Инновационные технологии создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа Образцов Роман Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор научно-технической информации 11

1.1. Области применения и основные типы гироскопов 11

1.2. Вибрационные гироскопы. Состояние разработок и производства гироскопов. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки 23

1.2.1. Микромеханические гироскопы 23

1.2.2. Диафрагменный вибрационный гироскоп 25

1.2.3. Камертонные вибрационные гироскопы 29

1.2.4. Балочные твердотельные вибрационные гироскопы 33

1.2.5. Балочные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы 35

1.2.6. Состояние разработок и производства гироскопов 37

1.2.7. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки 42

Глава 2. Исследование и разработка миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа 44

2.1. Выбор пьезоэлектрического материала и разработка конструкции чувствительного элемента вибрационного гироскопа 44

2.2. Разработка алгоритма настройки чувствительного элемента вибрационного гироскопа 64

2.3. Исследование и разработка упругих подвесов для балочного биморфного чувствительного элемента вибрационного гироскопа 72

2.4. Разработка электрической схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа 78

Глава 3. Разработка технологии изготовления миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа 90

3.1. Технология изготовления пьезокерамических биморфных балок 90

3.2. Технология изготовления и монтажа упругих подвесов на биморфную балку. Сборка чувствительного элемента 97

3.3. Балансировка чувствительного элемента балочного вибрационного гироскопа 99

3.4. Разработка принципов настройки параметров балочного вибрационного гироскопа 107

3.5. Корпусирование и маркировка балочного вибрационного гироскопа 116

Глава 4. Исследование и измерение характеристик миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа 118

Основные результаты и выводы по работе 126

Список литературы 128

Приложение

• Вибрационные гироскопы. Состояние разработок и производства гироскопов. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки
• Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки
• Разработка алгоритма настройки чувствительного элемента вибрационного гироскопа
• Технология изготовления и монтажа упругих подвесов на биморфную балку. Сборка чувствительного элемента

Введение к работе

Актуальность работы. В настоящее время существует необходимость решать ряд задач связанных со стабилизацией курса различных объектов, с определением их местоположения в пространстве, а также получения информации об их угловых скоростях, углах поворота и производных величии от этих параметров. Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплутационпым характеристикам гироскопических приборов стимулировали исследователей многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания приборов для обнаружения вращения или угловой скорости объекта в пространстве, а также определения производных величин от этого параметра.

Типы, принципы построения и конструктивные исполнения гироскопов столь же разнообразны, как и области их применения.

Не являются исключением и пьезоэлектрические гироскопы, широко используемые в системах наведения, автомобильной промышленности, авиамоделировании, роботостроении, бытовой технике и игрушках. Гироскопы для таких применений должны обладать малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением, а также достаточно высокой надёжностью.

Уникальное сочетание электрофизических параметров и упругих характеристик пьезокерамики позволяет прогнозировать создание в ближайшее время пьезогироскопов с повышенной точностью и чувствительностью. Исключительно большими возможностями для решения этих задач обладает метод конечных элементов, с использованием которого решаются практически все перспективные задачи пьезомеханики. К таким задачам, в частности, относится и проблема создания миниатюрного биморфного вибрационного пьезогироскопа. Интерес к этим устройствам обусловлен с одной стороны простотой конструктивно-технологического исполнения и малыми габаритами, с другой стороны возможностью получения наукоемкого изделия с заданными характеристиками и низкой себестоимостью.

Сейчас выпускают вибрационные гироскопы в основном фирмы в США и Японии, такие как «Analog Devices», «Silicon Sensing Systems», «Fujitsu», «Murata», «Nee», «Tokin». В России же в настоящее время производство таких гироскопов отсутствует, тогда как ожидается, что рынок только автомобильных гироскопов достигнет порядка $4 млрд. в 2011 году, что отражает приблизительно 30%-ный совокупный средний темп роста между 2001 и 2011 годами.

Всё это определяет целесообразность и актуальность работы. Таким образом, возникает необходимость решения следующих задач:

1. Разработка математической конечно-элементной модели и выполнение математического моделирования методом конечных элементов конструкции чувствительного элемента пьезоэлектрического вибрационного гироскопа с учётом сокращения времени настройки и приложения внешней угловой скорости;

2. Развитие инновационных технологий производства пьезоэлектрических вибрационных гироскопов на основе анализа результатов моделирования чувствительного элемента при необходимости повышения качества изделий и снижения трудозатрат;

3. Разработка методики настройки пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа применительно к его мелкосерийному производству;

4. Разработка физических и технологических принципов построения схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа с целью обеспечения стабильной работы гироскопа в условиях перепада температур минус 40 С - плюс 85 С;

5. Разработка конструкторской и технологической документации для мелкосерийного производства пьезоэлектрических балочных вибрационных гироскопов.

Объектом исследования диссертационной работы является миниатюрный пьезоэлектрический балочный вибрационный гироскоп.

Предмет исследования: решение научно-методической задачи по развитию инновационных технологий создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа.

Методы исследования. Для решения основных задач по теме диссертационной работы использовался аппарат программного конечно-элементного моделирования в применении к пьезоэлектрическим структурам; экспериментальные исследования базировались па положениях теории измерения, планирования эксперимента, а также применялись методы автоматизации конструирования и оптимизации изделий пьезотехники. Полученные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики.

Достоверность результатов подтверждается высокой степенью корреляции данных, полученных расчетным путем методом конечных элементов, с данными, полученными экспериментально при внедрении результатов работы в производство.

Научная новизна работы заключается в следующем:

6. Разработаны основы инновационных технологий изготовления чувствительных элементов пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа и методика организации технологической подготовки производства изделия в целом на базе математического конечно-элементного и натурного моделирования;

7. Разработан технологический процесс настройки чувствительного элемента гироскопа, обеспечивающий повышение качества изделий в приборостроительном производстве с 20 % до 95 % годных;

8. Разработана инновационная технология по корректировке параметров сечения биморфной балки на стадии распиловки поляризованной биморфной пластины для снижения трудоемкости изготовления изделия в целом в условиях мелкосерийного и серийного производства;

9. На основе натурного и конечно-элементного моделирования предложен конструктивный вариант подвесов, обеспечивающий повышение чувствительности гироскопа практически в полтора раза с 5 мВ/7с до 7 мВ/7с и требующий меньшей монтажной площади в два раза (3 мм") по сравнению с известными Z-образными подвесами;

10. Разработаны конкретные конечно-элементные модели нескольких вариантов чувствительных элементов пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа с возможностью конструктивно-технологического исполнения для поверхностного монтажа, на основе чего выработаны предложения по созданию новых конструктивных исполнений и технологических решений для производства разработанного гироскопа;

11. На основе анализа и результатов натурного моделирования предложена электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа в условиях перепада температур минус 40 С - плюс 85 С. Создана конструкция интегрального исполнения электрической схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа, обеспечивающая снижение трудоемкости сборки электрической схемы в целом, повышения качества и надежности гироскопа.

