Разработка микромеханических гироскопов, имеющих более широкий диапазон измерений - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Разработка микромеханических гироскопов, имеющих более широкий диапазон измерений

Обзор и анализ разработок микромеханических гироскопов и постановка задачи исследования. Разработка структуры и выбор типа модуляции, обобщённая структурная схема автоколебательной системы. Оценка экономической эффективности инвестиционного проекта.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


Микромеханические гироскопы (ММГ) в последние годы становятся объектом все более пристального внимания как со стороны разработчиков инерциальных измерителей, так и со стороны потребителей этой продукции. Привлекательными качествами этих приборов, определившими их уникально быстрое развитие, являются чрезвычайно низкая стоимость, высокая надежность и предельно малые габариты, что достигается преимущественно за счет использования групповых технологий микроэлектроники, адаптированных к изготовлению микромеханических устройств. Чрезвычайно важным является и практически полная совместимость механической части приборов и сервисной электроники [1].
Разработкой ММГ занят ряд ведущих зарубежных фирм, таких как Analog Devices, British Aerospace, Draper Laboratory, Northrop, Honeywell Kearfott, Litton, Delco, Ferranti, Sagem, Bosch, Mitsubishi, Murata, Gyrostar и многие другие. Фирмы, используя различную технологическую и конструктивную базу для создания ММГ, разрабатывают свою концепцию их производства. Подавляющее число создаваемых ММГ основаны на использовании технологий кристаллического кварца, пьезокерамики и кремния. Общим для всех ММГ является принцип возбуждения колебаний чувствительной массы или масс и измерения ее перемещений, порождаемых силами Кориолиса при наличии измеряемой угловой скорости. Отказ от классических схем гироскопов с вращающимся ротором не только устраняет наименее надежные узлы прибора, но и существенно упрощает его конструкцию, делая ее совместимой с технологической базой микроэлектроники.
Разработки ММГ ведутся в ЦНИИ “Электроприбор”, ЗАО “Гирооптика”, Раменском РПКБ, на кафедрах университетов СПб ГУАП, СПб ГПУ, МИЭТ, ТРТУ и других.
Высокая перспективность этого направления подтверждается тем, что микросистемной технике выделен отдельный пункт в списке критических технологий Российской Федерации. Основной задачей сегодня является улучшение метрологических характеристик ММГ, что подтверждает первый подпункт. Наиболее важной задачей является проектирование сверхминиатюрных приборов с ранее недостижимыми массогабаритными, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемых интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологии, а также микроэлектро-механических и микроопто-электромеханических компонентов для контрольно-измерительных, информационно-управляющих и телерадио-коммуникационных систем.
В данной работе предлагается достижение цели улучшения метрологических характеристик ММГ при помощи использования автоколебательных режимов работы и новых конструктивных элементов.
Целью данной работы является разработка микромеханических гироскопов, имеющих более широкий диапазон измерений и большую точность по сравнению с существующими сегодня аналогами, и приближающихся по своим точностным характеристикам к волоконно-оптическим приборам.
1. Обзор и анализ разработок микромеханических гироскопов и постановка задачи исследования
1.1 Обзор и анализ разработок микромеханических гироскопов
ММГ являются электромеханическими системами, в которых энергия вынужденных (первичных) колебаний инерционной массы на упругом подвесе (резонатор) при воздействии переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие влияния на резонатор сил (или моментов) инерции Кориолиса при вращении резонатора с переносной угловой скоростью, вектор которой перпендикулярен вектору мгновенной скорости инерционной массы резонатора.
Первичные колебания называют также режимом движения (РД) или движением по координате возбуждения, вторичные -- режимом чувствительности (РЧ) или движением по координате выходного сигнала.
