СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
ANGULAR VELOCITY MEASUREMENT METHOD

Изобретение может быть использовано для измерения величины угловой скорости подвижного объекта с помощью гироскопического эффекта.
Из работ [Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. гос. университет, Московский гос. технологический ун-т им. К.Э.Циолковского. - Тула: Гриф и К, 2004. - 476 с., ил.] известен способ измерения угловой скорости с использованием инерционных масс (ИМ), крепящихся к основанию с помощью упругих подвесов, обеспечивающих им необходимые степени свободы. Под действием угловой скорости ИМ отклоняется от своего первоначального положения и величина этого смещения будет пропорциональна величине угловой скорости. Схема устройства, реализующего этот способ, представлена на фиг.1. Оно представляет собой микромеханический гироскоп, состоящий из двух ИМ 1 и 2, удерживаемых с помощью упругих подвесов 3. Для возбуждения колебаний ИМ и съема сигнала используются гребенчатые структуры 4.
Инерционным массам задается возбуждающее движение, скорость которого может быть записана в виде
Использование противофазного движения инерционных масс позволяет компенсировать действие линейных ускорений на корпус инерциального модуля.
При воздействии угловой скорости  (фиг.1), направленной по оси z, инерционные массы 1 и 2 приобретают противофазные ускорения Кориолиса, которые можно записать в виде
;
Интегрируя эти выражения, получаем
Результирующее движение каждой из ИМ с ортогональными составляющими (1), (3) и (2), (4) будет совершаться по эллиптическим траекториям, размеры осей которых будут определяться амплитудами ортогональных составляющих. Из-за этих смещений будет изменяться емкость между пластинами гребенок устройств съема информации. Величина действующей угловой скорости пропорциональна изменению емкости и, следовательно, изменению выходного напряжения.
Недостатком такого способа является наличие подвижной инерционной массы и элементов ее подвеса. Это обстоятельство ограничивает виброустойчивость и ударопрочность микромеханического гироскопа, с одной стороны, и требует использования сложных микротехнологий, с другой.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ измерения угловой скорости, основанный на свойствах стоячих поверхностных волн (ПАВ) в пьезоэлектриках [М.Kurosawa, Y.Fukuda, M.Takasaki, and T.Higuchi, "A surface acoustic wave gyro sensor", in Proc. IEEE Int. Conf. Solid-State Sensors Actuators. - pp.863-866, 1997; M.Kurosawa, Y.Fukuda, M.Takasaki, and T.Higuchi, "A surface-acoustic-wave gyro sensor", Sensors Actuators, vol.A66, no.1, pp.33-39, 1998], заключающийся в возбуждении двух стоячих поверхностных акустических волн в противоположных направлениях с помощью встречно-штыревого преобразователя (ВШП) в стороны двух многоэлементных отражателей, расположенных на этой же подложке, что и ВШП, которая совершает угловое движение, и предварительном размещении в пучностях этих волн квазиточечных инерционных масс. При вращении подложки вокруг осей, нормальных к вектору скорости колеблющихся частиц V, появляются вторичные колебания, вызванные силами Кориолиса, амплитуда которых определяется выражением
,
где  - ускорение Кориолиса;
- вектор угловой скорости звукопровода;
- амплитуда первичных колебаний на частоте ПАВ ω.
Известный способ поясняется устройством, представленным на фигуре 2. Здесь встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 1 возбуждает стоячую поверхностную акустическую волну (ПАВ) вдоль оси х (первичные колебания). В центральной части помещается матрица инерционных масс abcd, сосредоточенных в пучностях стоячей волны и совершающих первичные гармонические колебания вдоль оси у, перпендикулярной плоскости чертежа. При вращении подложки вокруг оси х возникают вторичные колебания вдоль оси z, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости .
Особое внимание уделяется позиционированию навешиваемых масс. Основным требованием является точное размещение навешиваемых масс в пучностях стоячей волны. Сами массы выполняются напылением золотой пленки на хромированную подложку. Толщина навешиваемой инерционной массы составляла 570±5 нм. Но введение между ВШП 1 и многоэлементным отражателем 2 посторонних элементов требует использования сложных и дорогостоящих технологий и, что особенно важно, серьезно искажает картину волнового поля.
