Стержневой вибрационный микрогироскоп

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в инерциальных навигационных системах и системах управления подвижных объектов. Технической задачей полезной модели является повышения точности определения угловой скорости основания гироскопа. Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении точности определения угловой скорости путем получения большего объема информации от увеличенного количества используемых стержней, и достигается тем, что в известном стержневом вибрационном микрогироскопе, содержащем упругие стержни квадратного сечения, расположенные в виде консолей на плате и пьезоэлектрические преобразователи силы, согласно полезной модели, количество стержней, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга во взаимноперпендикулярных направлениях, выбрано не менее 8, пьезоэлектрические преобразователи установлены на плате, торцы кварцевых стержней имеют металлизированные светоотражающие поверхности, над ними под острым углом расположена фотоматрица. 2 илл.

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в инерциальных навигационных системах и системах управления подвижных объектов.

Известны стержневые вибрационные микрогироскопы (см., например, книгу Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Тула.: Гриф и К, 2004. на 77-78 с; статью Шахнович И.В., МЭМС - гироскопы - единство выбора // Электроника: наука, технология, бизнес. 2007. 1. С.76-85.) содержат обычно не более двух или четырех стержней. Получение информации с указанных приборов ограниченно количеством используемых стержней. Это обстоятельство не позволяет определять угловую скорость с высокой точностью.

Известен вибрационный гироскоп, содержащий чувствительный элемент из четырех упругих стержней квадратного сечения, расположенных симметрично в виде консолей на плате (Астахов С.В., Меркурьев И.В., Подалков В.В. Влияние конечных деформаций резонатора на динамику и точность микромеханического гироскопа камертонного типа // Вестник МЭИ. 2010. 4. С. 148-154). Для возбуждения колебаний чувствительного элемента используются пьезоэлементы, установленные на стержнях. Угловое движение основания определяется по малым колебаниям чувствительного элемента.

Недостатком известного устройства является низкая чувствительность к измеряемой скорости, обусловленная тем, что получение информации ограниченно количеством используемых стержней.

Технической задачей полезной модели является повышения точности определения угловой скорости основания гироскопа.

Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении точности определения угловой скорости путем получения большего объема информации от увеличенного количества используемых стержней, и достигается тем, что в известном стержневом вибрационном микрогироскопе, содержащем упругие стержни квадратного сечения, расположенные в виде консолей на плате и пьезоэлектрические преобразователи силы, согласно полезной модели, количество стержней, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга во взаимноперпендикулярных направлениях, выбрано не менее 8, пьезоэлектрические преобразователи установлены на плате, торцы кварцевых стержней имеют металлизированные светоотражающие поверхности, над ними под острым углом расположена фотоматрица.

На фиг. 1 схематично представлен стержневой вибрационный микрогироскоп, на фиг. 2 - плата со стержнями, вид сверху. Стержневой вибрационный микрогироскоп содержит упругие стержни 1 квадратного сечения, расположенные в виде консолей на плате 2. Количество стержней, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга во взаимноперпендикулярных направлениях, выбрано не менее 8. Пьезоэлектрические преобразователи 3 установлены на плате. Торцы кварцевых стержней имеют металлизированные светоотражающие поверхности 4. В качестве датчика съема информации применяется фотоматрица 5. Стержни вместе с платой изготовляются из поликристаллического кремния по технологии плазмохимического глубокого травления кремния [см. Амиров И.И., Морозов О.В., Изюмов М.О., Кальнов В.А., Орликовский А.А., Валиев К.А. Плазмохимическое травление глубоких канавок в кремнии с высоким аспектным отношением для создания различных элементов микромеханики // Микросистемная техника, 2004. Т. 18. С. 15-18]. Торцы стержней представляют собой металлические площадки, выполненные напылением.

Стержневой вибрационный микрогироскоп работает следующим образом: пьезоэлементы 3, воздействуя на плату 2, возбуждают колебания стержней 1 в плоскостях, параллельных плоскости XOZ, на резонансной частоте. При вращении микрогироскопа относительно оси OZ, кроме колебаний стержней в плоскостях, параллельных плоскости XOZ, возникают колебания стержней в плоскостях, параллельных плоскости YOZ. Лучи от источника света 6, попадают на зеркальные поверхности торцов стержней, отражаясь, направляются на фотоматрицу 5. Сигналы u_xk и u_yk, пропорциональные амплитудам колебаний торца k - го стержня по осям X и Y соответственно, измеряются фотоматрицей. Угловая скорость относительно оси OZ вычисляется по формуле:

где и - осредненные измеренные сигналы по осям X и Y соответственно, N - количество стержней в микрогироскопе. Проведем оценку погрешности измерения скорости. Как известно, (см. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф Справочник по физике., М. Наука. 1985), стандартная погрешность косвенного измерения скорости, вычисляемая по формуле (1) равна ,

где S_ux и S_uy - погрешности измерения величин U_x и U_y соответственно.

Предполагая, что S_ux=S_uy=S _u, получим .

Таким образом, погрешность измерения скорости S пропорциональна погрешности S_u измерения величин U_x и U_y.

Величина погрешности S_u пропорциональна длине доверительного интервала равного , где s - стандартная погрешность измерения сигналов U _x и U_y с одного стержня, t - коэффициент, зависящий от количества измерений N и уровня доверия . Коэффициент t определяется по таблице распределения Стьюдента. Пусть =0.99, тогда при осреднении значений с 4-х стержней N=4 t=5.84, а при N=100 t=2.58.

Длина доверительного интервала равна 2.92s при N=4 и 0.258s при N=100. Следовательно, погрешность в результате увеличения числа стержней в 25 раз с 4 до 100 уменьшается примерно в 11 раз.

Стержневой вибрационный микрогироскоп, содержащий упругие стержни квадратного сечения, расположенные в виде консолей на плате и пьезоэлектрические преобразователи силы, отличающийся тем, что количество стержней, располагающихся на одинаковом расстоянии друг от друга во взаимно перпендикулярных направлениях, выбрано не менее 8, пьезоэлектрические преобразователи установлены на плате, торцы кварцевых стержней имеют металлизированные светоотражающие поверхности, над ними под острым углом расположена фотоматрица.