По виду движения инерционных масс в РД и РЧ различают гироскопы LL-типа (linear-linear) или LL-гироскопы; гироскопы RR-типа (rotary-rotary) или RR-гироскопы и гироскопы LR-типа или LR-гироскопы. В LL-гироскопах инерционные массы в РД и РЧ совершают поступательные перемещения, в RR-гироскопах -- вращательные перемещения, в LR/RL-гироскопах -- различные комбинации поступательных и вращательных перемещений [2].
Наряду с указанными типами разрабатываются ММГ, в которых чувствительный к измеряемой угловой скорости элемент представляет собой упругое кольцо (кольцевой резонатор), скрепленное с корпусом посредством упругих элементов подвеса. Кольцо пульсирует в двух взаимно перпендикулярных направлениях (поперечная упругая волна), т. е. периодически принимает форму овала. При вращении кольца относительно оси, перпендикулярной его плоскости, скорость вращения оси, вдоль которой пульсирует кольцо (большая ось овала), будет меньше скорости вращения корпуса и кольца. Угол отставания несет информацию об угле поворота основания относительно инерциального пространства.
В данном случае генерируется стоячая волна, прецессирующая при появлении переносной угловой скорости основания. Процесс генерирования стоячей волны имеет место и в так называемых стержневых гироскопах. Поэтому гироскопы с кольцевыми и стержневыми резонаторами (вибрация вдоль стержня) можно называть волновыми ММГ [3].
Амплитуда вторичных колебаний инерционных масс очень мала, поэтому требуется резонансная настройка, при которой частоты первичных и вторичных колебаний и собственная частота резонатора близки между собой.
При изготовлении ММГ применяют высокодобротные материалы, такие как кремний, кварц и др. Для возбуждения первичных колебаний, создания сил и моментов компенсации, измерения параметров вторичных колебаний применяют электростатические, магнитоэлектрические, электромагнитные, а с резонаторами из пьезокерамики также пьезоэлектрические преобразователи.
ММГ могут работать в режимах прямого и компенсационного преобразований.
ММГ разрабатываются также в Draper Laboratory (США). Одна из разработок лаборатории -- гироскоп LL-типа, выполненный по кремниевой технологии [4], принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.1.
В этом гироскопе две подвижные инерционные массы, каждая площадью 4 мм 2 , подвешены на упругих элементах относительно базового элемента конструкции из стекла. Массы посредством трех (левый, правый, центральный) электростатических двигателей гребенчатой структуры приводятся в вибрационное движение со скоростью V параллельно плоскости базы. Векторы скоростей находятся в противофазе друг к другу. При наличии угловой скорости Щ вокруг входной оси под действием сил инерции Кориолиса F 1 и F 2 одна масса будет подниматься, а другая -- опускаться по отношению к плоскости вибрации. Чувствительные пластины электродов емкостного преобразователя перемещений формируют выходной сигнал гироскопа. Имеются также пластины для формирования контура электростатической обратной связи.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема двухмассового гироскопа LL-типа
Технология изготовления ММГ основана на травлении кремниевой пластины. Для получения конечной структуры применяются реактивное ионное травление и диффузия бора. Затем структура анодной сваркой прикрепляется к подложке из стекла марки "Pyrex", на которой размещаются электроды. Серийная технология изготовления ММГ была передана корпорации Rockwell International. Гироскоп нашел применение в автомобильной промышленности. Он имеет полосу пропускания 50 Гц и диапазон измеряемых скоростей 50...500 град/с [2].
Общий недостаток двухмассовых ММГ с независимым упругим подвесом каждой инерционной массы -- в сложности обеспечения равенства их собственных частот и синхронности противофазных колебаний. Возможно коробление пластин. Различные варианты конструктивных схем гироскопов с одной инерционной массой приведены в работе [4].