Практическая значимость диссертационной работы. На основе полученных в процессе работы результатов реализованы следующие технические решения:

- снижены весовые показатели пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа более чем в шесть раз, габаритные - в семь раз по сравнению с ранее разработанным в ОАО «НИИ «Элпа» ударопрочным балочным

вибрационным гироскопом с использованием пьезокерамики БВГ-3 для специального применения при сохранении его основных функциональных возможностей. Решение этой задачи позволило создать миниатюрный гироскоп, отвечающий всем требованиям технологии монтажа электронных компонентов;

использование автором инновационного подхода к изготовлению чувствительного элемента гироскопа повысило эффективность работы гироскопа -качество преобразования угловой скорости в электрическое напряжение за счет повышения механической добротности чувствительного элемента;

повышена чувствительность гироскопа практически в полтора раза по сравнению с известными Z-образными подвесами с 5 мВ/7с до 7 мВЛУс за счёт применения разработанных упругих подвесов для чувствительного элемента;

увеличен процент выхода годных изделий с 20 % до 95 % за счет применения разработанного алгоритма настройки чувствительного элемента.

Проведенные в работе натурное моделирование настройки гироскопа и комплекс расчетов позволили получить результаты, на основе которых разработана методика настройки пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа применительно к его мелкосерийному производству.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены:

в производство ОАО «НИИ «Элпа» при выполнении ряда опытно-конструкторских работ: «Разработка технологии изготовления пьезокерамических биморфньтх гироскопов, включая методы контроля н аттестации по параметрам», «Разработка интеллектуальных малогабаритного угломерного пьезоэлектрического сенсорного модуля, а также модуля сенсорного акселерометрического (МСА) для автоматизированных систем наведения ориентации и телеметрии», «Разработка малогабаритного пьезоэлектрического гироскопа для малогабаритных инерциальных навигационных систем»;

при разработках НКТБ «Пьезоприбор» в рамках опытно-конструкторской работы по созданию вибрационного трубчатого пьезогироскопа.

На защиту выносятся следующие положения:

12. Математические конечно-элементные модели и результаты моделирования методом конечных элементов пьезоэлектрических балочных биморфных чувствительных элементов гироскопа;

13. Инновационные технологии создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа, включающие следующие новые конструктивно-технологические решения:

подвесы в виде прямоугольных плоских рамок с торсиоиами для биморфной балки;

способы настройки чувствительного элемента и параметров гироскопа;

электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа;

3. Алгоритм настройки чувствительных элементов и методика настройки параметров пьезоэлектрических балочных биморфных вибрационных гироскопов;

4. Результаты исследований влияния технологических дефектов, возникающих при производстве пьезокерамических биморфных балок, на свойства чувствительного элемента и гироскопа в целом.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. VI международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехиологий». 22-26 сентября 2008г. г.Анапа;

2. Научно-технических советах и защитах ОКР, проводимых ОАО «НИИ «Элпа».

Публикации. Материалы, отражающие результаты исследований по теме работы, опубликованы в пяти статьях (три из них в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК), в 3-х научно-технических отчетах по опытно-конструкторским работам в ОАО «НИИ «Элпа», двух научных докладах в трудах Международных конференций и в двух патентных заявках на изобретение. Публикации выполнены в соавторстве с Паничем А.Е., Шахворостовым Д.Ю., Гриценко А.Л., Сафроновым А.Я., Климашиным В.М. Без соавторов опубликованы две работы.

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертации получены лично автором. Автор непосредственно участвовал в планировании, выборе объектов и проведении диссертационного исследования, а также в ряде ОКР: «Разработка технологии изготовления пьезокерамических биморфных гироскопов, включая методы контроля и аттестации по параметрам», «Разработка малогабаритного пьезоэлектрического гироскопа для малогабаритных инерциальных навигационных систем», по программе союзного государства «Россия-Белоруссия» - Функциональная СВЧ электроника «Разработка интеллектуальных малогабаритного угломерного пьезоэлектрического сенсорного модуля, а также модуля сенсорного акселерометрического (МСА) для автоматизированных систем наведения ориентации и телеметрии».

9 В обсуждении и интерпретации полученных результатов принимали участие: профессор Панич А.Е., Головний А.В., Шахворостов Д.Ю., МитькоВ.Н. и Крамаров Ю.Л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 102 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 98 наименований и 6 приложений. Полный объем диссертации составляет 174 страницы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, ее научное и практическое значение, определяются объекты исследования, формулируются цели и задачи работы, обосновывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены основные понятия и задачи гироскопии, а также области применения гироскопов. Обосновано, что гироскоп с чувствительным элементом из пьезоэлектрического материала обладает рядом преимуществ по сравнению с чувствительными элементами из других активных материалов, не обладающих пьезоэффектом. Проанализировано современное состояние производства гироскопов и показана необходимость создания гироскопов, обладающих малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью, энергопотреблением и достаточно высокой надёжностью.

Описаны основные принципы построения и функционирования гироскопов и их чувствительных элементов, проведен анализ конструкций и особенностей работы чувствительных элементов существующих гироскопов, в том числе с использованием пьезокерамики. Представлен обзор российских разработчиков и производителей гироскопической продукции с приведением основных технических характеристик. Обоснован выбор исследования, разработки и производства миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфпого вибрационного гироскопа.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа. Проведен анализ характеристик пьезоматериалов и известных принципов построения чувствительных элементов подобных датчиков, осуществлен выбор конкретного пьезоэлектрического материала. Выявлена наиболее перспективная конструкция чувствительного элемента вибрационного пьезогироскопа — биморфная балка.

Автором разработаны программы для ЭВМ по расчету конструкции чувствительного элемента вибрационного гироскопа из выбранного пьезоэлектрического материала ЦТС-47, для создания алгоритма настройки чувствительного элемента и для исследования и разработки упругих подвесов

10 биморфной балки вибрационного гироскопа. Предложена новая конструкция упругих подвесов, обеспечивающая большую чувствительность пьезогироскопа. По результатам моделирования оценено влияние технологических дефсісгов чувствительного элемента па его характеристики и определены допуски на некоторые параметры чувствительного элемента.

Спроектирована электрическая схема возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов и изготовлена в интегральном исполнении совместно с ЗАО «ПКК Миландр».

В третьей главе описана технология производства миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа.

Новая технология создана с использованием современного оборудования и ориентирована на переход к мелкосерийному производству с минимальным внесением изменений. Она включает в себя все стадии производства от спекания пьезокерамических пластин-заготовок в биморфную пластину до корпусирования гироскопа и его маркировки.

Особое внимание уделено расчёту ширины сечения биморфной балки с учётом толщины биморфной пластины и глубины основного пропила для обеспечения максимальной чувствительности гироскопа. Рассмотрены вопросы изготовления и монтажа упругих подвесов, сборки, настройки масштабного коэффициента и нулевого сигнала гироскопа.

Четвертая глава посвящена исследованию и измерению характеристик изготовленного гироскопа, а также методикам и результатам испытаний. Разработанные методики позволили измерить время выхода на рабочий режим, дрейф нулевого сигнала, масштабный коэффициент и его нелинейность, полосу пропускания и некоторые другие специфические характеристики.

Приведены результаты испытаний изделия по ГОСТ РВ 20.39.414.1-97 группа ЗУ с некоторыми уточнениями.

В разделе «Основные результаты и выводы по работе» приведены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Приложения содержат список основных публикаций автора по теме диссертации, тексты программ для ЭВМ по расчёту чувствительного элемента пьезогироскопа, дополнительные сведения о интегральной микросхеме, чертежи с требованиями к параметрам заготовок для чувствительного элемента гироскопа, пояснения к сборке гироскопа, а также копии документов, подтверждающих внедрение результатов работы.

II Глава 1. Обзор научно-технической информации

1.1. Области применения и основные типы гироскопов

Гироскопы широко известны как датчики, предназначенные для обнаружения движения вращения или же угловых скоростей объектов.

