Методы снижения порога чувствительности микромеханического гироскопа

• Автор: Беляев, Яков Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Способы снижения порога чувствительности ММГ

1.1 Особенности конструкции ММГ ИЯтипа.

1.2 Математическая модель ММГ

1.3 Характеристики ММГ.

1.4 Обзор существующих методов снижения порога чувствительности ММГ

2 Анализ электродной структуры.

2.1 Электродные структуры в ММГ

2.2 Нелинейности в электродных структурах

2.3 Расчет характеристик электродной структуры.

2.4 Анализ электродной структуры по оси первичных колебаний
2.5 Влияние нелинейности характеристик гребенчатой структуры на измеряемый сигнал
2.6 Анализ электродной структуры по оси вторичных колебаний
2.7 Влияние паразитных связей на порог чувствительности
3 Системы управления в ММГ.
3.1 Система возбуждения первичных колебаний
3.2 Система демпфирования колебаний по выходной оси ММГ.
3.3 Система подавления квадратурной помехи.
4 Система автоматической подстройки разности частот АПРЧ
4.1 Подсистема формирования и выделения тестового воздействия
4.2 Система АПРЧ.
4.3 Уточненная математическая модель с учетом системы АПРЧ
4.4 Экспериментальные исследование ММГ с системами управления.
Заключение.
Список литературы


На основе расчетов методом конечных элементов предложена методика определения уточненных характеристик емкостных датчиков угла и момента, отличающаяся возможностью учета краевых эффектов и конструктивных особенностей электродной структуры. Разработаны новые методики определения рабочего режима и параметров ЧЭ при резонансной настройке и выбранной амплитуде первичных колебаний, основанные на использовании явления электростатического залипания и квадратурной помехи в качестве тестового сигнала. Получена уточненная математическая модель одномассового ММГ ЯЯ-типа, отличающаяся наличием дополнительных связей, отражающих работу автоматической системы подстройки резонансных частот. Разработан набор макросов в среде АИйУЗ для расчета методом конечных элементов основных характеристик электродных структур ЧЭ ММГ ЯЯ-типа, который позволяет определить для любой конфигурации электродов значение емкостей, сил, моментов и отрицательных жесткостей в зависимости от углов поворота подвижной массы и приложенных напряжений. Предложен метод формирования тестового воздействия, позволяющий при незначительной доработки существующих систем подавления квадратурной помехи выделять сигнал, пропорциональный разности резонансных частот подвеса. Разработаны структурные схемы и схемные решения, позволяющие реализовать предложенные методы формирования тестового воздействия и автоматическую подстройку резонансных частот в системе управления ММГ. Показано, что использование системы автоматической подстройки резонансных частот позволяет существенно уменьшить порог чувствительности ММГ за счет увеличения его механического коэффициента усиления. Показана возможность реализации ММ Г разомкнутого типа с добротностью контура вторичных колебаний более 0 с разностью частот близкой к нулю. Предложенные методики, основанные на использовании явления электростатического залипания и квадратурной помехи в качестве тестового сигнала, позволяют за время менее с. ЧЭ, рабочие напряжения на электродах, необходимые для резонансной настройки, а так же проводить отбраковку ЧЭ. Предложенная уточненная модель ММГ с системами управления может быть использована для исследования параметров и характеристик ЧЭ и ММГ. Микромеханический гироскоп (ММГ) относится к классу инерциальных чувствительных элементов, предназначенных для измерения угловой скорости. Такие устройства широко используются в системах навигации, системах целеуказания, системах безопасности для автомобилей, робототехнике и т. Принцип действия ММГ основан на преобразовании энергии вынужденных (первичных) колебаний подвижной массы (ПМ) на упругом подвесе в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости [,]. ММГ представляет собой микроэлектромеханическую систему, состоящую из механической части и электронных систем управления []. По виду движения ПМ различают микромеханические гироскопы LL-типа (linear-linear), RR-типа (rotary-rotary), а также гироскопы со смешанным типом движения riM-LR-тип []. Существуют микромеханические гироскопы, основанные на другом принципе измерения угловой скорости, например, волновые, но в данной работе этот класс датчиков не рассматривается []. Одним из первых конструкция ММГ ЧЭ RR-типа была разработана в г. Tang, W. C. университета Калифорнии в Беркли []. Конструкция предложенного гироскопа отличалась от других использованием ПМ, совершающей не поступательные движения, а вращательные. Так же он один из первых в мире предложил использовать гребенчатую электродную структуру для датчика момента или гребенчатого двигателя и датчика перемещений ПМ. В данной работе исследуется ММГ RR-типа (рис. Рисунок 1. Конструкция ЧЭ ММГ ЯЯ-типа Конструктивно ЧЭ состоит из электродов и подвижной массы (ИМ) (рис. Электроды, за счет которых осуществляется измерение углов поворота ИМ, формируют емкостные датчики угла (ДУ). Электроды, за счет которых формируются электростатические моменты, действующие на ИМ, образуют емкостные датчики момента (ДМ). ДМ и ДУ являются элементами систем управления ММГ, характеристики которых необходимо определять с учетом нелинейностей, сложной конфигурации электродов и угловых перемещений. Рисунок 1.