В.Д. Вавилов, И.В. Вавилов, А.Н. Долгов, А.А. Яковлев,
(Арзамасский политехнический институт (филиал НГТУ),
г. Арзамас)
Существующие чувствительные элементы микросистемных гироскопов обладают существенным недостатком - низкой точностью. В частности, низкая точность чувствительного элемента интегрального гироскопа, содержащего несущую пластину из монокремния, подвижный узел, состоящий из двух рамок, внешней и внутренней, которые соединены с несущими элементами торсионами, обусловлена тем, что информационным сигналом является амплитуда колебаний рамки, на которые накладываются колебания от мест закрепления.
У чувствительного элемента гироскопа, содержащего чувствительную массу, которая приводится в колебательное движение относительно подвижной рамки, которая в свою очередь движется относительно корпусной пластины, низкая точность обусловлена тем, что в ней нет механического преобразования измеряемой угловой скорости в непрерывный выходной сигнал.
Повышение точности предлагаемого микромеханического чувствительного элемента обеспечивается тем, что чувствительная масса подвешена внутри поворотной рамки на упругих Г-образных растяжках с возможностью совершения им по окружности относительно нейтрального положения. В предложенном устройстве поворотная рамка не совершает колебаний относительно корпусной пластины, а отклоняется на угол, пропорциональный поворотной скорости, то есть происходит преобразование угловой скорости в непрерывный выходной сигнал. Это позволило упростить обработку выходной величины и повысить точность микрогироскопа за счет исключения операции преобразования переменного сигнала в среднее значение.
Чувствительный элемент содержит корпусную пластину, подвешенную в окне корпусной пластины на консоли, поворотную рамку и чувствительную массу, которая выполнена в виде четырех квадратных элементов, соединенных в центре общей площадкой.
Имеются также торсионы, соединяющие поворотную рамку с несущей пластиной, Г-образные растяжки подвеса чувствительной массы внутри поворотной рамки. Поворотная рамка в данном случае выполняет роль гирочувствительного узла, а чувствительная масса внутри поворотной рамки - функции гиромотора и приводится в движение по окружности относительно центра масс чувствительной массы с помощью электростатического автогенератора.
Работает чувствительный элемент предлагаемого типа таким образом. При отсутствии переносного вращательного движения поворотная рамка остается не подвижной, а все точки чувствительной массы движутся по окружностям с центрами в ее центре масс. Это движение задается посредствам импульсов, подаваемых последовательно на каждый из четырех элементов массы с помощью электродов возбуждения.
При появлении переносного вращения вокруг оси Ох с угловой скоростью Ω. на чувствительную массу начинает действовать гироскопический момент, вызываемый силами генерации Кориолиса, который через Г-образные растяжки будет отклонять поворотную рамку относительно оси Оу на угол α, равный
α = k Ω.
Здесь k = I0 w/ Gk - коэффициент крутизны статической характеристики; I0= тr2 - полярный момент инерции чувствительной массы; w - частота возбуждения вынужденных колебаний; Gk - жесткость торсиона на кручение; т - масса чувствительной массы; r - радиус окружности, по которой движется масса; Ω - измеряемая угловая скорость.
Из приведенной зависимости видно, что между углом отклонение поворотной рамки α и измеряемой величиной Ω существует линейная зависимость, что повышает точность микромеханического чувствительного элемента гироскопа.
В конструкции микросистемного гироскопа имеется магнитоэлектрический преобоазователь момента, предназначенный для компенсации вектора действующей угловой скорости. Суммарная точнось микросистемного гироскопа определяется точностью звена обратной связи, а именно точностью его элементов. Из анализа зависимостей между величинами преобоазователя момента найдено следующее выражение для оптимизации точностных характеристик:
αB + αL - αR = 0
где αB - температурный коэффициент магнитной индукции; aL - температурный коэффициент линейного расширения материала возвращающей обмотки; αR - температурный коэффициент сопротивления нагрузочного резистора. Выполняя приведенное равенство, получим минимальное значение погрешности преобразователя, которая на макетных и опытных образцах достигнута в пределах 0.01 % от диапазона измерений.
|