В настоящее время существует необходимость решать ряд задач связанных со стабилизацией курса различных объектов, с определением их местоположения в пространстве, а так же получения информации об их угловых скоростях, углах поворота и производных величин от этих параметров. Эти задачи подразделяют на следующие группы:

определение угловых отклонений объекта. Сюда относятся различные астатические и позиционные гироскопы, а именно: гироскопы направления, определяющие азимутальные отклонения объекта (углы рыскания корабля или летательного аппарата), и гировертикали или гиромаятники, определяющие отіслонения объекта относительно плоскости горизонта (углы килевой и бортовой качки корабля, углы тангажа и крена летательного аппарата);

определение угловых скоростей и угловых ускорений объекта, в которых используются дифференцирующие гироскопы: гиротахометры и вибрационные гироскопы, определяющие угловые скорости вращения объекта и гиротахоакселерометры, определяющие угловые скорости и угловые ускорения вращения объекта;

определение интегралов от входных величин, в которых используются интегрирующие гироскопы: гироскопические интеграторы угловых скоростей, определяющие углы отклонения объекта; иптегро-дифференцирующие гироскопы, определяющие углы и угловые скорости вращения объекта, а также гироскопические интеграторы линейных ускорений, которые служат для нахождения линейной скорости объекта;

осуществление стабилизации объектов или отдельных приборов и устройств, а также для определения угловых отклонений объекта производят гиростабилизаторами;

выполнение навигационных функций. Сюда относятся: гирокомпасы, определяющие курс объекта и азимут (пеленг) ориентируемого направления; гиромагнитные компасы, определяющие магнитный курс объекта, гирошироты, предназначенные для определения широты места; гирошироткомпасы, с помощью которых определяются курс и широта местоположения объекта; гирогоризонткомпасы, служащие для определения курса объекта и углов отклонения его относительно плоскости горизонта, инерциальные навигационные системы, которые предназначены для нахождения ряда параметров, необходимых

для навигации объектов; гироорбнтанты, которые служат для определения углов рыскания, искусственного спутника Земли; гирорулевые, обеспечивающие автоматическое управление курсом корабля [1-5].

Для решения каждой из вышеперечисленных задач используют определённый тип гироскопических приборов, руководствуясь такими критериями как стоимость, точность измерения угловой скорости или производных величин, помехоустойчивость, массогабаритные характеристики, надёжность и т.д. Так, например, самые точные гироскопические приборы — гироскопы с электростатическим подвесом — применяют для проверки теории относительности и флюктуации вращения Земли (рис. 1.1). Отсутствие механических систем, соотношение точность/стоимость и надёжность делают твердотельные волновые и лазерные кольцевые гироскопы привлекательными для систем определения кривизны нефтегазопроводов и железнодорожного полотна, измерения траектории скважин, а также для позиционирующих систем направленного бурения нефтяных и газовых скважин, спутниковой навигации, навигационных систем баллистических раке г и прогноза погоды. Гироскопы с шарикоподшипниковыми опорами в карданном (кардановом) подвесе, характеризующиеся высокой стабильностью и автономностью, используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов, а также в судовых гиростабилизаторах. Динамически настраиваемый гироскоп за счёт своей относительно высокой стабильности показаний и сравнительно небольших размеров применим для управления автоматическими подводными аппаратами, оснащения маломерного флота и оборудования малой авиации. Гироскоп поплавковый предназначен для применения в гироплатформах в качестве датчика углов отклонения объекта относительно двух осей, чему соответствует его точность и сравнительно высокая ударная и вибрационная стойкость. Микромеханические и вибрационные гироскопы, несмотря на низкую точность, широко применяются в бытовой-, робототехнике, автомобильных системах навигации, авиамоделировании, а также в инерциальных системах низкого класса точности, благодаря низкой стоимости, минимальным массогабаритным показателям, устойчивости к внешним механическим воздействиям.

Таким образом, видно, что гироскоп является датчиком с широкой областью применения. Так, например, в фото- и видеокамерах гироскопы применяются для компенсации непроизвольных движений рук во время съёмки за счёт коррекции положения линзы сигналом с гироскопа. Они используются в GPS навигации, получившей широкое распространение в настоящее время. GPS позволяет находить и корректировать маршруты, определять местоположение как наземного

транспорта, так и морского. Существенную роль гироскопы играют в робототехнике и средствах взаимодействия человека и электронного оборудования в различных интерактивных интеллектуальных системах. В авиастроении гироскопические датчики нашли применение в инерциальных подсистемах стабилизации платформ на борту вертолетов; для стабилизации спутниковых антенн; в системе управления полётом самолётов, а также в инерциальных системах низкого класса точности. Беспилотные средства передвижения также черпают информацию из показаний гироскопов. Используются гироскопы и при проведении некоторых специальных работ: прокладка туннелей для метро и железнодорожного транспорта (наземные маркшейдерские гирокомпасы), выяснение формы буровых скважин (инклинометры), а также в качестве компасов сухопутной артиллерии. Но самым серьёзным применением гироскопов является военная техника. Они используются при стабилизации стволов танковых орудий, прицелов зенитной артиллерии, в управляемых снарядах, эффективность которых повышается более чем в 10 раз (стоимость наводящегося снаряда менее чем в 10 раз превышает стоимость обычного снаряда). Дальнейшее улучшение характеристик может быть достигнуто, если к иперциалыюй навигационной системе (ИНС) добавить приёмник GPS, для того чтобы снаряд управлялся модулем GPS/ИНС. В результате этого эффективность таких снарядов повышается ещё в три раза независимо от дальнобойности оружия [6].

- - ' С электростатическим подвесом

10 _г

———— С магнитным подвесом

- - _____ Поплавковые

8 „

———~—— С воздушной опорой

——————— Волновые твердотельные

Лазерные

———————- Волоконно-оптические

——————— Динамически настраиваемые

- - ______ ^ шарикоподшипниковыми опорами

- Микромеханические
-- - Вибрационные
1 , 1 1 1 1 1 ,

₁₀-б ₁₀-5 _ш-4 ₁₀-з ₁₀-2 ₁₀-i j _{10 ]0}2 град/час

Рис. 1.1. Диапазоны точности гироскопических приборов

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплутационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали исследователей

многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

Типы, принципы построения и конструктивные исполнения гироскопов столь же разнообразны, как и области применения гироустройств.

Различают гироскопы с механическим ротором, с жидкостным ротором, вибрационные, лазерные, ядерные. Наиболее распространены гироскопы с механическим ротором: у них носителем кинетического момента является быстровращающееся массивное твёрдое тело — ротор. Носителем кинетического момента может быть и жидкая среда. Вибрационные гироскопы в качестве чувствительного элемента содержат вибрирующие массы (например, ротор с упругим подвесом, упругие пластины или балки) и служат для определения угловой скорости объекта. Лазерный гироскоп представляет собой устройство, в котором используется оптический квантовый генератор направленного излучения и содержится плоский замкнутый контур, где циркулируют два встречных световых потока (луча); он также служит для определения угловой скорости объекта. Ядерный гироскоп основан на том свойстве, что ядро атома содержит протоны, обладающие спиновыми и орбитальными моментами количества движения, а также связанными с ними магнитными моментами. При этом наличие механического вращательного момента у ядра сообщает ему свойства гироскопа, а наличие магнитного момента даёт возможность ориентировать ось этого гироскопа в пространстве и определять её положение. Ядерные гироскопы могут использоваться в качестве стабилизаторов направления, датчиков угловых скоростей.

