса. Эффект Кориолиса, объясняемый силой инерции, был описан французс­ким инженером-математиком Густавом-Гаспаром Кориолисом в 1835 году. Кориолис показал, что при применении законов Ньютона к телам, перемещаю­щимся внутри вращающейся рамки, в уравнениях движения необходимо учитывать силу инерции, направленную вправо от направления движения тела, при вращении рамки против ча­совой стрелки, и влево — при вра­щении по часовой стрелке

Если тело движется линейно внутри опорной рамки, вращаю­щейся вокруг оси, перпендику­лярной направлению движения, в нем возникает ускорение Кориолиса. Это уско­рение прямо пропорционально скорости вращения тела относительно третьей оси, перпендикулярной плоскости, образованной двумя другими осями (рис. 8.11А). В микрогироскопах вращение заменено на вибрацию, а по величине возникающего ускорения можно судить о скорости движения. В отличие от роторных гироскопов, в которых инерционная масса вращается по кругу, в вибрационных датчиках под­вешенная масса двигается линейно, совершая гармонические колебания.

Существует несколько практических способов построения вибрационных ги­роскопов, но все их можно разделить на три основные группы [6]:

1. Простые вибраторы (масса на пружине, балки),

2. Уравновешенные вибраторы (камертон),

3. Тонкостенные резонаторы (фужеры, цилиндры, кольца)

На практике были реализованы гироскопы всех трех перечисленных типов.

Самый первый вибраторный гироскоп состоял из двухрамочной структуры, подвешенной на двух вращающихся изгибных элементах (рис. 8.12). Структура имеет внутренние прорези, обеспечивающие свободное движение подвижных частей в активной области. Во время работы на внешнюю рамку («мотор») действует крутя­щий момент, возникающий из-за электростатических сил, появляющихся при


подаче на электроды соответствующего управляющего напряжения, в результате чего она совершает колебательные движения с постоянной амплитудой. Эти виб­рации передаются на внутреннюю рамку через внутренний изгибной элемент, вслед­ствие чего инерционная масса также начинает колебаться. Если при этом гироско­пический элемент будет совершать движение с угловой скоростью Wвокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости устройства, сила Кориолиса заставит внутреннюю рамку вибрировать относительно выходной оси с частотой, равной управляющей частоте, и амплитудой, пропорциональной входной скорости W. Мак­симальная разрешающая способность достигается тогда, когда управляющая час­тота, поданная на внешнюю рамку, совпадает с резонансной частотой внутренней рамки. О величине входной угловой скорости судят по изменению емкости между внутренней рамкой и парой электродов. При работе по схеме без ОС угловое пере­мещение внутренней рамки относительно выходной оси пропорционально вход­ной угловой скорости. Это значит, что выходной угол в прямо пропорционален от­ношению моментов инерции, механической добротности W, управляющему углу f0 и входной скорости W, и обратно пропорционален управляющей скорости wп:



(8.15)



входная ось - входная угловая скорость

гироскопический элемент

рамочная структура

ось управляющей вибрации

ось выходной вибрации в .

электроды

При работе по схеме с ОС внутренняя рамка балансируется так, чтобы достигался ноль по фазе и квадратуре. Более подробное описание данного гироскопа приве­дено в [7].

Рис. 8.12.Принципиальная схема вибрационного гироскопа

Одна из последних разработок — гироскоп, относящийся к третьей группе, разработанный British Aerospace Systems and Equipment и ее партнером Sumitomo Precision Products Company Ltd. [8]. Это монолитное кремниевое микроустрой­ство реализовано на основе кольцевого резонатора. Кремний обладает отличны­ми механическими свойствами (см. раздел 18.1.1 главы 18). Например, кремний в кристаллическом состоянии обладает пределом прочности 7 ГПа, что выше, чем для многих видов стали. Если принять во внимание низкую плотность кремния


(2330 кг/м3), можно убедиться, что для своего веса кремниевые кристаллы явля­ются очень прочным материалом. Чтобы гироскоп обладал стабильными харак­теристиками на протяжение всего срока службы вне зависимости от условий ок­ружающей среды, его резонатор изготавливается из кристаллического кремния методом травления. Плоская форма вибрирующего кольца гарантирует концент­рацию всей мощности колебаний внутри одной плоскости. Поэтому в данной конструкции не возникает паразитных связей между плоскостями, что гаранти­рует стабильность параметров колебаний в широком температурном диапазоне. Для корректной работы резонатора подвесная конструкция должна обеспе­чивать ему, как можно, более свободное движение. На рис. 8.11Б показан чув­ствительный элемент такого гироскопа. Резонатор состоит из 6-мм кремниево­го кольца, подвешенного на восьми радиальных гибких перекладинах, прикреп­ленных к опорной рамке 10x10 мм. Токопроводящие дорожки нанесены только на верхнюю поверхность устройства, а контактные площадки для подсоедине­ния проводов расположены на внешней части опорной рамки. Кристалл мето­дом анодного сплавления соединяется со стеклянной пластиной, при этом тем­пературные коэффициенты пластины и кремния должны совпадать. В получен­ной конструкции существует восемь идентичных проводящих контуров, каж­дый из которых состоит: из контактной площадки, опорного ответвления, 1/8 части кольца, следующего опорного ответвления и следующей контактной пло­щадки. Каждое опорное ответвление состоит из двух проводников, принадле­жащих двум соседним контурам, и третьего вспомогательного проводника, рас­положенного между первыми двумя, используемого для снижения емкостной связи. Сюда же для формирования плоскости заземления подсоединена и крем­ниевая подложка. Резонатор возбуждается при помощи любого подходящего пре­образователя, который может быть и оптическим, и электростатическим, и пье­зоэлектрическим, и электромагнитным, и тепловым. Сигнал возбуждения по­дается либо на поддерживающую структуру, либо на сам резонатор. Основная частота колебаний составляет 14.5 кГц. На рис. 8.11 В-Е проиллюстрировано влияние линейного и углового ускорения на резонатор. На рис. 8.11В показан вид резонатора сбоку при отсутствии ускорений, на рис. 8.11Г — влияние ли­нейного ускорения вдоль оси z, на рис. 8.11Д — влияние углового ускорения от­носительно оси х, а на рис. 8.1 1E — влияние углового ускорения относительно оси у. Поскольку положение кольца меняется по отношению к рамке, в конст­рукцию устройства должен входить датчик перемещений, детектирующий дви­жения резонатора: электромагнитный, емкостной, оптический, пьезоэлектри­ческий или тензочувствительный. В рассматриваемом гироскопе используется магнитный принцип преобразований, для чего внутри устройства при помощи магнита из самариевого кобальта формируется магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости кольца. Вся конструкция размещается в стандарт­ном герметичном металлическом корпусе для ИС.

