Инновационные технологии создания миниатюрного пьезоэлектрического балочного вибрационного гироскопа

• Автор: Образцов, Роман Михайлович
• Шифр специальности: 05.11.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 174 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Обзор научно-технической информации
1.1. Области применения и основные типы гироскопов
1.2. Вибрационные гироскопы. Состояние разработок и производства гироскопов. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки
1.2.1. Микромеханические гироскопы
1.2.2. Диафрагменный вибрационный гироскоп
1.2.3. Камертонные вибрационные гироскопы
1.2.4. Балочные твердотельные вибрационные гироскопы
1.2.5. Балочные пьезоэлектрические вибрационные гироскопы
1.2.6. Состояние разработок и производства гироскопов
1.2.7. Обоснование выбора типа гироскопа для исследования и разработки
Глава 2. Исследование и разработка миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа
2.1. Выбор пьезоэлектрического материала и разработка конструкции чувствительного элемента вибрационного гироскопа
2.2. Разработка алгоритма настройки чувствительного элемента вибрационного гироскопа
2.3. Исследование и разработка упругих подвесов для балочного биморфного чувствительного элемента вибрационного гироскопа
2.4. Разработка электрической схемы возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов гироскопа
Глава 3. Разработка технологии изготовления миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа
3.1. Технология изготовления пьезокерамических биморфных балок
3.2. Технология изготовления и монтажа упругих подвесов на биморфную балку. Сборка чувствительного элемента
3.3. Балансировка чувствительного элемента балочного вибрационного гироскопа
3.4. Разработка принципов настройки параметров балочного вибрационного гироскопа
3.5. Корпусирование и маркировка балочного вибрационного гироскопа
Глава 4. Исследование и измерение характеристик миниатюрного пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного гироскопа
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
Список литературы
Приложение 1. Список основных публикаций автора по теме
диссертации
Приложение 2. Тексты программ для эвм по моделированию
чувствительного элемента гироскопа
Приложение 3. Дополнительные сведения о интегральной микросхеме . 155 Приложение 4. Требования к параметрам заготовок для чувствительного
элемента гироскопа
Приложение 5. Сборка гироскопа
Приложение 6. Документы о практическом использовании результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ
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 величин от этих параметров. 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 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 пьсзогироскопов 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», «Nec», «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.

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 5 и 7 [54-59].
Рис. 1.22. Пьезоэлектрический цилиндрический чувствительный элемент