В гироскопах с механическим ротором различают механический, поплавковый, газовый, магнитный, электростатический типы подвесов. В большинстве гироскопических устройств используются гироскопы с механическим подвесом, выполненным в виде карданного подвеса [7].

В различных двух- и трёхстепенных гироскопах для разгрузки механических опор применяются жидкостные, или поплавковые, подвесы (например, в поплавковом интегрирующем гироскопе), вследствие чего подобные гироскопы мало подвержены вибрационным, ударным и другим возмущающим воздействиям и обладают высокой точностью.

Существенное повышение точности гироскопических устройств достигается при применении гироскопов с газовым подвесом. Ротор такого гироскопа обычно имеет сферическую форму и опирается на чрезвычайно тонкий газовый слой, образующийся между шаром-ротором и специальной опорой. Такой шар является

практически свободным гироскопом. Газовые опоры могут также применяться в осях подвеса ротора и карданных колец.

В некоторых гироскопических устройствах используется гироскоп с магнитным подвесом, ротор которого, выполненный в виде ферритовой сферы, поддерживается магнитным полем во взвешенном состоянии. Необходимые характеристики поля автоматически регулируются специальной следящей системой. Другой разновидностью магнитного подвеса является так называемый криогенный подвес ротора, в котором используется взаимодействие магнитных полей, создаваемых токами в сверхпроводниках. Поддерживающие силы магнитного поля возникают при изменении положения ротора по отношению к элементам подвеса. Материал ротора, катушек электромагнитов и специальных экранов приводится в сверхпроводящее состояние путём глубокого охлаждения.

В гироскопе с электростатическим подвесом ротор представляет собой полую сферу, наружная поверхность которой имеет высокую проводимость. Ротор помещается между электродами, к которым подводится высокое напряжение, регулируемое специальной следящей системой. Под действием электростатических сил ротор центрируется в пространстве между электродами [8-12].

На рисунке 1.2 сведены последние данные о достигнутых точностях, габаритах и стоимостях для различных типов гироскопов. Приведём кратко принцип действия каждого типа гироскопов, приведённых на рисунке 1.2.

Неконтактные гироскопы находятся на вершине списка среди гироскопических чувствительных элементов по точности, так как с их помощью удалось достичь сверхвысоких точностей 10' -10" град/ч. Среди гироскопов с неконтактными подвесами можно выделить гироскопы с электростатическим и магнитным подвесами ротора.

Неконтактные гироскопы имеют резервы дальнейшего повышения точности и, по крайней мере, в обозримом будущем будут оставаться лидерами в этом отношении.

Разработка гироскопов с неконтактными подвесами началась с середины прошлого века. В неконтактных подвесах реализуется состояние левитации, то есть состояние, при котором ротор гироскопа парит в силовом поле подвеса без какого-либо механического контакта с окружающими телами [13].

В электростатическом гироскопе проводящий сферический ротор подвешен в вакуумированной полости в регулируемом электрическом поле, создаваемой системой электродов. Если поверхность ротора — идеальная сфера, то силы электрического поля, действующие по нормали к проводящей поверхности ротора, не могут создать момента относительно его центра и возникает возможность создания идеального гироскопа. Ротором электростатического гироскопа может

служить бериллиевый шар диаметром 1 см, раскрученный до скорости порядка 180 тыс. оборотов в минуту. Для такого подвеса характерно практически полное отсутствие трения (при вакууме в подвесе 10-8ммрт.ст. постоянная времени выбега ротора за счет остатков газа имеет величину порядка 100 лет). Ничтожно малые величины возмущающих моментов сил, действующих на левитирующий в вакууме ротор, обеспечивают неограниченно долгое и надежное сохранение направления оси вращения гироскопа в пространстве.

3. Вибрационные пьезокерамические 4. Динамически настраиваемые

   Микромеханические 5. Волоконно-оптические

   С шарикоподшипниковыми опорами

   Рис. 1.2. Стоимость, габариты и точность гироскопов

   Гироскопы с магниторезонансным подвесом ротора (МСГ) являются в определенной степени аналогами гироскопов с электростатическим подвесом ротора, в которых электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор — ферритовым. Несмотря на более чем тридцатилетнюю историю разработок магниторезонансного гироскопа, он так и не стал объектом серийного производства. Причина заключается в том, что в конкуренции за достижение

   сверхвысоких точностей выявилось решающее преимущество электростатического гироскопа из-за существенно меньших возмущающих моментов, возникающих при взаимодействии бериллиевого ротора с электрическим полем, чем ферритового — с магнитным. Разумеется, достижение точности гироскопа в 10" -10" град/ч — задача чрезвычайной сложности.

   Современные гироскопы с неконтактными подвесами — это сложнейшие приборы, которые вобрали в себя новейшие достижения техники. Только три страны в мире в настоящее время способны производить электростатические гироскопы. Кроме США и Франции в их число входит и Россия. Опыт эксплуатации на морских объектах электростатических гироскопов, созданных в России, подтвердил высокую точность и достаточную надежность корабельных инерциальных навигационных систем на электростатических гироскопах.

   Поплавковый гироскоп представляет собой классический роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешены в жидкости с большим удельным весом так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, исполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Конструкция поплавка должна быть максимально симметричной. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тыс. оборотов в минуту. Поплавковый гироскоп с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.

   В гироскопах с воздушной опорой разработчики заменили шариковые подшипники, используемые в традиционном кардановом подвесе, газовой подушкой, что полностью устранило влияние износа материала опор во время работы и позволило почти неограниченно увеличить время службы прибора. Жесткость аэродинамического подвеса не меньше, чем обычных шариподшипников. К недостаткам газовых опор следует отнести довольно большие потери энергии и возможность внезапного отказа при случайном контакте поверхностей опоры между собой.

   В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих волн в твердом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде как жесткое тело, не изменяя своей конфигурации. Такая частицеподобная волна называется солитоном и рассматривается как модельное воплощение корпускулярно-волнового дуализма: с одной стороны, это волна, с другой — неизменность конфигурации приводит к аналогии с частицей. Однако эта аналогия

   в некоторых явлениях простирается и дальше. Так, если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, па котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора.

   Резонатор волнового твердотельного гироскопа представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, сделанную из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Обычно форма оболочки — полусфера с отверстием в полюсе, поэтому волновой твердотельный гироскоп называется в литературе полусферическим резонаторным гироскопом. Один край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к основанию (ножке). Другой край, называемый рабочим, свободен. На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, которые образуют вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы. Часть конденсаторов служит для силового воздействия на резонатор. Вместе с соответствующими электронными схемами они образуют систему возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. С ее помощью в резонаторе устанавливают так называемую вторую форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четыре пучности через каждые 90. Вторая группа конденсаторов служит датчиками положения пучностей на резонаторе. Соответствующая (весьма сложная) обработка сигналов этих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движении основания резонатора.

   К достоинствам волнового твердотельного гироскопа относятся высокое отношение точность/цена, способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшой вес, низкая энергоемкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.

   Кольцевой лазерный гироскоп, называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. Длины этих волн определяются условиями генерации, согласно которым на длине периметра резонатора должно уложиться целое число волн, поэтому на неподвижном основании частоты этих волн совпадают. При вращении резонатора лазерного гироскопа путь, проходимый лучами по контуру, становится разным и частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Волновые фронты лучей интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы. Вращение резонатора лазерного гироскопа приводит

   к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться со скоростью, пропорциональной скорости вращения гироскопа. Интегрирование по времени выходного сигнала лазерного гироскопа, пропорционального угловой скорости, позволяет определить угол поворота объекта, на котором установлен гироскоп.