По аналогичной схеме выполнена одна из разработок немецкого института HSG-IMIT (Institute of Micromachining and Information Technology) -- ММГ MARS-LL, схема которого показана на рисунке 1.2. Чувствительный элемент (ЧЭ) относительно анкеров, скрепленных с подложкой, смонтирован на упругих элементах подвеса, которые позволяют ему перемещаться вдоль оси Y относительно рамки и вместе с рамкой -- вдоль оси X. В режиме движения электростатические гребенчатые двигатели обеспечивают перемещение ЧЭ вместе с рамкой и роторными элементами двигателей и датчиков перемещений вдоль оси X. При появлении угловой скорости Щ вокруг оси Z возникающие силы Кориолиса вызывают вторичные колебания ЧЭ (РЧ) вдоль оси Y. Подобные схемы ММГ используются и другими разработчиками [5].
Рисунок 1.2 - Схема гироскопа MARS-LL
Фирма ANALOG DEVICES в 2002 г. приступила к производству ММГ на базе технологии MEMS и в настоящее время серийно выпускает гироскопы ADXRS 150 и ADXRS 300 с диапазоном измерения соответственно 150 и 300 град/с. ММГ имеют полосу пропускания 40 Гц и выпускаются в корпусах габаритом 7Ч7Ч3 мм. Вес гироскопа не превышает 0,5 г, потребляемый ток 5 мА при номинальном напряжении 5 В. Впервые в коммерческих гироскопах данного класса имеется встроенная система автотестирования механических и электронных параметров без отключения гироскопа [2].
ММГ ADXRS представляет собой выполненную на одном кристалле кремния интегральную микросхему со всеми необходимыми электронными компонентами формирования выходного сигнала. В центре микросхемы находятся две микромеханические структуры (рисунок 1.3) из поликристаллического кремния. ЧЭ каждой из структур приводится в режим движения электростатическими гребенчатыми двигателями. Съем сигнала осуществляется при появлении угловой скорости, перпендикулярной плоскости кристалла, аналогичными структурами [6]. В микроструктурах направления колебаний ЧЭ в режимах движения и чувствительности взаимно перпендикулярны, для того чтобы избежать влияния постоянных и виброускорений на выходной сигнал гироскопа.
Рисунок 1.3 - Микроструктура гироскопа ADXRS
Высокочастотный сигнал с емкостных датчиков перемещений поступает на каскады усиления и демодуляции и преобразуется в выходное напряжение, пропорциональное измеряемой угловой скорости. В состав микросхемы входит датчик температуры для компенсации температурных погрешностей и калибровки, а также прецизионный источник опорного напряжения.
Гироскопы ADXRS работают при ускорениях до 2000 g и могут использоваться, например, как автомобильные датчики переворота. Кроме того, их можно применять в интегрированных с GPS системах навигации, в системах стабилизации различных подвижных объектов и во многих других случаях [2].
Одна из первых микроструктур LR-типа, разработанная в Draper Laboratory [7, 8], показана на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 - Микроструктура LR-гироскопа Draper Laboratory
Здесь ЧЭ состоит из двух инерционных масс, связанных через упругие элементы подвеса и рамки с анкерами, скрепленными с подложкой, на которой расположены также статоры гребенчатых структур электростатических двигателей (левого, правого и центрального) и неподвижные электроды емкостных датчиков перемещений, тогда как подвижные электроды размешены на ЧЭ. Режим противофазного движения инерционных масс осуществляется в направлении оси X. При появлении угловой скорости Щ вокруг оси Y (ось чувствительности) инерционные массы под действием сил Кориолиса выходят из плоскости XY в противофазе, вызывая угловые колебания рамки вместе с инерционными массами, которые измеряются емкостными датчиками перемещений [2].
Дрейф первых образцов прибора 0,5...1 град/с в дальнейшем был уменьшен на порядок. Фирма Boeing освоила выпуск гироскопов и успешно применила их в автомобильной промышленности. Подобные гироскопы были использованы в разработанной Draper Laboratory системе управления и наведения реактивных снарядов ВМФ США [9]. Дрейф гироскопов, входящих в систему, составлял 1000 град/ч.
