Дифференциальный емкостной датчик перемещений с дополнительной информацией о зазоре

8. Шалобаев Е.В., Монахов Ю.С. Оптимизация габаритов соосных схем редукторов // XXXII неделя науки СПбГУ. 24-29 ноября 2003 г. Материалы межвузовской конференции. - СПб: СПбГУ, 2004. -С. 113-115.

9. Сидоров П.Г., Пашин А.А., Плясов А.В. Многопоточные зубчатые передачи: структура, образование, кинематические и силовые связи, классификация и перспективы применения // Приводная техника. -2010. - № 4. - С. 25-30.

10. Шалобаев Е.В. Модернизированные редукторы отечественного производства // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел, 2010. - № 6/2. - С. 105-115.

11. Прокопенко В.А., Чернов И. А. Динамика шпиндельных гидростатических подшипников при использовании диафрагменных регуляторов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 3. -С. 57-61.

12. ГОСТ 23179-78. Подшипники гибкие шариковые радиальные. - Введ. 01.01.80. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 118 с.

13. ГОСТ 520-2002. Подшипники качения. Общие технические условия. - Введ. 01.07.2003. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 70 с.

14. ГОСТ 6870-81. Подшипники качения. Ролики игольчатые. Технические условия. - Введ. 01.01.82. -М.: Изд-во стандартов, 1981. - 10 с.

15. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2 кн. Кн. 2 / В.В. Алисин, Б.М. Асташкевич, Э.Д. Браун и др. - М.: Машиностроение, 1979. - 358 с.

Прокшин Сергей Сергеевич - Уфимский государственный авиационный технический университет

(УГАТУ), кандидат технических наук, доцент, okmim@ugatu.ac.ru

Шалобаев Евгений Васильевич - Санкт-Петербургский государственный университет информационных

технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, профессор, директор Академии методов и техники управления, shalobaev47@mail.ru

УДК 531.383-11:531.714.7

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ О ЗАЗОРЕ Р.Г. Люкшонков, Н.В. Моисеев

Рассмотрена структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений подвижной массы микромеханического гироскопа. Отличительной особенностью датчика является наличие в схеме дополнительного сигнала для компенсации изменений зазора между измерительными электродами и инерционным телом, связанных с влиянием внешних воздействий. Представлены экспериментальные результаты работы датчика перемещений. Ключевые слова: дифференциальные емкостные датчики, микромеханические инерциальные датчики, компенсация внешних воздействий, межэлектродный зазор.

Введение

Дифференциальные емкостные датчики перемещений предназначены для преобразования одной физической величины, емкости, в другую, например, в напряжение. Они является входной частью различных микромеханических устройств: гироскопов, акселерометров, датчиков давления, различных сенсоров, емкостных микрофонов, т.е. устройств, в которых используется емкостной съем информации.

Рассмотрим одно из вышеперечисленных устройств - микромеханический гироскоп (ММГ), у которого инерционное тело (ИТ) закреплено на упругом подвесе. Конструкция ММГ наиболее чувствительна к таким механическим воздействиям, как линейные вибрации, удары и ускорения вдоль оси первичных колебаний, и к изменению температуры. Перечисленные внешние воздействия приводят к изменению зазора между измерительными электродами, расположенными по оси вторичных колебаний, и ИТ. При этом изменяются характеристики датчиков угла и датчиков момента, в частности, их коэффициенты передачи. Это приводит к изменению масштабного коэффициента и смещению нуля, а также влияет на величину отрицательной жесткости и квадратурную помеху, что, в свою очередь, приводит к появлению ошибок измерения в выходном сигнале ММГ.

Проведенный анализ рынка показал, что в настоящее время емкостные датчики перемещений выпускают такие фирмы производители, как, например, «Analog Devices, Inc», «MicroSensors, Inc» и «Xe-mics». Но выполняются они по схеме, в которой отсутствует алгоритм измерения зазора.