   К достоинствам лазерных гироскопов следует отнести, прежде всего, отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения.

   Значительные достижения в области разработки и промышленного выпуска световодов с минимальным значением погонного затухания и интегральных оптических компонентов привели к началу работ над волоконно-оптическим гироскопом, представляющим собоіі волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. Наиболее распространенный вариант волоконно-оптического гироскопа — многовитковая катушка оптического волокна [7]. Такие гироскопы действуют на основе «эффекта Саньяка». Эти датчики используют две световые волны, распространяющиеся в противоположных направлениях по фиксированному пути. Когда прибор вращается, световая волна, распространяющаяся против направления вращения, сделает оборот быстрее, чем световая волна, распространяющаяся по направлению вращения. Этот интервал времени обнаруживается посредством разности фаз этих двух световых волн, которая проявляется в результате интерференции последних [14].

   Достигнутые в лабораторных образцах точности таких гироскопов приближаются к точности кольцевых лазерных гироскопов. Волоконно-оптический гироскоп из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых средпеточных гироскопов.

   Динамически настраиваемые гироскопы принадлежат к классу гироскопов с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счет упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В динамически настраиваемых гироскопах в отличие от классического гироскопа используется так называемый внутренний карданов подвес. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В динамически настраиваемых гироскопах за счет подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам динамически настраиваемых гироскопов следует отнести их миниатюрность, высокую стабильность показаний, относительно невысокую стоимость.

   Основной частью гироскопов с шарикоподшипниковыми опорами является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения). Чаще всего используются гироскопы с шарикоподшипниковыми опорами, размещённые в карданном подвесе. Такие гироскопы имеют три степени свободы, то есть он может совершать три независимых поворота вокруг трёх осей, пересекающихся в центре подвеса, который остаётся неподвижным по отношению к основанию. Для обеспечения вращения ротора таких гироскопов с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы. Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента. Гироскопы с шарикоподшипниковыми опорами используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

   Микромеханические гироскопы относятся к области низких точностей. Эта область традиционно считалась малоперспективпой для задач управления движущимися объектами и навигации и серьезно не рассматривалась в научных и инженерных кругах. Но в последнее время ситуация резко изменилась. Это одноосные гироскопы вибрационного типа, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий. Микромехаиические гироскопы представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор.

   Точность полученных к настоящему времени микромеханических гироскопов находится на уровне 10" град/ч, но ожидается, что ее можно будет повысить на порядок и приблизить к точности гироскопа Фуко. Решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Благодаря использованию хорошо отработанных современных технологий массового производства микроэлектроники ожидаемая цена одного чувствительного элемента будет лежать в пределах от нескольких сот до единиц долларов (при уходах, соответственно, от 10 до 10³ град/ч).

   В свою очередь, дешевизна микромеханических гироскопов открывает возможность их использования в совершенно новых областях: автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, «мыши» и «джойстики» персональных компьютеров, мобильные робототехнические устройства и даже детские игрушки. Конечно, такие гироскопы также можно использовать и при совершенствовании военной техники (прицелы, тактическое оружие).

   В настоящее время разработка первого поколения ММГ уже завершена, решаются задачи их интеграции в инерциальные измерительные модули совместно

   с электроникой и вычислительной техникой. Первые инерциальные модули уже появились в лабораториях.

   Известно, что если массе, вибрирующей с некоторой линейной скоростью, придать вращательное движение с угловой скоростью перпендикулярной линейной, возникнет сила Кориолиса. Она действует в направлении, перпендикулярном направлению движения частиц вибрирующего тела и перпендикулярно угловой скорости, и пропорциональна этой угловой скорости. Преимуществами такого типа гироскопов является широкая полоса пропускания, простота конструкции и относительно низкая стоимость.

   Камертонные вибрационные гироскопы основаны иа свойстве камертона, заключающегося в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы.

   Первые разработчики вибрационных гироскопов предрекали близкую смерть классическим гироскопам с вращающимся ротором. Однако более глубокий анализ показал, что вибрационные гироскопы отказываются работать в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Непреодолимой оказалась и проблема нестабильности показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек. Поэтому идея чистого камертонного гироскопа так и не была доведена до прецизионного прибора, однако она стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих либо вибрацию жидкостей или газов в особым образом изогнутых трубках, либо пьезоэлектрический эффект и тому подобное [7].

   Гироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) содержит пластину пьезоэлектрика — мембрана толщиной порядка 0.1-10 мкм, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи возбуждения ПАВ и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

   Резонатор создает стоячие ПАВ между встречно-штыревыми преобразователями. Частицы в пучностях стоячей волны испытывают вибрации большой амплитуды, перпендикулярные плоскости подложки, которые служат в качестве начального (базового) вибрационного перемещения для этого гироскопа. Таким образом, за счёт эффекта силы Кориолиса из-за вращения возникают ПАВ в

   ?2

   ортогональном направлении, регистрируемые встречно-штыревыми

   преобразователями чувствительного элемента колебаний ПАВ. Достоинством таких приборов помимо широкой полосы пропускания является полное отсутствие подвижных конструктивных элементов [15, 16].

   Пьезоэлектрические вибрационные гироскопы используют

   пьезоэлектрический эффект, как для возбуждения резонатора, так и для съёма сигнала при действии силы Кориолиса. Однако сам резонатор может быть выполнен как из пьезоэлектрического материала, так и из не обладающего пьезоэффектом материала, но в этом случае для возбуждения колебаний резонатора и для регистрации Кориолисовой силы применяются дополнительные элементы из пьезоэлектрических материалов.

   В последнее время наблюдается резкое уменьшение размеров пьезоэлектрических гироскопов, и появляется возможность конструктивно-технологического исполнения для поверхностного монтажа. Пьезозлеісгрические вибрационные гироскопы нашли широкое применение во многих областях техники. Причина такого успеха — новые технологии их изготовления, позволяющие получать необходимые точностные параметры для решения требуемых задач при резком снижении стоимости и улучшении массогабаритных характеристик гироскопов. Повышение их точности способствовало увеличению областей применения этих датчиков [17].

   Применение пьезокерамики для изготовления чувствительного элемента (вибратора) является одним из направлений развития микромеханических гироскопов. Такое решение, в отличие от вибраторов микромеханических кремниевых гироскопов имеет следующие преимущества: пьезокерамический материал служит как для возбуждения колебаний в режиме обратного пьезоэффекта, так и для съема информации в режиме прямого пьезоэффекта; в гироскопах с чувствительным элементом из пьезоэлектрического материала этот же материал используется в качестве активной массы вибратора.

   Такое триединое применение пьезокерамики позволяет значительно упростить конструкцию вибратора, снизить его массогабаритпые характеристики. Кроме этого, следует отметить высокий коэффициент преобразования пьезокерамики как в режиме прямого, так и обратного пьезоэффекта.

   Ключевые проблемы современного гироскопического приборостроения связаны с разработкой инерциальных чувствительных элементов, обладающих малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением и достаточно высокой надёжностью. Современные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы существенно превосходят гироскопы высокого и среднего классов точности по массогабаритным характеристикам, показателям себестоимости (рис. 1.2) и энергопотребления.