Конструктивная схема RR-гироскопа (базовая в "Draper Laboratory" на ранних стадиях разработки) приведена на рисунке 1.5. Она образована соединением двух рамок, выполненных в виде внешнего 1 и внутреннего 2 плоских элементов, соединенных между собой и с основанием 6 при помощи торсионов 3 и 4, оси которых взаимно перпендикулярны. Для увеличения инерционности на внутреннем элементе расположена дополнительная масса 5. С помощью электростатических датчиков силы наружному элементу / сообщаются первичные угловые колебания относительно оси Y. Эти колебания через торсионы 3 передаются и на внутренний элемент, сообщая ему колебательный кинетический момент. При вращении прибора со скоростью Щ относительно оси Z возникают силы Кориолиса, заставляющие колебаться внутренний элемент относительно оси X (РЧ), амплитуда которых, измеряемая расположенным под внутренним элементом емкостным преобразователем, пропорциональна измеряемой угловой скорости. Первоначально чувствительность прибора составляла 300 град/ч [2].
Рисунок. 1.5 - Схема двухрамочного RR-гироскопа
В Draper Laboratory разработана также конструкция гироскопа с ЧЭ в форме кольца диаметром около 1 мм. Сформированная в кремниевой пластине структура такого гироскопа приведена на рисунке 1.6. Кольцо (ротор) 2 с помощью петлевых упругих элементов 4 закрепляется на центральной втулке 1, связанной с подложкой через упругие элементы 3. Для возбуждения колебаний здесь также используются электростатические датчики силы, а для съема показаний -- емкостной преобразователь.
Рисунок 1.6 - Микроструктура RR-гироскопа Draper Laboratory
Выходное (наклонное) движение кольца воспринимается расположенными под ним пластинами конденсаторного датчика перемещений, выполненными в виде тонкопленочной металлизации на подложке из стекла "Pyrex". Имеется также электрод для компенсации выходного движения при работе гироскопа с обратной связью, компенсирующей момент сил Кориолиса.
На рисунке 1.6 видна гребенчатая структура приводного механизма. К стеклянной подложке прикреплены статорные гребенки, на кольце располагаются роторные гребенки. Имеются также дополнительные изолированные электрические гребенчатые структуры конденсаторных датчиков для измерения амплитуды колебаний кольца, которые могут использоваться в контуре управления с обратной связью. Кольцо крепится к центральной втулке четырьмя элементами, втулка поддерживается двумя элементами, прикрепленными посредством двух стоек к подложке [2].
Также в приборы RR-типа выпускаются фирмами Bosch GmbH и института HSG-IMIT (Германия) [10, 11]. В России разработкой гироскопов RR-типа занимается ЦНИИ “Электроприбор”, схема этого датчика, схожая с кольцевым гироскопом фирмы Draper Laboratory, и его микроструктура представлены на рисунке 1.7 [12].
Рисунок 1.7 - Конструктивная схема и микроструктура RR-гироскопа ЦНИИ “Электроприбор”
На основе обзора и анализа научно-технической литературы, освещающей современный уровень разработки микромеханических акселерометров, установлено, что ММГ с поступательными входными и выходными и колебаниями ЧЭ (то есть ММГ LL-типа) имеют более высокую разрешающую способность по сравнению с ММГ, которые используют в своих ЧЭ угловые колебания (то есть ММГ LR-типа и RR-типа).
Общий недостаток двухмассовых гироскопов с независимым упругим подвесом каждой инерционной массы -- сложность обеспечения равенства их собственных частот и синхронности противофазных колебаний и другие. Однако существенным преимуществом является возможность реализации дифференциальной схемы измерения.
