ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах, использующих вибрирующие массы.
Известен вибрационный гироскоп, построенный на основе камертона [1].
Недостатком такого устройства является то, что необходимо точно обеспечить расположение узла волны колебаний в опоре вибратора. Другим недостатком является сложность обеспечения резонанса настройки, вследствие разнородности возбуждающих и сигнальных колебаний.
Известен также чувствительный элемент датчика угловой скорости, включающий закрепленную на основании несущую рамку, расположенные внутри и соединенные с ней упругими элементами две инерционные массы [2].
Недостатками этого устройства является достаточно большая погрешность из-за влияния внешних возмущающих факторов, например повышенной, пониженной температур и траекторных возмущений. Другим недостатком, присущим таким чувствительным элементам, является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием.
Известен микромеханический гироскоп, содержащий основание, первую и вторую инерционные массы, выполненные в виде прямоугольных пластин из кремния и расположенные с зазором относительно основания, площадки крепления к основанию, упругие элементы, соединяющие инерционные массы с площадками крепления к основанию и допускающие колебательные движения каждой из инерционных масс параллельно основанию, упругие торсионы, соединяющие инерционные массы между собой и обеспечивающие вращательные колебания каждой из инерционных масс [3].
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности прибора, благодаря повышению добротности колебательной системы, а также снижению влияния внешних возмущающих факторов.
Эта задача решается за счет того, что в чувствительном элементе датчика угловых скоростей, содержащем, основание, первую и вторую инерционные массы, расположенные с зазором относительно основания, площадки крепления к основанию, упругие элементы, соединяющие инерционные массы с площадками крепления к основанию и допускающие колебательные движения каждой из инерционных масс параллельно основанию, упругие торсионы, соединяющие инерционные массы между собой и обеспечивающие вращательные колебания каждой из инерционных масс, сформирована опорная рамка, закрепленная на основании и расположенная между двух инерционных масс, на которой сформированы площадки крепления к основанию, упругие элементы соединяют каждую инерционную массу одним концом с опорной рамкой через упругие торсионы по оси симметрии чувствительного элемента, во взаимно перпендикулярном направлении упругие элементы соединены с каждой инерционной массой через жесткую перемычку.
Признаком, отличающим предложенный чувствительный элемент датчика угловых скоростей от известного, является то, сформирована опорная рамка, закрепленная на основании и расположенная между двух инерционных масс, на опорной рамке сформированы площадки крепления к основанию, упругие элементы соединяют каждую инерционную массу одним концом с опорной рамкой через упругие торсионы по оси симметрии чувствительного элемента, во взаимно перпендикулярном направлении упругие элементы соединены с инерционной массой через жесткую перемычку.
Высокая точность прибора обеспечивается высокой добротностью колебательной системы. Так, закрепление чувствительного элемента с закреплением опорной рамки, сформированной между колеблющимися, инерционными массами, обеспечивает минимальную потерю энергии колебательной системы. В точке закрепления механические напряжения равны нулю при всех видах колебаний. В чувствительном элементе возбуждение крутильных колебаний обеих инерционных масс осуществляется одновременно в противофазе. Это приводит к тому, что в месте крепления упругих элементов к опорной рамке с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. От вторичных крутильных колебаний имеет место воздействие деформаций на место соединения упругих торсионов с опорной рамкой и площадками крепления к основанию - имеют место аналогичные действия. Таким образом, потери энергии данной колебательной системы определяются работой деформационных сил в месте закрепления, которые как показано выше, равны нулю, так как равны нулю деформации и напряжения. Поэтому добротность предлагаемого чувствительного элемента является высокой. Предложенный чувствительный элемент датчика угловых скоростей иллюстрируется чертежом, представленным на фиг. 1, где:
1 - первая инерционная масса,
2 - вторая инерционная масса,
3 - опорная рамка,
4 - упругие элементы первой инерционной массы,
5 - упругие элементы второй инерционной массы,
6 - упругие торсионы первой инерционной массы,
7 - упругие торсионы второй инерционной массы,
8 - площадки крепления к диэлектрической плате,
9 - жесткая перемычка.
Чувствительный элемент датчика угловых скоростей, выполненный из монокристаллического кремния низкой проводимости содержит, первую инерционную массу 1 и вторую инерционную массу 2. Между инерционными массами 1 и 2 сформирована опорная рамка 3. На одной стороне опорной рамки 3 сформированы площадки крепления к основанию 8. Упругие элементы первой инерционной массы 4, соединяют первую инерционную массу 1 с опорной рамкой 3 через упругие торсионы первой инерционной массы 6 в месте формирования площадок крепления к основанию 8. Упругие элементы второй инерционной массы 5 соединяют вторую инерционную массу 2 с опорной рамкой 3 через упругие торсионы второй инерционной массы 7 в месте формирования площадок крепления к основанию 8. Во взаимно перпендикулярном направлении упругие элементы 5, 6 соединены с каждой инерционной массой 1 и 2 через жесткую перемычку 9.
Чувствительный элемент датчика угловых скоростей работает следующим образом.
Возбуждение колебаний инерционных масс 1 и 2 осуществляется, например, электростатическим способом и, таким образом, что при подаче на прибор питания инерционные массы 1 и 2 начинают колебаться в противофазе друг относительно друга на резонансной частоте вокруг оси Z. Такое движение инерционных обеспечивается сформированными упругими элементами 4 и 5, которые работают на изгиб при подаче переменного или импульсного напряжения на электроды, сформированные на инерционных массах 1, 2 и основании, расположенного под инерционными массами 1 и 2. Электростатические силы, возникающие при этом, работают на втягивание, а так как упругие элементы 4 и 5 сформированы так чтобы, обеспечивать работу только в плоскости, параллельной основанию, то движение инерционных масс 1, 2 осуществляется только вращением вокруг оси Z. При вращении чувствительного элемента относительно оси X на подвижные массы 1 и 2 начинают действовать кориолисовы силы. Упругие торсионы 6 и 7 обеих инерционных масс 1, 2 закручиваются в зависимости от направления действия кориолисовых сил. Тем самым, возбуждаются колебания каждой инерционной массы вокруг оси Y, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Причем инерционные массы 1 и 2 при этом совершают противофазные колебания.
Именно закрепление чувствительного элемента с опорной рамкой, сформированной между колеблющимися, инерционными массами, обеспечивает минимальную потерю энергии колебательной системы. От воздействия измеряемой угловой скорости возникают вторичные крутильные колебания. При этом имеет место воздействие деформаций на место соединения упругих торсионов с опорной рамкой и площадками крепления к основанию. В месте крепления упругих элементов к опорной рамке с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. Следовательно, добротность предлагаемого чувствительного элемента является высокой, а это повышает точность.
Источники информации:
1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М. Энергоатомиздат, 1989, 270 с.
2. Лысенко И.Е.Функционально интегрированные микро- и наномеханические сенсоры угловых скоростей и линейных ускорений. Таганрог, Южный Федеральный Университет, 2013, 19 с.
3. Патент США №9080870 - прототип.