Гироскопы и акселерометры. Основные производители, устройство и принципы работы

6.1.2 Малогабаритные гироскопы, характеристики и производители

Датчики состоят из пары кремниевых компенсационных электростатических акселерометров, каждый из которых установлен на двух пьезоэлектрических пластинчатых вибраторах. Принцип действия датчиков основан на измерении ускорения Кориолиса, возникающего при вибрации корпусов акселерометров и действии входной угловой скорости. Диапазон измерения угловых скоростей мультисенсорного датчика до 500 град/с, линейных ускорений - до 25 g. Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала по угловой скорости составляет 5 град/ч, нестабильность масштабного коэффициента порядка 1 % при полосе пропускания до 50 Гц. Дрейф нулевого сигнала по

ускорению составляет 0,5-10^-4g, нестабильность масштабного коэффициента 0,1 % при полосе пропускания до 100 Гц. Габариты ДМС-2 составляют соответственно: 46x46x14 мм, ДМС-2А: 55x40x12 мм.

В НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова на основе многолетнего опыта исследований, производства и испытаний гироскопов на упругом подвесе разработан и изготавливается ДНГ КИНД 05-049. Решение проблем упругого подвеса, скоростных шарикоподшипниковых опор, электропривода вала гироскопа позволило создать малогабаритный прибор, обладающий высокими техническими характеристиками и приемлемыми для использования в МИИМ массогабаритными характеристиками. КИНД 05-49 работает в условиях термостатирования при температуре 65 °С с погрешностью ±1 °С.

Большая часть существующих разработок ДНГ (МГ-4, ГВК-16, ГВК-16-1, КИНД 05-49 и др.) базируется на конструктивной схеме с двойным виброкардановым подвесом ротора. В связи со сложной технологией производства таких приборов их стоимость как в России, так и за рубежом весьма высока, а возможности уменьшения массо-габаритных характеристик можно считать практически исчерпанными. С этой точки зрения преимуществами обладает конструктивная схема с ротором, непосредственно подвешенным к валу приводного двигателя. Примером практической реализации этой схемы является малогабаритный роторный вибрационный гиротахометр РВГ-1 (ОАО АНПП "Темп-Авиа" и ЗАО "ГИРООПТИКА") [17]. Технические характеристики этого прибора приведены в таблице 6.2. Имея в виду, что подобные конструктивные схемы допускают применение планарных технологий, они обладают определенным резервом снижения габаритов и стоимости. При изготовлении самого деликатного узла - ротора на упругом подвесе с датчиком угла и датчиком момента, возможно применение неметаллических материалов (кварца, кремния) и технологических процессов, хорошо освоенных в электронной промышленности (травление, напыление и др.). Учитывая высокую степень автоматизации этих процессов, а также возможность интеграции при этом механической и электронной частей прибора, можно прогнозировать уменьшение его стоимости и габаритов.

Из зарубежных ДНГ наиболее совершенным является гироскоп G2000, разрабо-танный фирмой Litton (США). Погрешность гироскопа находится на уровне 0,1 град/ч, габариты 019x25 мм, масса 25 г. Электроника, обеспечивающая работу гироскопа, размещена на отдельной электронной плате размером 76x102x25 мм. Следует отметить, что на поставку гироскопов фирмы Litton в зарубежные страны существует ряд ограничений, так как они являются изделиями двойного применения.

Вибрационные возмущения, обусловленные дефектами шарикоподшипников вала - одни из основных причин погрешностей ДНГ. Поэтому не случайно, что усилия разработчиков ДНГ направлены на поиски методов уменьшения собственной вибрации гироскопа, вызванных вибрационными возмущениями шарикоподшипников вала, спектр которых является всюду плотным множеством на полуоси частот. Уменьшение собственной вибрации гироскопа может быть достигнуто усовершенствованием шарикоподшипниковых опор, применением шарикоподшипников с детерминированным спектром вибрации, состоящим из частот кратных частоте вращения кольца шарикоподшипника, частоте вращения сепаратора и комбинационных частот. Более радикальный путь состоит в применении новых конструктивных схем высокоскоростных опор на базе подшипников скольжения. В последнее время работа в этом направлении проводится ЦНИИ "Дельфин". Разработана опора скольжения (ОПС-1) и экспериментальный образец ДНГ с подшипниками скольжения в опорах вала, созданный на базе прибора ГБ-23/3. Предварительные результаты испытаний подтверждают повышение технических характеристик прибора, но, как указывают разработчики, требуются дальнейшие исследования в этом направлении.