   1.2. Вибрационные гироскопы. Состояние разработок и

   производства гироскопов. Обоснование выбора типа гироскопа для

   исследования и разработки

   1.2.1. Микромеханические гироскопы

   Микромеханические гироскопы в последнее время бурно развиваются благодаря хорошо отлаженным технологиям микроэлектрониой промышленности. Сейчас работы в области микромеханических гироскопов ведутся многими научными центрами в США, Японии, России, Южной Корее, Франции, Швейцарии, Швеции, Китае. Наиболее известными производителями гироскопов на сегодняшний день являются фирмы «Analog Devices», «Silicon Sensing Systems», «Fujitsu», «Murata», «Nee», «Tokin», «JR-Graupner», «Ikarus», «CSM», «Robbe», «Hobbico».

   Чувствительный элемент микромеханического гироскопа представляет собой вытравленную в кремниевой либо в кварцевой пластине конфигурацию карданного подвеса. Который в свою очередь состоит, как показано на рисунке 1.3, из внутренней 1 и наружной 2 рамок (они могут быть как квадратные, так и круглые), соединяющихся между собой с помощью пары торсионов Т (внутренние торсионы), а с помощью другой пары торсионов (наружные торсионы) наружная рамка соединена с корпусом 4. На площадке внутренней рамки размещена масса 3, увеличивающая инерционность рамок. Жёсткость на кручение торсионов вокруг осей ОХ и OY должна быть значительно меньше их жёсткости па изгиб. Электростатический моментный двигатель (датчик момента), подвижные электроды 6 которого размещены на наружной рамке (с противоположной стороны также размещена пара электродов), вокруг оси ОХ развивает переменный момент М, вследствие чего появляется переменный кинетический, направленный вдоль оси ОХ момент. Ось OZ является измерительной осью. В результате появления некоторой угловой скорости, направленной вдоль OZ, под действием Кориолисовой силы вокруг оси OY развивается переменный гироскопический момент, вызывающий угловые колебания внутренней рамки вокруг оси OY. Амплитуда и фаза этих угловых колебаний внутренней рамки содержат информацию о приложенной угловой скорости и измеряются ёмкостным датчиком перемещений, подвижные электроды 5 которого размещены на внутренней рамке, с противоположной стороны которой также размещена пара электродов [18].

   При изготовлении инерционной массы микромеханических гироскопов толщиной несколько десятков микрометров преимущественно используется монокристаллический кремний. Среди преимуществ монокристаллического

   кремния следует отметить низкие внутренние потери, позволяющие достичь высокой добротности осцилляторов; высокий модуль Юнга, сравнимый с модулем Юнга стали; предел текучести, превышающий предел текучести стали [19,20]. Однако существенным недостатком этого материала является анизотропия свойств (в том числе механических) в зависимости от кристаллографических направлений [21].

   Рис. 1.3. Конструктивная схема чувствительного элемента

   микромеханического гироскопа с карданным подвесом: 1— внутренняя рамка;

   2 — наружная рамка; 3 — инертная масса; 4 — корпус;

   5 — электроды ёмкостного датчика перемещений; 6 — электроды электростатического датчика момента.

   Конфигурация и форма колебаний чувствительного элемента микромеханического гироскопа может отличаться от приведённой выше. Так, например, чувствительный элемент может быть выполнен в форме диска на торсионах, совершающего при возбуждении крутильные колебания в плоскости диска, а при появлении в направлении оси диска внешней угловой скорости возникают крутильные колебания ещё и перпендикулярно возбуждающим [22].

   Также известны гироскопы с чувствительным элементом в форме диска, совершающего радиальные колебания, имеющие ось чувствительности вдоль нормали к поверхности этого диска [23, 24].

   Ещё одна структура, часто используемая для создания микромеханических гироскопов, отличается от вышеописанной тем, что возбуждающие колебания не вращательные, а поступательные, совершающиеся либо в плоскости чувствительного элемента, либо перпендикулярно ей, при этом колебания отклика

   также поступательные и ортогональны возбуждающим. В этих случаях, при определённой топологии чувствительного элемента и соответствующей обработке сигналов, возможно измерение угловых скоростей вдоль двух ортогональных осей [25-31].

   К достоинствам данного типа гироскопов следует отнести достаточно хорошо отработанную технологию, рассчитанную на массовое производство, малые габариты и энергопотребление.

   Однако, планарная технология, используемая при изготовлении ММГ, накладывает определенные ограничения на выбор конструктивной схемы. Вследствие технологических особенностей кремниевые ММГ представляют собой плоские конструкции, у которых толщина в 100-200 раз меньше длины. Это обстоятельство затрудняет обеспечение требуемых упругих характеристик и исключает использование пространственных конструктивных схем.

   К тому же существуют проблемы стабильности характеристик ММГ, которые связаны в основном с непостоянством геометрических размеров, упругих свойств и добротности. Коэффициент добротности для данного класса приборов является метрологическим параметром, от которого зависит стабильность показаний прибора. Диссипация энергии колебаний связана с потерями на газовое трение, поверхностными потерями, потерями из-за связанности различных типов колебаний, термоупругим демпфированием и прочим [19]. Снижение потерь от взаимодействия с газовой средой требует вакуумирования внутренней полости элемента [32].

   1.2.2. Диафрагменный вибрационный гироскоп

   Структура вибрационного гироскопа, использующего вторые изгибные моды колебаний диафрагмы, показана на рисунке 1.4.

   Рис. 1.4. Конструкция диафрагменного гироскопа.

   В этой структуре для раскачки инерционной массы и регистрации Кориолисовой силы используются показанные на рисунках 1.5а и 1.56 моды колебаний изгибного вибратора В1 и В2 соответственно.

   ₊

   мода В1

   a)

   О П

   мода В2

   Рис. 1.5. Моды колебаний, используемые для возбуждения диафрагмы и для регистрации угловой скорости.

   Добавочная инерционная масса жёстко прикреплена к центру поверхности

   диафрагмы. Таким образом, приложенная угловая скорость 2. _f перпендикулярная поверхности диафрагмы, вызывает силу Кориолиса. Эта сила действует на колеблющуюся дополнительную инерционную массу, и на диафрагме появляется мода, показанная на рисунке 1.56. Генерируя эти изгибные моды, получаем деформации диафрагмы, показанные на рисунке 1.6. При этом верхняя сторона одной половины диафрагмы растягивается, а нижняя сокращается; на второй половине диафрагмы картина противоположная.

   Растяжение <—— >

   Нейтральная плоскость

   Рис. 1.6. Движения диафрагменного резонатора

   Существует две структуры таких мембран: композиция из пьезоэлектрического и металлического дисков соединенных между собой и

   Стальной диск

   Пьезоэлектри ческий

   Рис. 1.7. Первая структура— композиция дисков

   структура, основанная на встречно штыревых электродах (ВШЭ) пьезоэлектрического диска. На рисунке 1.7 «плюс» и «минус» на пьезокерамическом диске указывают направление поляризации перпендикулярной поверхности диска. Поэтому при приложении переменного напряжения, частоту которого подбирают так, чтобы она совпадала с собственной резонансной частотой композиционной диафрагмы, согласно рисунку 1.8а, диафрагма изменяет форму как показано на рисунке 1.5а. Мода колебаний такого диска, вызванная действием силы Кориолиса В2 на рисунке 1.56, регистрируется как показано на рисунке 1.86. Использование дифференциальной регистрирующей цепи позволяет заблокировать сигнал моды В1 и снимать только сигнал моды В2.

