Введение к работе
Актуальность темы исследования. При разработке современных систем автоматического управления, навигации и стабилизации углового положения подвижных технических объектов необходимо использовать данные об угловой скорости. Определение угловой скорости осуществляется традиционно с помощью механических преобразователей, использующих быстро вращающееся тело. Однако они имеют, как правило, значительную массу и являются дорогими. Для применений, где не требуется высокая точность измерений, применяют малогабаритные дешевые вибрационные схемы измерения угловой скорости. В них возбуждение рабочего режима часто обеспечивается с помощью электрических сигналов и пьезоэлектрических свойств используемых элементов. При этом первичные выходные электрические сигналы являются маломощными и подвержены дестабилизирующему влиянию различных факторов, что обусловливает большие погрешности измерения угловой скорости. Большой вклад в развитие теоретических основ микро-электромеханических (МЭМ) преобразователей внесли В.Я. Распопов, В.А. Матвеев, В.Ф. Журавлев, Д.М. Климов, Л.И. Брозгуль, W. Geiger, J. Geen, A. Shkel, W. Wolf и др. Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов можно разделить каналы возбуждения колебаний и формирования выходного сигнала за счет использования процессов различной физической природы, например, электрического возбуждения и оптического считывания выходной информации. Для обеспечения оптического считывания малых угловых скоростей, приводимых к нано-перемещениям за счет сил Кориолиса, могут быть использованы структуры на основе управляемого оптического туннельного эффекта (ОТЭ) с переменным зазором между световодом и чувствительным элементом (ЧЭ) (например, балочного или многолучевого типа). Таким образом, задача разработки и исследования микроопто-электромеханического (МОЭМ) преобразователя угловых скоростей на основе ОТЭ является актуальной.
Целью работы является обеспечение возможности работы при малых угловых скоростях за счет применения оптического считывания результатов измерений с помощью ОТЭ, разработка одно-, двух- и трехосевых МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ, имеющих квазилинейную функцию преобразования и высокую чувствительность, обеспечивающих расширение возможностей их применения в системах управлениях подвижных объектов.
Для достижения цели данной диссертационной работы решаются следующие задачи исследования:
– разработка обобщенных структурных и функциональных схем одно-, двух- и трехосевых МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ с различными вариантами считывания выходных оптических сигналов;
– разработка и исследование уточненных математических моделей МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ;
– исследование статических и динамических характеристик МОЭМ-
преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ;
– проведение экспериментального исследования оптического туннельного эффекта и определение вида коррекции теоретических расчетов на основе экспериментальных результатов с использованием полунатурного стенда;
– анализ влияния конструктивных и геометрических параметров на характеристики МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ;
– оценка влияния дестабилизирующих факторов на характеристики МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ и разработка методов их компенсации;
– разработка и исследование методов расширения диапазона МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ;
– разработка методики калибровки и уменьшения дополнительных погрешностей МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ;
– разработка методики расчета МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ.
Научная новизна работы:
– предложенные новые структурные схемы одно-, двух- и трехосевых МОЭМ-преобразователей угловых скоростей отличаются использованием ОТЭ и введением дополнительных масс, что обеспечивает уменьшение требуемых амплитуд вынужденных колебаний для измерения малых угловых скоростей и получение квазилинейных функций преобразования;
– произведен учет переменности зазора для различных точек контакта оптического излучения на модулируемой границе структуры «призма – воздух – ЧЭ» при изгибе ЧЭ балочного типа и получены уточненные математические модели МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ с введением коэффициента коррекции, что обеспечивает уменьшение погрешностей расчетов характеристик МОЭМ-преобразователей угловых скоростей;
– предложено динамическое управление рабочим зазором за счет введения дополнительного пьезоактюатора и использование широтно-импульсной модуляции для расширения диапазона измерения МОЭМ-преобразователя угловых скоростей; получено выражение для аппроксимирующей функции длительности выходных импульсов от измеряемой угловой скорости.
Методы и способы исследования
При исследовании МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ применялись основные положения волновой и геометрической оптики, использовались методы теории упругости, теории колебаний, методы математического моделирования.
При проведении экспериментальных исследований использовались положения теории измерения, современные средства измерений и методы обработки результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
– структурные схемы одно-, двух- и трехосевых МОЭМ-преобразователей малых угловых скоростей на основе ОТЭ с введением дополнительных масс, обеспечивающие работу при субмикронных смещениях ЧЭ;
– уточненные математические модели МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ, которые учитывают неравномерность изгибов ЧЭ под действием измеряемых угловых скоростей, расходимость оптического излучения и коэффициент коррекции, что обеспечивает уменьшение погрешности расчетов характеристик преобразователей;
– предложенные амплитудный и компенсационный методы расширения диапазона измерения МОЭМ-преобразователя угловых скоростей на основе ОТЭ и выражение для аппроксимирующей функции длительности выходных импульсов от измеряемой угловой скорости;
– методика расчета МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ, позволяющая производить расчет их основных параметров при обеспечении заданных технических требований.
Практическая значимость:
– использование полученных в работе уточненных математических моделей одно-, двух- и трехосевых МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ, позволяет повысить точность расчета их характеристик;
– получены аналитические выражения для определения динамических
характеристик МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ с применением эквивалентного колебательного RLC-контура;
– на основе экспериментального исследования туннельного эффекта с использованием полунатурного стенда определен коэффициент коррекции теоретических расчетов, что обеспечивает получение достоверной информации измерения;
– разработана методика расчета основных параметров МОЭМ-преобразователей угловых скоростей на основе ОТЭ по данным технических требований.
Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций,
сформированных в диссертации подтверждается использованием корректных
математических моделей, которые обоснованы соответствием полученных результатов известным, а также проведенным экспериментальным исследованиям.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в учебном процессе в дисциплине «Оптические и волоконно-оптические устройства и системы» кафедры «Системы автоматического и интеллектуального управления» МАИ.
Апробация работы. Основные научные результаты исследований по теме
диссертации докладывались на международных конференциях и семинарах:
«Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2014, 2015, 2016); «Авиация и космонавтика» (2014, 2015); «Международная конференция по фотонике и информационной оптике» (2015, 2016); «Микроэлектроника и информатика» (2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статьей в периодических изданиях, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 3 статьи в журналах, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования WoS и Scopus (считаются как журналы ВАК), 1 статья в трудах конференции, входящей в международную реферативную базу данных и систему цитирования Scopus, и 8 публикаций в виде тезисов докладов на научных конференциях и семинаре. Получено 2 патента РФ на изобретение №_2566384 и №_2607731.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 126 наименований, и двух приложений. Диссертационная работа изложена на 171 страницах текста, содержит 90 рисунков и 9 таблиц.