Твердотельные волновые гироскопы разрабатываются Раменским приборо-строительным конструкторским бюро с 1983 года. К настоящему времени разработаны две модификации прибора с полусферическими резонаторами ТВГ-2 с диаметром резонатора 70 мм и ТВГ-3 с диаметром резонатора 50 мм. Разработка приборов ведется как законченных устройств со встроенной электроникой. ТВГ-3 - твердотельный волновой гироскоп, предназначен для работы в БИНС в качестве интегрирующего датчика угловой скорости. Технические характеристики этого прибора приведены в таблице 6.2 [17].

В Московском институте электромеханики и автоматики изготовлен и проходит испытания ВТГ с диаметром резонатора 20 мм и размерами чувствительного элемента: 030 мм, длина 63 мм. Предполагаемая погрешность гироскопа 0,5-1 град/ч.

НПО "Медикон" в сотрудничестве с фирмой Del со Systems Operations (США) осуществляет проект по разработке кварцевого полусферического резонатора 030 мм для

ВТГ. Ранее разработки НПО "Медикон" и фирмы Del со Systems Operations основывались на использовании резонаторов большего диаметра 60 мм и 58 мм соответственно. Уменьшая размеры резонатора разработчики предполагают существенно снизить вес и размеры ВТГ. При уменьшении диаметра резонатора вдвое предполагается улучшить массогабаритные характеристики в 3-5 раз. Показатели точности и надежности при этом могут быть сохранены на прежнем уровне. Наиболее дорогостоящей и сложной в технологическом отношении частью ВТГ является резонатор. К нему предъявляются высокие требования и для его изготовления необходима прецизионная технология. Снижение стоимости резонатора является основной проблемой при решении вопроса о снижении стоимости механического блока ТВГ. Резерв снижения стоимости кроется в изготовлении резонаторов без балансировочных зубцов. Беззубцовый резонатор оказывается технологичнее и дешевле в производстве. Разработка малогабаритного и достаточно дешевого в производстве резонатора, позволяющего расширить область применения ВТГ, осуществляется НПО "Медикон". Вместе с тем, оценивая перспективы развития и применения ТВГ, следует отметить, что вряд ли можно ожидать появления достаточно дешевых приборов широкого применения, построенных на их базе.

Как уже отмечалось, ключевые проблемы современного гироскопического приборостроения связаны с разработкой инерциальных чувствительных элементов, обладающих малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением и достаточно высокой надежностью. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют микромеханические гироскопы и акселерометры, производство которых осуществляется с использованием технологий, развитых в последние десятилетия в твердотельной микроэлектронике. Электромеханические узлы приборов этих типов формируются из неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц, карбид кремния и др.) методами фотолитографии и изотропного или анизотропного травления вместе с элементами электроники возбуждения, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей. Патенты на различные технические решения в области разработок микромеханических чувствительных элементов получены рядом ведущих зарубежных фирм (Draper Laboratory, Rockwell International, Systron Donner, Analog Devices, Sagem, Murata и др.).

Лаборатория Ч. Дрейпера занимается разработкой кремниевых микромеханических гироскопов и акселерометров с начала восьмидесятых годов. Современные ММГ Лаборатории показывают стабильность систематического дрейфа на уровне 0,5 град/с в диапазоне температур -40 °С + +85 °С без термостабилизации и стабильность систематического дрейфа при термостабилизации на уровне 1 град/ч. Приведенные показатели точности достигнуты в конструкциях ММГ, основанных на использовании схемы, содержащей две чувствительные массы в упругом подвесе. Чувствительные массы с помощью электростатических виброприводов приведены в колебательные движения в противофазах. Принцип действия прибора основан на измерении амплитуд угловых колебаний рамки или поступательных колебаний чувствительных масс, вызываемых кориолисовыми силами инерции. При вращении основания относительно оси чувствительности прибора возникают противоположно направленные кориолисовы силы инерции чувствительных масс, модули которых пропорциональны измеряемой угловой скорости. В зависимости от принятой конструктивной схемы упругого подвеса кориолисовы силы инерции вызывают поступательные колебания чувствительных масс или угловые колебания рамки, амплитуды которых пропорциональны измеряемой угловой скорости. Необходимую величину амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс и приемлемую точность измерения параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции, можно обеспечить лишь при низком уровне шумов, порождаемых электронными элементами и диссипацией энергии в упругих элементах осциллятора. Эта задача решается путем использования монокристаллического кремния и микроэлектронных технологий его обработки, что позволяет обеспечить добротность осциллятора на уровне 5-10 .В конструкции ММГ применяется динамическая настройка и обеспечивается поддержание строгого совпадения частоты возбуждения с собственной частотой чувствительных масс на упругом подвесе. Требуемая полоса пропускания прибора достигается применением системы обратной связи [17].