   Выход

   Возбуждение

   GND: Обратная сторона

   а) Возбуждение б) Детектирование

   Рис. 1.8. Возбуждение и детектирование при разделённых электродах

   В гироскопе с композицией из пьезоэлектрического и металлического дисков клеевой слой между ними ухудшает вибрационные характеристики такого резонатора. Вторая структура мембраны основана на встречно штыревых электродах пьезоэлектрического диска. Такие ВШЭ формируются на поверхности диска и, при помощи них создаются и поддерживаются изгибные колебания. Интенсивность поляризации и электрического поля показаны на рисунке 1.9; они уменьшаются с глубиной. Возбуждение и детектирование колебаний с помощью ВШЭ осуществляется благодаря как продольному, так и поперечному пьезоэффекту, как показано на рисунке 1.10.

   Электрод![+) Электрод (-) | Поверхность

   Внутрь пьезокерамики

   Рис. 1.9. Поляризация и электрическое поле при ВШЭ

   а) Продольный эффект б) Поперечный эффект

   Рис. 1.10. Возбуждение при продольном и поперечном эффекте

   Использование поперечного пьезоэффекта (рис. 1.106) приводит диафрагму в движение, происходит деформация параллельно направлению электродов, причём направление этой деформации под электродами и между ними одинаково. С другой стороны, при продольном пьезоэффекте (рис. 1.10а) деформации под электродами и между ними противоположны по направлению. Это справедливо для ВШЭ модели с поперечным пьезоэффектом, показанной на рисунке 1.11.

   Рис. 1.11. Возбуждение В1 моды при поперечном эффекте с ВШЭ

   Материал ВШЭ — серебро, которое наносится на пьезокерамический диск диаметром 20 мм и толщиной 0.5 мм. Ширина электродов 0.2 мм, а интервал между ними 0.3 мм. Эти параметры выбираются из соображений минимизации ёмкости при использовании ВШЭ. Поляризация проводится как показано на рисунке 1.12, где область «+» и область «-» расположены так относительно друг друга, как на рисунке 1.13а, 1.136. Поляризованный таким образом керамический диск с нанесённой металлизацией может возбуждаться на моде В1 (рис. 1.13а) и

   Рис. 1.12. Размещение ВШЭ и поляризация

   детектировать на моде В2 (рис. 1.136). Напряжения V_t и Vo равны нулю при колебаниях на моде возбуждения, а на измерительной моде В2 они получаются почти равными по величине. Суммированием V/ и V₂ получается удвоенное выходное напряжение. Дополнительного удвоения выходного сигнала можно добиться нанесением ВШЭ и на вторую поверхность пьезоэлектрического диска.

   Рис. 1.13. Возбуждение и детектирование при использовании ВШЭ

   Однако влияние на гирохарактеристики геометрических размеров корпуса, параметров диафрагмы и добавочной инерционной массы не совсем ясны. Также не известны и методы оценки этих соотношений. К тому же в такой конструкции происходит нежелательная утечка вибрации через корпус, следовательно, структура корпуса требует доработки [33].

   1.2.3. Камертонные вибрационные гироскопы

   Чувствительный элемент для вибрационного гироскопа на основе трёхзубцового камертонного резонатора изготавливается из температурно-стабильного пьезоэлектрического материала в виде трёхзубцового резонатора и жёстко крепится к основанию. Такой гироскоп использует две взаимно

   ортогональные моды колебаний зубцов камертона, как показано на рисунке 1.14а и 1.146. Мода возбуждения и съёма сигнала будут тогда находиться в равновесии, когда все зубцы будут равны по ширине. Таким образом, для максимальной чувствительности ширина среднего зубца равна ширине крайних зубцов, а толщина пластины, из которой выполнен такой резонатор, несколько больше ширины зубцов. Длина зубцов также влияет на чувствительность и определяет

   _щ&т

   Рис. 1.14. Моды колебаний в трёхзубцовом камертонном резонаторе а) мода возбуждения; б) мода регистрации силы Кориолиса.

   рабочую частоту камертонного гироскопа. Поляризация зубцов резонатора и электрическое соединение электродов производится как показано на рисунке 1.15. Таким образом, на крайних зубцах сформировано по четыре электрода, а на центральном — шесть. Все электроды выполнены из серебра [34-37].

   -О

   я <и

   со О

   —о

   "Т~

   V\S\

   _{Т Т}

   /777

   Выход Рис. 1.15. Поляризация и электрическая коммутация камертонного резонатора

   Аналогичным образом устроен и вибрационный гироскоп на основе двухзубцового камертонного резонатора. Чувствительный элемент 7, показанный на рисунке 1.16, такого гироскопа может быть выполнен из высокодобротного материала, не обладающего пьезоэлектрическими свойствами. В таком случае на грани с обеих сторон резонатора наносятся тонкие плёнки из пьезоэлектрического материала 2, которые далее покрываются электродами 3 и 4. Первые две пары

   таких электродов 3 с пьезоэлектрическими плёнками под ними служат для возбуждения колебаний в камертоне вдоль оси Y. Вторые же две пары 4 — для регистрации сигнала, полученного за счёт силы Кориолиса, которая вызывает колебания зубцов камертона вдоль оси X при угловой скорости, направленной вдоль оси Z [38-43].

   Рис. 1.16. Двухзубцовый камертонный чувствительный элемент

   Однако, чувствительный элемент
   для гироскопа такой конструкции может
   быть выполнен полностью из

   пьезоактивного материала или, как показано на рисунке 1.17, даже из набора соединённых между собой пьезоэлектрических пластин. За счёт этого такой гироскоп компактнее и имеет более высокие эксплуатационные характеристики. При такой конструкции возбуждающими электродами являются 1-3. Они находятся внутри тела камертона возбуждающего зубца I и имеют одинаковый электрический

   4 5 6 Рис. 1.17. Многослойный

   двухзубцовый камертонный

   чувствительный элемент

   Также существуют гироскопические устройства с чувствительными элементами более сложной формы. На рисунке 1.18 изображён один из типов таких элементов с упрощённой топологией электродов. Электроды 7 служат для подачи возбуждающего напряжения, а электроды 8 — для снятия полезного сигнала. В таком камертонном резонаторе плечи 1 и 2 служат для раскачки более длинных

   потенциал. При подаче на них переменного напряжения, возникающие колебания зубца I вдоль оси Y заставляют колебаться и зубец II камертона вдоль той же оси, но в противофазе. При наличии угловой скорости вдоль оси Z, возникающая Кориолисова сила действует на зубцы камертона вдоль оси X. Эту угловую скорость и регистрируют располагающиеся в зубце II электроды 4-6. Всё тело камертона изготовлено из пьезокерамики, следовательно, является активным, а это повышает чувствительность такого гироскопа. Материал, из которого изготовлен такой камертон, должен иметь высокую температурную стабильность [44].

   измерительных плеч 3 и 4. В результате этого возникает вибрация всех плеч вдоль оси X. И уже благодаря линейным скоростям измерительных плеч при появлении угловой скорости вдоль оси Z возникает сила Кориолиса и заставляет плечи 3 и 4 вибрировать вдоль оси Y. Между измерительными плечами, в узлах их колебаний, расположено опорное плечо 6 так, чтобы центр тяжести вибратора находился в центре этого плеча. Базовая часть 5 ортогональна плечам и служит для закрепления вибратора в корпусе гироскопа [45, 46].

