Анализ микромеханических гироскопов с вибростойкими упругими подвесами

(ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С-Петербург)^

В настоящее время ведется интенсивная разработка навигационных систем основанных на микромеханических датчиках. Для надлежащего использования ММГ на высокодинамичных объектах, которым характерны высокие динамические нагрузки, высокочастотные линейные и угловые вибрации в широких диапазонах и интенсивными ударами (с уровнями ускорений свыше 100g), требуется гироскоп с резонансной частотой свыше 6-6,5 кГц, а следовательно с повышенной вибростойкостью.

Сравнивая зарубежные аналоги и российский результат производства, можно отметить такие цифры о вибростойкости для фирм «Honeywell» и «Analog Devices» - это свыше 10 и 7 кГц, для фирмы «Электроприбор»-это 2-3 кГц.

Для расширения области применения ММГ, разработанного в ЦНИИ «Электроприборе» необходимо повысить вибростойкость, а, следовательно, собственную частоту подвеса.

В настоящей работе рассматривается ММГ, разработанный в ЦНИИ Электроприбор. Он представляет собой микромеханический гироскоп R-R типа.

Инерционное тело, закрепленное на основании посредством упругого подвеса приводится в движение вокруг оси ω₁ электростатическим приводом. Когда на основание воздействует угловая скорость, направленная по оси Ω, возникают колебания относительно оси ω₂, параметры которых снимаются емкостными датчиками. В настоящей работе рассматриваются ММГ с тремя видами подвесов, возможных для повышения собственной частоты упругих подвесов.

Цель работы разработать методику повышения собственной частоты упругих подвесов ММГ, изменяя параметры подвеса, но не изменяя их принципиальную конструкцию.
Постановка задачи

Были проведены испытания на вибрации для ММГ, разработанного в ЦНИИ «Электроприбор». Испытания заключались в установке ММГ на вибростенде и задавалась бегущая частота от 0 до 2кГц. Было видно, что на частоте 1кГц и 1,5кГц имеются резонансные пики, что соответствует трети и половине собственной частоты. Как один из вариантов снижения влияния вибраций – повышение собственной частоты подвеса. Однако, следует обратить внимание на то, что увеличение собственной частоты подвеса ведет за собой снижение чувствительности гироскопа к измеряемым угловым скоростям. Таким образом можно сказать, что для расширения применяемости изделия для областей с повышенным требованием по вибростойкости ведет к уменьшению чувствительности прибора.

Настоящая работа состоит в разработке методики повышения собственных частот микромеханического гироскопа. В выявлении оптимальных параметров для упругого подвеса ММГ, которые будут удовлетворять условию для использования на высокодинамичных объектах.

Изменяя принципиальную схему подвеса ММГ и параметры упругого подвеса ММГ, рассчитать подвес таким образом, чтобы частота по первичным колебаниям не превышала частоту по вторичным колебаниям, при этом разность частот первичных и вторичных колебаний должна быть сохранена на уровне 150-300 Гц.

В данной работе рассматривается ММГ, разработанный в ЦНИИ «Электроприбор», однако предполагаемая методика может быть использована для других микромеханических датчиков.

Методика расчета

А)Б)

В)

Варьируя параметрами конструкции чувствительного элемента ММГ можно изменить собственные частоты упругого подвеса ИТ. Для этого необходимо проследить зависимость собственных частот от следующих параметров: b - ширина балок упругого подвеса, α - угол между направлением балок упругого подвеса и осью Ox.

в то время как изменение угла между балкой и осью Ох имеет большее влияние на вторичную частоту (второй оды собственной частоты колебаний).

Где ω₄₄ и ω₅₅ – первичная и вторичная собственные частоты.

Для того, чтобы осуществить настройку ММГ, разница между первичной и вторичной частотой должны быть в пределах 150-300 Гц.
Для начала проследим зависимость изменения собственной частоты подвеса от ширины балок упругого подвеса

Были проведены расчеты собственных частот упругого подвеса для различных конструкций ИТ и размеров ширины балок упругого подвеса. По результатам были составлены графики зависимости.

А)Б)

В)

Было зафиксировано, что изменение ширины балок упругого подвеса имеет большее влияние на изменение первичной частоты (первой моды собственной частоты колебаний).

Представлены графики изменения собственной частоты упругого подвеса от ширины его балки. Показано, что собственная частота вторичных колебаний с увеличением ширины балки упругого подвеса увеличивается, однако, собственная частота первичных колебаний увеличивается с большим трендом, что в конечном итоге приводит к перехлесту частот.

А)Б)

В)

На графиках изменения собственной частоты упругого подвеса от угла расположения балок относительно оси Ox. Показано, что собственная частота первичных колебаний с увеличением угла расположения балок относительно оси Ox увеличивается, однако, собственная частота вторичных колебаний увеличивается с большим трендом, что в конечном итоге приводит к расхождению частот.

Следовательно можно применить комбинированный метод. Установив толщину торсиона, удовлетворяющей условию по частоте свыше 6 кГц мы проводим расчеты с изменением угла торсиона относительно оси ОХ.

А)Б)

В)

Предложена методика, с помощью которой возможно изменять собственные частоты микромеханического гироскопа, т.е. изменяя параметры упругого подвеса (толщина и угол расположения торсионов), мы увеличиваем собственные частоты ММГ;

Проанализированы различные схемы упругих подвесов ММГ с повышенной собственной частотой;

Проведен анализ напряжений в упругом подвесе для ММГ с повышенной собственной частотой.

1. 
   Пешехонов В.Г. и др. Микромеханический гироскоп для высокодинамичных объектов // Мехатроника, автоматизация, управление – 2007. Материалы Международной научно-технической конференции. – Таганрог, Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. – С. 442-444.
   
2. 
   Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. – Тула: Гриф и К., 2004. – 476 с.
   
3. 
   Кучерков С.Г., Шадрин Ю.В. К вопросу о выборе конструктивных параметров микромеханического кольцевого гироскопа вибрационного типа// Материалы III конференции молодых ученых «Навигация и управление движением».- СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2001. – С. 94-101.
   
4. 
   Евстифеев М.И. Погрешности микромеханического гироскопа на вибрирующем основании// Гироскопия и навигация. - 2002. - №2. С. 19-25.
   
5. 
   Geen J. Progress in Integrated Gyroscopes // IEEE A&E Systems magazine – November, 2004. – pp. 12-17.
   
6. 
   Geiger W. et al. Test Results of the Micromechanical Coriolis Rate Sensor CORS II//Symposium Gyro Technology 2004, Stuttgart, Germany.
   
7. 
   Geen J., Krakauer D. New iMEMS^® Angular-Rate-Sensing Gyroscope// Analog Dialogue Volume 37-3, March 2003, pp.12-14.
   
8. 
   U.S. Patent 5635640. Micromachined Device with Rotationally Vibrated Masses/ Geen J. ; Analog Devices, Inc. – Jun.3, 1997. – 16 p.
   
9. 
   Евстифеев М.И., Унтилов А.А. Требования к точности изготовления упругого подвеса микромеханического гироскопа// Гироскопия и навигация. - 2003. - №2. С. 24-31.
   

Авторы не возражают против размещения доклада в Интернете и согласны с его последующей публикацией в сборнике материалов конференции.

Тел.: +7 (921) 790-11-22