Фирма Systran Donner (США) серийно выпускает микромеханические датчики угловой скорости QRS11. Масса этого прибора составляет 60 г, габариты 042x16 мм. , Смещение нуля гироскопа QRS11 составляет менее 10 град/ч, нестабильность в запуске не

превышает 10" град/ч. Гироскоп QRS11 применяется в серийно выпускаемом корпорацией Rockwell International совместно с фирмой Systran Donner инерциальном измерительном модуле Motion Pack™. Модуль содержит три датчика угловой скорости QRS11 и три кварцевых акселерометра QFA7000 (масса каждого из акселерометров 55 г. габариты 025x22 мм) с погрешностью 10" -г 10" g. Инерциальный модуль Motion Pack™ применен в БИНС, интегрированной с GPS. Натурные испытания системы на автомобиле и самолете подтвердили эффективность использования инерциального модуля для исключения потери информации при кратковременных перерывах в работе приемника GPS и перспективность применения микромеханических гироскопов и акселерометров в интегрированных навигационных системах.

Фирма Murata (Япония) выпускает две модификации пьезоэлектрических вибрационных гироскопов ENV-05A и ENC-05E. Чувствительный элемент гироскопов этих типов представляет собой призму, имеющую сечение в форме равностороннего треугольника, на боковых гранях которой находятся пьезоэлементы для возбуждения первой формы изгибных колебаний призмы и съема сигналов. Гироскопический датчик ENV-05A имеет массу 45 г, габариты 58x25x25 мм, диапазон измеряемых угловых скоростей ±90 град/с. Прибор ENC-05E имеет массу 2,7 г габариты 8,5x7,6x21,5 мм.

Микромеханические датчики iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System) занимают особое место среди разнообразных датчиков, выпускаемых фирмой Analog Devices (США). Фирма в течение многих лет выпускает микромеханические датчики. Они обладают различными характеристиками, имеют как цифровые, так и аналоговые выходы; кроме того, многие датчики стали промышленным стандартом в электронике.

Датчики iMEMS - устройства, интегрирующие на одном кремниевом кристалле датчик угловой скорости и электронику, обеспечивающую формирование и предварительную обработку сигнала. Более десяти лет назад компания Analog Devices приступила к изготовлению электро­механических устройств на кристалле кремния с помощью данной технологии. Первые образцы полностью интегрированных однокристальных датчиков ускорения (акселерометров) iMEMS были выпущены в 1991 году. Изначально акселерометры iMEMS были разработаны специально для систем безопасности автомобилей, где они применялись для детектирования столкновений и активации подушек безопасности; сегодня же эти акселерометры применяются в качестве инерциальных датчиков в самых разных областях.

С определенным отставанием разработки микромеханических гироскопов и акселерометров осуществляются в России. ЗАО "ГИРООПТИКА" является одним из первых отечественных предприятий, разработавшим и изготовившим микромеханические гироскопы и акселерометры по технологии МЕМС, а в части гироскопов - единственным предприятием. Размеры датчиков в единицы миллиметров соизмеримы с размерами микроэлектронных компонентов. Датчики обладают повышенной стойкостью и прочностью к воздействию механических ударов до 16000 g однократного действия и широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот до 2000 Гц, при этом занимая нишу приборов среднего класса точности:

• 
  для гироскопов - случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала на уровне 5 град./час при динамическом диапазоне до 360 град./с с нелинейностью масштабного коэффициента не более 0,5%;
  
• 
  для акселерометров - случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала на уровне 0,3 mg при динамическом диапазоне до 100g с нелинейностью масштабного коэффициента не более 0,3%.