Обзор и анализ научно-технической литературы показывают, что, в основном, разработчики микромеханических датчиков используют электростатические компенсирующие преобразователи и ёмкостные датчики перемещения. Реализация в микромеханическом приборе электростатического принципа преобразования приводит к низким силовым характеристикам, что приводит к малым перемещениям ЧЭ. Таким образом, необходима регистрация крайне малых ёмкостей (на уровне фемтофарад). В этом случае переходные ёмкости в схеме больше или сопоставимы с измеряемой величиной изменения ёмкости ДП. Кроме того, масса ЧЭ в рассмотренных разработках относительно мала. Указанные выше факторы приводят к уменьшению чувствительности, существенному сужению диапазона измерений и увеличению погрешности датчиков.
На пути совершенствования ММГ стоит много проблем, требующих решения на новом уровне развития мехатроники. Они, прежде всего, связаны с поиском новых технологических приемов формирования микромеханических структур с необходимыми характеристиками размеров, разработкой системы съема показаний, устойчиво работающей при микроперемещениях ЧЭ, и обеспечением требуемых характеристик чувствительности в низкочастотной области рабочих частот. От того, насколько удастся продвинуться в решении этих проблем ученым, инженерам, технологам, будет очевидно зависеть и будущее ММГ.
Возникает идея использования новых элементов: магнитных ДС и оптоэлектронных ДП.
Очевидно, что для решения вставших перед приборостроителями в области микромеханики задач требуется новый подход: учёт опыта построения классических датчиков при отсутствии стереотипности мышления.
Целью данной дипломной работы является разработка ММГ, имеющих более широкий диапазон измерений и большую точность по сравнению с существующими сегодня аналогами, и приближающихся по своим точностным характеристикам к волоконно-оптическим приборам.
Для решения поставленных задач предлагается использовать автоколебательные низкочастотные режимы работы в дорезонансной области. Реализация этих режимов требует использования новых элементов: датчиков положения (ДП) и датчиков силы (ДС). Поиск конструкций таких элементов является одной из задач, поставленных в данной дипломной работе. Предполагаемые требования к характеристикам разрабатываемого ММГ, а также требования к характеристикам RR-гироскопа ЦНИИ “Электроприбор” [12] и характеристики LL-ММГ ADXRS 401 приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Требования к характеристикам ММГ
Коэффициент преобразования, мВ/ 0 /с
(без использования дополнительных усилителей)
Нестабильность коэффициента преобразования, %
2. Разработка структуры микромеханического гироскопа
При создании навигационных инерциальных приборов, например, микромеханических акселерометров и датчиков угловой скорости, важно добиться высокой чувствительности. Сегодня приборостроители часто решают эту задачу путем уменьшения жёсткости подвеса подвижных частей прибора, что, как правило, влечет за собой сокращение диапазона измерений и понижение его точности [13]. Для решения этой проблемы разработчики используют создание резонансных режимов колебаний с амплитудной модуляцией (АМ) сигнала. Однако изучение построенных на этом принципе приборов, а также теоретическое и экспериментальное исследование таких режимов показывают, что существенного успеха в достижении повышения точности высокочувствительных приборов достигнуто не было [14].
Частотная (ЧМ) или временная модуляция (ВМ) сигнала, обеспечивают большее количество информации, полученной в процессе измерения, что приводит к расширению диапазона измерения и повышению точности. Одним из вариантов перехода к ЧМ или ВМ является режим автоколебаний. Сравнение количества информации, получаемого при различных видах модуляции входного сигнала, показано на рисунке 2.1 [15].
Рисунок. 2.1 - Информационная способность сигналов с различными типами модуляции
Получение информации в процессе измерения закономерно связано с поступлением некоторого количества энергии на вход ЧЭ, величина этой энергии и её соотношение с энергетическим уровнем помех определяет количество информации [15].
При одной и той же энергии сигнала (Pt) ВМ обеспечивает большее число достоверно различимых градаций измеряемого процесса (q), её негэнтропия выше, чем при АМ. При потреблении от объекта измерения той же мощности и при той же затрате времени при использовании ВМ может быть получена в 6 раз большая точность измерений, или при той же точности могут быть в 36 раз понижены потребление мощности или затрата времени.