Приведенные в работах [R. Clive Woods, Hoshi Kalami, and Brian Johnson, Evaluation of a Novel Surface Acoustic Wave Gyroscope, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol.49, №1, January 2002; F.Huang and E.G.S.Paige, "Scattering of surface acoustic waves by electrical effects in two-dimensional metal film structures", IEEE Transactions Ultrasonics, Ferroelectrics, Frequency Control, vol.35, no.6. - pp.723-735, 1998; R.С.Woods, "Reflective array copmressors using 180° reflecting metal dot arrays", J. Appl. Phys., vol.54, no.11. - pp.6240-6244, 1983] оценки показали, что одной из основных проблем при реализации такого способа является отражение и рассеяние акустической волны от инерционных масс, локализованных в пучностях ПАВ (матрица инерционных масс abcd на фиг.2). Наблюдение полезного сигнала (гироэффекта) в этом случае оказывается затруднительным.
Таким образом, недостатком известного способа является высокий уровень рассеяния акустического сигнала.
Задачей, решаемой изобретением, является уменьшение рассеяния и искажений полезного сигнала.
Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе, так же как и в известном, возбуждают две стоячие ПАВ в противоположных направлениях с помощью встречно-штыревого преобразователя в стороны двух многоэлементных отражателей. Но в отличие от известного, в предлагаемом способе измеряют разность величин деформаций граней элементов отражателей, возникающих под действием поверхностных акустических волн в состоянии углового перемещения и без него.
Достигаемый технический результат - уменьшение рассеяния и искажений полезного сигнала.
Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует способ измерения угловой скорости, в котором разность величин деформаций элементов отражателей определяют путем измерения разности фаз двух световых волн от общего источника, распространяющихся по двум световодам, возникающих за счет деформаций световодов, каждый из которых находится в контакте с элементами одного из двух многоэлементных отражателей.
-10
-15
Достигаемый дополнительный технический результат обеспечивает высокую чувствительность измерений. Это объясняется тем, что деформация каждого отдельного элемента многоэлементного отражателя имеет величину порядка ε~10. Поэтому, чтобы оценить ее величину, необходимо преобразовать деформацию в форму, удобную для измерения. Наиболее эффективным способом оценки такой величины деформации является использование оптических волноводных дифракционных решеток, позволяющих измерять динамические деформации на уровне ε=10.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - устройство, реализующие способ-аналог;
на фиг.2 - устройство, реализующие способ-прототип;
на фиг.3 - приведена общая схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения угловой скорости;
на фиг.4 - показан участок многоэлементного отражателя (фиг.4а), где узлы стоячей волны совпадают с входными гранями отдельных элементов 1, 2, 3 многоэлементного отражателя. При этом предполагается, что возбудитель (ВШП) расположен с левой стороны (на фигуре 4 не показан). На фиг.4б-4г поясняется принцип работы устройства.
Рассмотрим устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.3). Оно состоит из ВШП 1, расположенного на пьезоэлектрическом слое 2, который нанесен на изотропную подложку 3 в области размещения ВШП 1, двух многоэлементных отражателей 4 и 5, двух световодов 6 и 7 и фазового детектора 8.
ВШП 1 (фиг.3) возбуждает две ПАВ, бегущие в противоположные стороны к многоэлементным отражателям 4 и 5. Отражаясь от последних, ПАВ возвращается к ВШП, образуя стоячую волну между многоэлементными отражателями. Обычно многоэлементный отражатель выполняется в форме тонких металлических полос шириной λ/4, напыленных на подложку. Период следования выбирается равным λ/2, что обеспечивает синфазное сложение отраженных парциальных волн на выходе отражателя. Малое значение коэффициента отражения (порядка 0.01) на границе раздела подложка/ребро элемента многоэлементного отражателя приводит к необходимости использовать большое количество парциальных отражателей (металлизированных полос), общее число которых может достигать нескольких сотен. Измерение угловой скорости производят по величине противофазных механических деформаций сжатия-растяжения под действием сил Кориолиса, возникающих в соседних секциях многоэлементных отражателей и порождающих сдвиговые колебания с вектором поляризации в плоскости подложки, что, в свою очередь, изменяет фазу световых волн, распространяющихся по двум световодам.
ПАВ, падающая на многоэлементный отражатель и проникающая в глубь него, постепенно ослабляется за счет перекачивания энергии падающей волны в энергию отраженной. В образованном таким образом резонаторе удается получить наибольшую амплитуду колебаний. При этом узлы стоячей волны должны размещаться на входной грани каждого элемента многоэлементного отражателя.
R
Поперечную составляющую скорости V стоячей ПАВ можно записать как суперпозицию двух встречно бегущих волн вида
,
R
где V - радиальная составляющая скорости частиц,
- волновое число.