Известны различные способы уменьшения влияния изменений межэлектродного зазора. В [1] предложено решение для гироскопов прямого типа преобразования, заключающееся в измерении суммы токов, протекающих через электроды дифференциального емкостного датчика для выделения информации о зазоре, и в использовании полученного сигнала для поддержания постоянной амплитуды колебаний по первичной оси. Однако такой схемы компенсации изменения зазора в ММГ замкнутого типа не-

достаточно, так как от величины зазора зависят моменты, приложенные к силовым электродам по оси вторичных колебаний, следовательно, и коэффициенты передачи этих электродов.

Цель настоящей работы заключается в разработке структуры дифференциального емкостного датчика перемещений, особенностью которого является наличие дополнительного выходного сигнала, пропорционального зазору между измерительными электродами и ИТ и анализе возможности использования этого дополнительного сигнала для повышения точности микромеханических датчиков.

Оценка влияния внешних воздействий на параметры микромеханического гироскопа

Теоретическое обоснование. Для оценки влияния внешних воздействий на различные параметры ММГ в качестве объекта исследования был выбран гироскоп КЯ-типа разработки ЦНИИ «Электроприбор» [2]. Конструктивная схема и принцип действия поясняются рис. 1.

Рис. 1. Конструктивная схема ММГ

Инерционное тело на упругом подвесе под управлением системы разгона совершает колебательные движения вокруг оси первичных колебаний Z. При появлении угловой скорости основания Q относительно оси чувствительности Y возникают моменты сил Кориолиса, что вызывает вторичные угловые колебания ИТ вокруг оси X. При отклонении ротора на угол а, пропорциональный действующей угловой скорости, будут изменяться расстояния между измерительными электродами и ИТ. Воздействие таких внешних факторов, как температуры, вибрации, линейных ускорений и давления, будет приводить к изменению первоначального зазора d0 на величину Ad .

Другими словами, при изменении величины зазора один и тот же наклон ротора будет вызывать различные изменения емкостей, что приведет к изменению масштабного коэффициента датчиков угла и момента. Для этого необходимо компенсировать это изменение, чтобы масштабный коэффициент датчиков оставался постоянным.

Для электродов, имеющих форму ограниченного сектора (рис. 2), емкости Q и C2 могут быть определены по формулам

R max ¥ max

Q(a, Ad) = e0cos(a) Г Г -d©dr,

J. J.

R min ¥ min 0 ' v ' v '

R max ¥ max

C2 (а, Ad) = e0 cos(a) j j

-d©dr,

R min ¥ min

—12

где e0 = 8,85 x 10 [Ф/м] - электрическая постоянная; а - угол поворота ИТ вокруг вторичной оси, [рад]; do - зазор между ИТ и измерительными электродами в нейтральном положении, [м]; Ad -изменение зазора, [м]; Rmax и Rmin - соответственно внутренний и наружный радиусы рассматриваемого электрода, [м]; ¥ - угол сектора электрода, [град].

Рис. 2. Форма измерительных электродов

r

R

Для того чтобы оценить влияние линейных ускорений на изменение зазора, можно воспользоваться вторым законом Ньютона и законом Гука:

(Кмех0г - Кэл )Д^ = та01,

где т - масса ИТ, [кг]; ао2 - действующее ускорение вдоль оси 1, [м/с2]; Кмехог - линейная механическая жесткость вдоль оси 1, [Н/м]; Кэл - электростатическая жесткость, [Н/м].

В табл. 1 приведена зависимость изменения зазора от действующего ускорения. Например, для зазора dо = 2 мкм при воздействии ускорения, равного 300 g, зазор изменится на 0,6 мкм, что приведет к изменению масштабного коэффициента датчика угла и масштабного коэффициента гироскопа на 30%.

Линейное ускорение вдоль оси 1, м/с2 Изменение зазора, мкм

0,023

50g 0,115

300g 0,69

Таблица 1. Зависимость изменения зазора от действующего ускорения

На величину зазора влияет и температура, так как ее изменение приводит к изменению размеров ИТ. Используя коэффициент расширения кремния (а ь = 2,33 х 10-6 1/°С) и толщину ИТ (Ь = 60 мкм) ,можно определить линейное расширение материала при изменении температуры ДТ (табл. 2):

ДЬ = аьЬДЬ.