Еще одним важным преимуществом ВМ является наличие высокоточных образцовых мер времени. Так как большинство измерительных устройств предназначено для относительных, а не абсолютных измерений, то практический предел реализации возможностей того или иного типа входного процесса, помимо затрат времени на измерение, определяется пределом точности образцовой меры, по которой может быть проградуирован и аттестован прибор. В случае АМ практическая точность образцовых мер электрического напряжения, которые могут быть использованы в приборе, ограничена пока значениями погрешности 0,02--0,01%. Образцовые меры времени в виде генераторов с кварцевой стабилизацией обеспечивают достижение погрешности порядка % (10 -7 - 10 -8 с).
ЧМ сигнала отличается от AM и ВМ другим соотношением между информацией и энергией. Если при AM и ВМ q пропорционально , то при ЧМ оно почти пропорционально Pt. Это обеспечивает достижение при ЧМ требуемой точности не путем дополнительной затраты времени или потребления, а одновременной экономией этих затрат по сравнению с АМ примерно в десятки раз. [15]
Таким образом, для улучшения характеристик рассматриваемого типа приборов необходимо использовать новые физические принципы построения, реализующие ВМ или ЧМ сигнала, формирующего первичную измерительную информацию.
Одним из таких физических принципов является использование в электромеханических приборах компенсационного типа режима автоколебаний.
2.2 Обобщённая структурная схема автоколебательной системы
Система называется автоколебательной, если в ней происходит преобразование энергии постоянного источника в энергию колебаний при отсутствии внешнего периодического воздействия. Вид и свойства этих колебаний (частота, амплитуда, форма) определяются самой системой и не зависят от начальных условий. Таким образом, необходимыми элементами такой системы являются: колебательный узел системы; источник постоянной энергии, восполняющий неизбежные в реальной системе потери; элемент, управляющий поступлением энергии в колебательный узел; цепь обратной связи между колебательным узлом и ключом. Именно эта обратная связь, определяющая количество энергии, поступающей на колебательное звено от источника, и отличает автоколебания от вынужденных колебаний.
В повседневной жизни можно встретить множество примеров автоколебательных систем: биение сердца; голос человека и животного; незатухающие колебания маятника часов; игра духовых и смычковых музыкальных инструментов, формирование лазерного луча. Процессы энергетического обмена в природе происходят оптимальным образом. Как и во многих других отраслях, здесь наука могла бы многое почерпать, перенимая опыт естественных процессов. Однако пока чаще в технических системах внимание обращается на вредные случайные автоколебания, отрицательно сказывающиеся на свойствах объектов или даже разрушительные. Необходимо попытаться найти способы извлечения пользы из автоколебательных режимов. В приборостроении таким системам пока не было уделено должного внимания. Использование автоколебательных систем при создании инерциальных датчиков может принести существенные преимущества. [14]
При создании датчиков, работающих в режиме автоколебаний, колебательной системой становится подвижный узел (ПУ) прибора, а обратная связь приобретает силовой характер. Реализация автоколебаний накладывает особые условия на выбор компенсирующего преобразователя (КП). ЧЭ обеспечивает взаимодействие датчика с измеряемой физической величиной и формирует входное воздействие, прикладываемое к подвижному узлу. Силовая обратная связь формирует компенсирующее воздействие, которое из-за наличия релейного элемента, формируемого на основе ДП и усилителя-преобразователя (УП), имеет импульсную форму. Автоколебания подвижного узла поддерживаются поступлением энергии от некоторого источника, которое регулируется движением самой системы. При этом силы, создаваемые КП, будут иметь знакопеременный характер, вызывающий колебания подвижного узла. Обобщённая структурная схема автоколебательного датчика представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - Обобщённая структурная схема автоколебательного датчика
В данном случае появляется возможность регистрировать для получения информации время, так как глубина модуляции выходного сигнала пропорциональна входному воздействию. Как уже было сказано, временная модуляция превосходит по информационным параметрам амплитудную, а значит, обеспечивает большую точность измерения.