R
1
R
Вертикальные составляющие скорости частиц V под воздействием стоячей ПАВ будут распределены по гармоническому закону вдоль координаты х, как показано на эпюре фиг.4б: на входе в элемент отражателя (левый край элемента 1 многоэлементного отражателя) скорость частиц всегда равна нулю, а на выходе (правый край элемента 1 многоэлементного отражателя) он попадает в пучность стоячей волны, где скорость V максимальна.
1
2
Если вектор угловой скорости звукопровода  направлен параллельно координате х (фиг.4а), то появляется ускорение Кориолиса , гармонически изменяющееся вдоль координаты х. Его можно записать в виде
.
При этом на один элемент отражателя и расположенные под ним частицы звукопровода будет действовать распределенная сила инерции (сила Кориолиса), равная
,
R
где m - масса одного элемента отражателя, которая может быть вычислена из очевидного соотношения
R
где ρ - плотность материала отражателя,
l - апертура пучка, равная длине одной полосы отражателя,
d - толщина отражателя (напыленной металлизации отражателя).
Для оценки величины измеряемой угловой скорости  целесообразно выбрать величину относительных деформаций отражателей, которую можно записать в виде
где l - длина одного элемента отражателя, не подверженного деформации;
Δl - изменение длины одного элемента отражателя при его деформации;
K
F - сила Кориолиса, действующая на один элемент отражателя;
S - площадь малой боковой грани одного элемента отражателя, S=l×b×h;
l - длина одного элемента отражателя;
b - ширина одного элемента отражателя;
h - толщина одного элемента отражателя;
Е - модуль упругости (модуль Юнга).
K
При этом F определяется как
a
K
где  - ускорение Кориолиса, действующее на один элемент отражателя,
,  - максимальная скорость вертикального движения частиц приповерхностного слоя подложки в стоячей ПАВ;
отр1
m- масса одного элемента отражателя.
Таким образом, , и угловая скорость определяется по формуле
Для вывода выражения (8) подставим (6) и (7) в (5). Тогда получим
Векторное произведение  можно записать как скалярное произведение этих векторов на синус угла между ними:
.
С учетом этого, выражение (9) примет следующий вид
Выразим из выражения (10) угловую скорость Ω:
-3
-6
-6
-6
-10
Расчеты, выполненные для одного элемента отражателя из золота при , V=0.017 м/с (что соответствует реально существующему значению), l=40λ=9.38·10м (λ - длина ПАВ, λ=234.5·10 м), b=λ/4=58.63·10 м, h=0.5·10 м показали, что величина деформации ε=1.32·10.
-15
Наиболее эффективным способом оценки такой величины деформации является использование оптических волноводных дифракционных решеток [Stephen W. James and Ralph P Tatam, Optical fiber long - period grating sensors: characteristics and application, Meas. Sci. Technol., 14 (2003), pp.49-61; Clay K. Kirkendall and Anthony Dandridge, Overview of high performance fiber-optic sensing, J. Phys. D.: Appl. Phys 37 (2004), pp.197-216], позволяющих измерять динамические деформации на уровне ε=10.
2
На фиг.4а показано, что силы Кориолиса  перпендикулярны сагиттальной плоскости и направлены противоположно в соседних полуволнах стоячей ПАВ. Под действием неоднородных сил, эпюра распределения которых показана на фиг.4в, каждый элемент отражателя будет испытывать сдвиговые деформации вдоль направления x. При этом они будут иметь противоположные направления для соседних элементов многоэлементного отражателя (4 и 5), как показано на фиг.4г. Однако сдвиг фазы световой волны, бегущей в световоде 6, будет накапливаться, так как деформации каждого элемента многоэлементного отражателя будут действовать на световод 6 в одном направлении по ходу распространения световой волны. В этом случае фаза световой волны составит
,
0
6
0
где φ- фаза световой волны при отсутствии вращения подложки; Δφ - сдвиг фазы, обусловленный одним элементом многоэлементного отражателя при вращении подложки; n - число элементов многоэлементного отражателя; знак ± соответствует направлению вращения. Необходимо отметить, что для многоэлементных отражателей 4 и 5 (фиг.3) деформации отдельных элементов, симметричных относительно ВШП, происходят в противоположных направлениях, что вызывает противоположный по знаку сдвиг фазы двух световых волн, распространяющихся по световодам 6 и 7, т.е. φ=φ±nΔφ, а  соответственно.
Таким образом, величину деформации можно будет определять с помощью разности фаз двух световых волн, бегущих в противоположные стороны по световодам 6 и 7, как показано на фиг.3. Разность фаз фиксируется фазовым детектором 8.
Описание способа, устройства, реализующего предлагаемый способ, и работы последнего свидетельствует о том, что с помощью предлагаемого способа достигается технический результат - увеличение точности измерения угловой скорости.