Изменение температуры, °С Расширение ИТ, нм

5 0,7

20 2,8

30 4,2

Таблица 2. Зависимость расширения ИТ при изменении температуры

Экспериментальные исследования. Для подтверждения теоретических обоснований были проведены экспериментальные исследования гироскопа ММГ-ЭПТРОН. Выходной сигнал записывался при неподвижном основании. При обработке полученной информации с помощью метода вариации Аллана была получена нестабильность смещения нуля 5 °/ч (рис. 3, а). При испытании на вибростенде (при действии вибрации с увеличивающейся частотой в диапазоне 10-3000Гц и амплитудой 2 g) на некоторых образцах наблюдались изменения выходного сигнала гироскопа (рис. 3, б). Можно предположить, что это изменение связано с изменением зазора под действием вибраций.

10° 101 10" Время, с а

400 800 1200 Время, с б

Рис. 3. Результаты испытаний: при неподвижном основании (а); при воздействии вибраций вдоль оси

первичных колебаний

Структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений с дополнительным выходом об изменении зазора

В микромеханических датчиках прямого преобразования для решения задачи компенсации предлагается алгоритмический подход. Для этого необходимо измерять не только дифференциальное изменение емкости, но и синфазное. При этом предлагается изменить существующую структурную схему

преобразователя (см. рис. 4). На измерительные емкости С1 и С2, которые представляют собой емкостной мост, с генератора сигнала (ГС) подается напряжение, изменяющееся по гармоническому закону. При этом через емкости будут протекать токи /1 и ¡2, которые состоят из двух компонент: /1 = / (С0) + / (АС), ¡2 = / (Со) - / (АС),

где / (Со) - ток, пропорциональный величине зазора; / (АС) - ток, определяемый полезным изменением емкости. Эти токи с помощью трансрезистивных усилителей К1 и К2 преобразуются в напряжения и и и 2 соответственно, которые также состоят из двух компонент и (Со) и и (АС).

0 ГС

¡1

и <

+1

С

и

С

К1

и

4) ¿М

ив ~ АС

К

и

ки,я

им

/

2

Рис. 4. Структурная схема дифференциального емкостного датчика

Рис. 5. Зависимость сигнала об изменении зазора при влиянии: ускорения ± д

После вычитания в точке 2 напряжение будет равно

щ - и 2 = (и (Со) + и (АС)) - (и (Со) - и (АС)) = 2и (АС).

Но, так как при изменении зазора изменяется коэффициент преобразования датчика угла, то разность напряжений будет зависеть и от величины зазора, которую можно определить, если сложить напряжения и 1 и и 2 в точке 1:

и + и 2 = 2и (Со).

Полученное напряжение зависит только от компоненты, пропорциональной величине зазора. Выходной сигнал дифференциального емкостного датчика определяется отношением сигнала в точке 2 к сигналу на выходе сумматора 1 (блок компенсации К). При этом полученный выходной сигнал не зависит от зазора.

Экспериментальные исследования емкостного датчика подтвердили эффективность предложенного решения. На рис. 5 показаны сигналы, пропорциональные изменению зазора при воздействии вибраций и температуры. При изменении действующего ускорения вдоль оси 2 с +£ на ^ зазор изменился примерно на 2,3 нм; при действии вибрации с частотой 3 Гц и амплитудной 2,5 g изменение составило 11,1 нм; при непосредственном нагреве чувствительного элемента на 30°С изменение составило 5,5 нм.

Использование информации об изменении зазора в устройствах компенсационного типа

В случае, когда микромеханические датчики работают по принципу компенсации входного воздействия, необходимо предпринимать дополнительные меры, так как при изменении зазора изменяются коэффициенты передачи силовых электродов.

Рис. 6. Использование сигнала в датчиках компенсационного типа

На рис. 6 приведена структурная схема датчика с обратной связью [3], включающая: чувствительный элемент ЧЭ, датчик перемещений с дополнительным выходом об изменении зазора, регулятор и силовые электроды, на которых создается момент управления Мупр.