Кроме того, автоколебательные системы имеют значительно более высокие характеристики преобразования энергии, позволяющие при существенно меньшем потреблении энергии получить большее количество информации. [16]
2.3 Структурная схема микромеханического гироскопа
Структурная схема ММГ, работающего в режиме автоколебаний, представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Структурная схема автоколебательного микромеханического гироскопа
Первоначально оба чувствительных элемента ММГ (ЧЭ1 и ЧЭ2) приводятся в противофазные колебания по оси возбуждения. Датчик положения ДП1 определяет положение ЧЭ1 относительно оси возбуждения. Сигнал с ДП1 поступает на компаратор К1, выходное напряжение которого управляет ключом Кл1. Датчик силы ДС1 приводит ЧЭ1 в колебания в соответствии с сигналом, поступающим на ДС1 от Кл1. Аналогичным образом сигнал противоположной фазы поступает на ДС2, что приводит ЧЭ2 в противофазные с ЧЭ1 колебания.
При наличии угловой скорости по оси чувствительности ММГ ЧЭ1 и ЧЭ2 будут колебаться в противофазе относительно выходной оси вследствие действия силы Кориолиса. Датчики положения ДП2 и ДП3 Датчик положения ДП1 определяют положение соответственно ЧЭ1 и ЧЭ2 относительно осей возбуждения. Сигналы на выходе ДП2 и ДП3 усиливаются усилителями У1 и У2 и поступают на амплитудные детекторы АД1 и АД2 соответственно, а затем через аналого-цифровой преобразователь АЦП на микроконтроллер МК. Сигнал на выходе МК несёт информацию об измеряемой ММГ угловой скорости. Как было установлено на основе обзора и анализа разработок ММГ, использование двух ЧЭ позволяет, реализуя дифференциальную схему измерения, нивелировать многие погрешности ММГ.
В процессе разработки данного ММГ было установлено, что без введения дополнительных элементов в структурную схему на выходе ключей Кл1 и Кл2 можно получать информацию и о линейном ускорении вдоль оси возбуждения. Этот сигнал также поступает через аналогово-цифровой преобразователь АЦП в микроконтроллер МК. Таким образом, автоколебательный ММГ будет являться и микромеханическим акселерометром (ММА) с осью чувствительности совпадающей с осью возбуждения ММГ.
3. Выбор и расчёт элементов конструкции автоколебательного микромеханического гироскопа
3.1 Анализ характеристик ёмкостных датчиков положения
Наиболее часто сегодня в микромеханических приборах используются ёмкостные ДП [17, 18, 19, 20]. Их принцип действия основан на измерении величины изменения ёмкости дифференциального конденсатора с подвижной средней пластиной.
Изменение дифференциальной ёмкости генератора определяется соотношением
где - диэлектрическая проницаемость воздуха или газа, S - площадь электрода датчика (одна пластина), h + - положительный зазор датчика, h - - отрицательный зазор датчика [21].
После разложения знаменателей в ряд Тейлора и соответствующих преобразований соотношение для оценки изменения выходной ёмкости датчика принимает вид
- номинальная емкость датчика (одной пары пластин).
Полученное выражение показывает, что выходной сигнал датчика имеет нелинейную зависимость от изменения зазора . Кроме того, как было установлено в обзоре разработок ММГ, необходимо осуществлять регистрацию крайне малых ёмкостей. Так для ММГ ADXRS, представленного на рисунке 1.3, ёмкость ДП составляет приблизительно 7 фемтофарад. В этом случае переходные и внутренние ёмкости в схеме больше или сопоставимы с измеряемой величиной изменения ёмкости ДП.