Оптические гироскопы

Многие современные датчики, используемые в системах контроля и управления, реализуются на основе эффекта Саньяка, проиллюстрированного на рис. 8.13 [9]. Два лазерных луча света распространяются в противоположных направлениях


внутри оптического кольца радиуса R, обладающего коэффициентом прелом­ления п. Соответственно один луч перемещается по часовой стрелке (CW), а вто­рой — против часовой стрелки (CCW). Лучу света, чтобы сделать один оборот вокруг кольца, требуется время Dt=2pR/nc, где с — скорость света. Теперь пред­положим, что кольцо вращается с угловой скоростью Wпо часовой стрелке. В этом случае двум лучам, перемещающимся в противоположных направлениях, придется пройти разный путь. Для движущегося по часовой стрелке луча путь составит lcw=2pR+WRDt, а для второго луча - lccw=2pR-WRDt. Следовательно, раз­ница между путями составит:

(8.16)

Очевидно, что для точного измерения W, необходимо корректно определять Dl. Для этого разработаны три типа устройств: (1) оптические резонаторы, (2) интер­ферометры без ОС, (3) интерферометры с ОС.

В кольцевом лазерном гироскопе для определения Dl используются свойства когерентности лазерного излучения. Для возбуждения лазерного излучения в зам­кнутой оптической полости вдоль длины кольца должно укладываться целое ко­личество длин волн. Световые лучи, не удовлетворяющие этому условию, после­довательно проходя оптический путь, интерферируют сами с собой. Для компен­сации изменения длины пути, вызванные вращением кольца, длина волны Я и частота излучения v должны также меняться:



(8.17)


   

Выражение (8.17) является фундаментальным уравнением, связывающим часто­ту, длину волны и путь излучения в кольцевом лазере. При вращении кольцевого лазера со скоростью Wиз уравнения (8.16) вытекает, что световые волны должны растягиваться в одном направлении и сжиматься в другом; это необходимо для получения целого числа длин волн вдоль длины кольца для выполнения крите­рия возбуждения коггерентных волн. Отсюда можно найти разность частот меж­ду световыми лучами. При смешивании двух лучей ча­стота результирующего сигнала определяется выра­жением:

CCW

CW

2R

Рис. 8.13.Эффект Саньяка


 

(8.18)

где А — площадь внутри кольца.

На практике оптические гироскопы стоятся либо на основе оптоволоконного кольцевого резонатора, либо на основе оптоволоконной катушки, состоящей из многих витков оптоволокна [10]. На рис. 8.14А по­казан оптический кольцевой резонатор. Он состоит из оптоволоконной петли, образованной на основе


лазер

оптоволокон­ный кольцевой резонатор

детектор света

детектор света

(А)

фазовый модулятор

CW

поляризатор

лазер

оптоволоконный светоделитель

оптоволо­конный светодели­тель

CCW

(Б)

Рис. 8.14. А — оптоволо­конный кольцевой резо­натор, Б — аналоговый ги­роскоп на основе оптово­локонной катушки ([9])


оптоволоконного светоделителя, имеющего очень низкий коэффициент перекрес­тных связей. Когда частота входящего луча совпадает с резонансной частотой оп­товолоконного кольца, большая часть света остается в нем, а интенсивность излу­чения, дошедшего до детектора, резко падает. Гироскоп, реализованный на основе оптоволоконной катушки (рис. 8.14Б), состоит из источника света и детектора, свя­занных оптоволоконными световодами. Между детектором и вторым разветвите -лем размещается поляризатор. Он служит для обеспечения того, чтобы оба встреч­но направленных луча проходили одинаковый маршрут вдоль катушки [11]. Оба луча смешиваются и направляются на детектор, который регистрирует косинусои-дальные изменения интенсивности излучения, вызванные меняющимся сдвигом фаз между лучами, возникающим из-за вращения катушки. Такие оптические ги­роскопы сравнительно недороги, имеют небольшие размеры и позволяют реализо-вывать датчики вращения с динамическим диапазоном до 10000. Оптические ги­роскопы используются для измерения отклонений от заданного направления дви­жения, угла наклона, в системах стабилизации углового положения и также в сис­темах навигации. Основным достоинством таких датчиков является их способность работать в суровых условиях окружающей среды, где не могут работать механичес­кие гироскопы.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.