Изменение коэффициентов передачи силовых электродов при постоянном входном воздействии приводит к изменению сигнала управления и, который является информационным, и появлению

ошибки измерения.

С помощью дополнительного сигнала, пропорционального изменению зазора, и блока компенсации К в обратной связи датчика поддерживается постоянный коэффициент передачи силовых электродов. В этом случае масштабный коэффициент датчика не зависит от зазора.

Заключение

В работе экспериментально была получена численная оценка влияния линейных ускорений, вибраций и температуры на изменение величины зазора и масштабного коэффициента гироскопа. Предложенная структурная схема дифференциального емкостного датчика перемещений позволяет выделить информацию об изменении зазора и использовать ее для коррекции масштабного коэффициента датчиков разомкнутого типа и датчиков компенсационного типа.

Литература

1. Патент РФ № 2289789, МПК в 01 С 19/56, в 01 Р 9/04. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний / Некрасов Я. А.; заявитель ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор». - № 2005130466/28; заявл. 23.09.05; опубл. 20.12.06, Бюл. № 35. - 8 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА .

2. Пешехонов В.Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» // Меха-троника, автоматизация, управление. - 2008. - № 2. - С. 29-31.

3. Естифеев М.И., Розенцвейн Д.В. Анализ контактных взаимодействий в микромеханических гироскопах // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2010. - № 4(68). - С. 46-50.

4. Патент РФ № 2393428, МПК в 01 С 19/56, в 01 Р 9/04. Микромеханический гироскоп компенсационного типа / Некрасов Я.А., Моисеев Н.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - № 2008143288/28; заявл. 28.10.08; опубл. 27.06.10, Бюл. № 18. - 8 с.

Люкшонков Роман Геннадьевич - ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», инженер, lukroma@yandex.ru

Моисеев Николай Владимирович - ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ведущий инженер,

elmon@nwgsm.ru

УДК 531.383-11:531.714.7

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн

Приведены результаты исследования динамики чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Показано изменение характеристик прибора в зависимости от инерционных воздействий и от величины инструментальных погрешностей, таких как статический и динамический дисбаланс и неравножесткость. Выполнены экспериментальные исследования поведения микромеханического гироскопа на центрифуге и вибрирующем основании, подтвердившие полученные аналитические зависимости.

Ключевые слова: микромеханический гироскоп, упругий подвес, дисбаланс, неравножесткость, вибрация.

Введение

Микромеханические гироскопы (ММГ) представляют собой миниатюрные датчики угловой скорости, которые обычно используются на высокоманевренных объектах и устанавливаются без специализированных амортизирующих средств, например, в автомобильной промышленности [1].

Принцип работы большинства ММГ аналогичен осцилляторным вибрационным гироскопам [2]. Схема чувствительного элемента (ЧЭ) и общий вид ММГ разработки ЦНИИ «Электроприбор» показаны на рис. 1. Упругие элементы и ротор в виде диска диаметром 3 мм и толщиной 60 мкм выполнены из монокристаллического кремния, а сам ММГ имеет размеры 50x50x18 мм [3]. При наличии относительных первичных угловых колебаниях ротора у по оси 02, возбуждаемых электростатическим двигателем, и переносной угловой скорости О основания по оси 07 силы Кориолиса обусловливают возникновение вторичных угловых колебаний а по оси 0Х, измеряемых емкостными датчиками угла, расположенными под диском (рис. 1, а).

Рис. 1. Схема

При установке ММГ на подвижное основание поступательные и угловые вибрации, а также постоянное ускорение оказывают влияние на изменение характеристик прибора вследствие наличия в конструкции статических и динамических дисбалансов, неравножесткости упругого подвеса, перекосов и прочих технологических погрешностей, а также вследствие конечной жесткости элементов конструкции, включая упругий подвес. Таким образом, исследование динамики ММГ и экспериментальная проверка теоретических положений представляется актуальной задачей.