Для датчика положения наиболее перспективным является использование оптоэлектронных преобразователей, построенных на основе бескорпусных элементов [14]. В таких ДП подвижная пластина модулирует световой поток, что приводит к соответствующему изменению сигнала фотоприемника. Как правило, оптоэлектронные ДП не требуют применения опорных сигналов, что существенно упрощает схему ДПИ. Одним из способов реализации оптоэлектронного ДП является использование волоконно-оптических элементов.
3.2 Использование в датчиках положения волоконно-оптических элементов
Учитывая конструктивные особенности ММГ в них целесообразно использовать волоконно-оптические ДП с вынесенными излучателем и приемником сигнала. Существенной особенностью световодов в волоконно-оптических ДП является симметризация пучка лучей и усреднение освещенности по выходном торцу световода. Симметризация лучей внутри жилы приводит к усреднению распределения света по выходному торцу и его равномерной освещенности. Эти свойства световодов являются одной из предпосылок линейности характеристик волоконно-оптических преобразователей перемещения непрозрачного тела. Весьма ценно и еще одно свойство световодов - их способность к светопередаче через сильно изогнутые участки. При радиусе изгиба световода R, не превышающем 6-7 диаметров световода , относительное (по сравнению с прямым световодом) светопропускание составляет около 60% [16].
В микромеханических приборах ДП может представлять собой систему из двух коаксиальных световодов, в зазор Д между параллельными торцами которых помещено непрозрачное тело - ПУ. Если осветительный световод соединен с источником света, а приемный световод (радиусом ) -- с фотоприемником, то сигнал последнего и будет связан с перемещением непрозрачного тела в направлении, перпендикулярном оптической оси системы. Эта связь будет однозначной при выполнении условия . Если яркость света постоянна по сечению луча, достигающего приемного световода, то световой поток, поступающий в фотоприемник, будет пропорционален площади перекрываемой части сечения приемного световода. При этом сигнал фотоприемника пропорционален световому потоку и значение безразмерного сигнала определяется соотношением
Характерной особенностью зависимости , рассчитанной по (3.3), является наличие участка, близкого к линейному в диапазоне .
Эта зависимость при принятых допущениях относи
Разработка микромеханических гироскопов, имеющих более широкий диапазон измерений дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Подземные Сооружения Реферат
Реферат: Justice Essay Research Paper JusticeWhat problems in
Роль Медицинского Работника В Будущем Сочинение
Доклад по теме Гарриет Бичер Стоу
Курсовая работа по теме Формы и методы психотерапии
Реферат: Героические сражения Великой Отечественной войны
Реферат: История развития электронно-вычислительных машин
Бедность В Развивающихся Странах Эссе
Дипломная работа по теме Проект станции технического обслуживания для легковых автомобилей с детальной разработкой зоны технического обслуживания и ремонта
Реферат по теме Фізичні особи як суб’єкти міжнародного права
Курсовая работа по теме Оновлення техніко-технологічної бази виробництва
Почему Важна Связь Между Поколениями Сочинение
Реферат по теме Основные проблемы образования
Финансовое Состояние Курсовая
Реферат по теме Искусство Барокко
Дипломная работа: Право собственности на землю в Российской Федерации на современном этапе
Реферат О Киевском Князе Владимире Красно Солнышко
Контрольная работа по теме Сбалансированность бюджета. Дефицит и профицит бюджета
Реферат: Балансовый метод в статистическом изучении трудовых показателей 3
Дипломная работа по теме Снижение себестоимости продукции путем использования организационно-экономических методов (на примере ПО "Белорусский автомобильный завод")
Зіставний аналіз періодичних видань для дітей християнського і світського характеру - Журналистика, издательское дело и СМИ курсовая работа
Условия труда на предприятии и пути их улучшения - Безопасность жизнедеятельности и охрана труда курсовая работа
Органы государственного управления в сфере экономики и промышленности. Контроль и надзор - Государство и право реферат