   Рис. 1.18. Чувствительный элемент Н-образного камертонного гироскопа (топология электродов показана схематично)

   Ещё одним типом чувствительных элементов для камертонных гироскопов является крестообразный резонатор, выполненный из непьезоэлектрического материала. Зубцы, находящиеся на крестообразном основании 1, строго параллельны друг другу и имеют одинаковые собственные частоты. На каждом

   зубце такого камертона расположены
   пьезоэлементы 2 и 3, как показано на рисунке
   1.19, для возбуждения резонатора и для съёма
   сигнала, сгенерированного при вращении
   гироскопа. При возбуждении такого
   резонатора зубцы, находящиеся на
   противоположных плечах крестовины,
   вибрируют вдоль одной оси в противофазе.
   Таким образом, две пары зубцов колеблются
   вдоль ортогональных осей X и Y. При
   возникновении угловой скорости,

   Рис. 1.19. Крестообразный направленной вдоль оси Z, возникающая

   чувствительный элемент Кориолисова сила заставляет все зубцы

   колебаться ещё и в перпендикулярном к начальной вибрации направлении [47, 48]. Этот тип чувствительных элементов гироскопов характеризуется компактностью, отсутствием утечки вибрации на основание датчика. Конструкции, у которых тело чувствительного элемента выполнено не из пьезоэлектрического материала обладает более стабильными показателями как в рабочем температурном интервале, так и во времени. Однако, изготовление чувствительных элементов таких форм, где все вибраторы должны быть идентичными, удорожает конструкцию гироскопа. Также воздействие внешних вибраций резко снижает эффективность гироскопов с камертонными чувствительными элементами.

   1.2.4. Балочные твердотельные вибрационные гироскопы

   В состав чувствительного элемента таких гироскопов входит балка из нержавеющего высокодобротного материала с высокостабильными свойствами в интервале рабочих температур и пьезоэлектрические пластины для возбуждения колебаний балки, а также для съёма полезного сигнала. Балки могут быть выполнены в виде треугольной или четырёхугольной призмы, к каждой грани которой приклеиваются или привариваются пьезоэлементы.

   В гироскопе с четырёхугольной в сечении

   ~^Ч / балкой с взаимно перпендикулярными

   \шЪ^/ ДФ диагоналями, выполненной из кварцевого стекла,

   JU ^^/ на одной паре смежных граней, как показано на

   1\б_« IlZ/I рисунке 1.20. располагаю гея возбуждающие

   пьезоэлементы /, 2, а на другой паре —
   —' ^т^ \=Li5-/| регистрирующие пьезоэлементы 3, 4. Они крепятся

   с помощью клея или припоя на боковые грани

   Ь'ис. .20. Конструкция стержня 5. Пьезоэлементы представляют собой

   оалочного твердотельного пластинки из пьезоэлектрического материала

   вибрационного гироскопа _ТОЛЩиной в 10-30 раз меньшей размеров

   поперечного сечения стержня. Поддерживающие элементы б и 7 выполняются в

   виде спиц круглого или иного сечения. Продольные оси спиц проходят через

   диагонали параллельных поперечных сечений балки на определённом расстоянии

   от его концов, соответствующем положению узловых точек при изгибных

   колебаниях стержня.

   Поскольку резонансная частота изгибных колебаний в горизонтальной плоскости определяется упругими характеристиками балки и жесткостью связей, то данная форма сечения вибрирующей балки позволяет выбором соотношения сторон сечения получить различные изгибные жёсткости относительно осей, проходящих через её диагонали. В результате при определённом соотношении

   сторон и диагоналей резонансные частоты колебаний в горизонтальной и вертикальной плоскостях с учётом жёсткости подвесов становятся одинаковыми.

   Подвесы, выполненные в виде спиц, при возбуждающих колебаниях испытывают кручение, а при колебаниях под действием силы Кориолиса — изгиб. Поскольку жёсткость таких спиц в этих двух случаях различна, — расчётная жёсткость изгиба спиц круглого сечения в 4-6 раз превышает жёсткость кручения, — то резонансные частоты вибрирующего стержня с сечением правильной формы оказываются различными. Таким образом, для получения максимальной чувствительности гироскопического датчика соотношение диагоналей 9 и 10 (рис. 1.20) принимается больше единицы, в результате чего собственная жёсткость вибрирующего стержня относительно его взаимно перпендикулярных поперечных осей становится неодинаковой, что в совокупности с жёсткостью подвесов позволяет сблизить указанные резонансные частоты [49].

   На рисунке 1.21 показан чувствительный элемент балочного вибрационного гироскопа, сечением которого является правильный треугольник. На каждой грани балки / приклеено по одному пьезоэлементу. На нижней стороне находится возбуждающий пьезоэлемент 4, на боковых гранях — измерительные 5.

   В целях снижения влияния изменения

   температуры на параметры гироскопа балка

   изготовлена из высокодобротного

   прецизионного сплава, отличающегося

   высокой стабильностью модуля упругости,

   имеющего повышенную коррозионную

   устойчивость и минимальный температурный

   Рис. 1.21. Балка твердотельного коэффициент линейного расширения в

   вибрационного гироскопа с интервале рабочих температур. Упругие

   поддерживающими элементами поддерживающие элементы 3 также

   выполнены из этого сплава, к балке они крепятся пайкой в заранее проточенных

   пазах, расположенных строго в узлах колебаний, а к корпусу — посредством

   дисков 2.

   К достоинствам гироскопов с подобными чувствительными элементами необходимо отнести устойчивость к внешним механическим перегрузкам, вибрациям, ударам. Также им присущи высокие коэффициенты преобразования, независящие от изменения температуры, ввиду использования, как правило, из высокодобротного прецизионного сплава с незначительным температурным коэффициентом линейного расширения.

   Однако в таких конструкциях гироскопов требуется решение ряда проблем. Так как в изделии применяется соединение металла с керамикой, то

   характеристики гироскопа зависят от условий и качества этого соединения. Кроме того, в качестве токоподводов для возбуждения балки и съёма сигнала используются чрезвычайно тонкие проволочные соединения, что существенно усложняет монтаж и, как следствие — производственный процесс.

   Ещё более сложным в изготовлении балки для такого гироскопа является строгая правильность её сечения. Подстройка собственных резонансных частот вдоль оси возбуждения и вдоль оси съёма осуществляется путём снятия массы с грани балки между узлами колебаний. Происходящее при этом уменьшение жёсткости позволяет снизить одну из резонансных частот [50-53].

   1.2.5. Балочные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы

   Как отмечено выше, пьезокерамический материал может служить как для возбуждения колебаний в режиме обратного пьезоэффекта, так и для съема информации в режиме прямого пьезоэффекта, а изготовление всего чувствительного элемента из пьезокерамического материала позволяет использовать его массу в качестве активного элемента для детектирования силы Кориолиса.

   Наиболее распространённые формы сечения чувствительных элементов для балочных пьезоэлектрических вибрационных гироскопов — круг или кольцо и прямоугольник (биморфная балка).

   Один вариант чувствительного элемента первого типа (цилиндрическая балка) показан на рисунке 1.22. При такой конфигурации электродов: 2, 4 и 6 электроды соединены между собой и при электрической коммутации заземляются, как показано на рисунке 1.24. Таким образом, для возбуждения такого вибратора переменное напряжение прикладывается на электрод 5. Для детектирования силы Кориолиса используются электроды 3 и 7 [54-59].

   Рис. 1.22. Пьезоэлектрический цилиндрический чувствительный элемент

   У другого варианта чувствительного элемента первого типа (полая цилиндрическая балка), показанного на рисунке 1.23, роль общего электрода выполняет внутренний электрод 5, как показано на рисунке 1.25, а для возбуждения такого вибратора переменное напряжение прикладывается на электрод 2. Детектирование силы Кориолиса выполняют, используя электроды 3 и 4 [51, 53, 60].

   Рис. 1.23. Пьезоэлектрический полый цилиндрический чувствительный элемент