Способ настройки вибрационного кольцевого датчика угловых скоростей
ADJUSTMENT METHOD FOR VIBRATION ANGULAR VELOCITY SENSOR

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа и схемам подстройки параметров колебательных контуров подвеса в этих гироскопах.
На сегодняшний день известны различные конструкции чувствительных элементов кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа.
Все существующие, на данный момент, конструкции чувствительных элементов кольцевого микромеханического вибрационного гироскопа имеют в своем составе постоянный по сечению кольцевой резонатор, подвешенный с помощью упругих элементов. При этом для улучшения точностных характеристик прибора крайне необходимо, чтобы частоты первичных и вторичных колебаний совпадали.
Отклонение геометрии резонатора от идеальной осесимметричной формы приводит к возникновению массового дисбаланса, являющегося источником погрешности
Известен метод настройки вибрационных кольцевых структур, в котором для настройки режимов кольца используются емкостные преобразователи [1].
К недостаткам способа следует отнести сложность для реализации подстройки резонансной частоты в микромеханическом гироскопе, обусловленной тем, что в устройство необходимо вводить дополнительные источники сигналов, частоты которых должны быть привязаны к резонансной частоте подвеса по оси первичных колебаний, и дополнительные демодуляторы для выделения этих сигналов. Кроме того, наличие дополнительных сигналов в высокодобротной системе, которой является подвес, приводит к возбуждению колебаний на частоте этих сигналов, что сужает динамический диапазон работы микромеханического гироскопа и уменьшает точность его работы. Кроме того, критерием точной подстройки резонансной частоты является равенство амплитуд сигналов низкого уровня, что ограничивает точность этой подстройки. Наличие шумов и помех в канале усиления и преобразования сигналов контура вторичных колебаний ухудшает эту точность. Увеличение же амплитуд тестовых сигналов для повышения точности подстройки за счет увеличения отношения сигнал/шум может привести к большим возмущениям подвеса подвижной массы от вспомогательных тестовых сигналов и, в конечном счете, к ухудшению точности микромеханического гироскопа.
Другим недостатком является недостаточно высокая точность, и высокая сложность электронной части обусловлены примененным в нем способом подстройки резонансной частоты.
Известны способы настройки конструкции вибрационного кольца путем удаления или добавления материала на нейтральную ось кольца [2, 3].
Недостатки способов заключаются в сложности, недостаточной точности определения несбалансированной массы чувствительного элемента и, как следствие, низкой точности балансировки, а также в невысокой производительности процесса балансировки.
Другим недостатком является низкая производительность процесса балансировки, связанная с небольшой скоростью.
Известен способ балансировки, заключающийся в измерении резонансных частот, вычислении разночастотности, определении места для удаления, нанесении материала, удалении массы резонатора методом травления [4].
Существенным недостатком является неравномерное по окружному углу ухудшение качества поверхности, связанное с возникновением дефектов при ионно-плазменном травлении, которое может повлечь уменьшение добротности резонатора.
Хотя способ может быть довольно точный, но очень громоздкий и неудобный из-за огромного количества вспомогательных операций.
Известен способ настройки частот, где первичные и вторичные моды вибрации обычно уравновешиваются по частоте, например, с помощью лазерной балансировки, для компенсации геометрических несовершенств кольца. Это достигается путем подключения балансировочного оборудования к преобразователям через металлические направляющие на опорных ножках. Балансировочное оборудование определяет резонансную частоту вдоль первичной оси, подавая колебательный ток на первичные приводные преобразователи и регистрируя результирующее движение с помощью первичных преобразователей. Затем вторичные преобразователи используются для возбуждения и определения резонансной частоты вдоль вторичной оси. Затем с помощью лазера удаляют материал в соответствующих положениях относительно осей преобразователя, чтобы сделать две частоты номинально идентичными [5]. Недостатки прототипа заключаются в сложности, недостаточной точности определения несбалансированной массы чувствительного элемента и, как следствие, низкой точности балансировки, а также в невысокой производительности процесса балансировки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении производительности и точности балансировки, а также в упрощении способа определения и удаления несбалансированной массы кольцевого чувствительного элемента вибрационного ДУС.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе настройки вибрационного кольцевого датчика угловых скоростей, в котором вначале измеряют резонансные частоты, обозначив их по осям, затем рассчитывают разночастотность, далее проводят удаление массы, согласно изобретению, дополнительно перед удалением масс вычисляют угол расположения оси с наименьшей резонансной частотой, далее откладывают рассчитанный угол на поверхности кольца, определяют сегмент кольца, на котором будет производиться удаление масс, после удаления масс в одном сегменте отступают угол в 90° в направлении против часовой стрелки и проводят удаление, вновь отступают угол в 90° и проводят удаление, вновь отступают угол в 90° и проводят удаление, затем проводят измерение резонансных частот, причем операции по расчету разночастотности, вычислению угла расположения с наименьшей резонансной частотой, определение сегмента кольца, на котором будет производиться удаление массы, а также по удалению массы в каждом сегменте кольца, повторяют цикл за циклом до тех пор, пока не будет достигнута разночастотность, равная 0,01 Гц.
1
1
2
2
1
1
2
2
Признаками, отличающими заявляемый способ от известных является то, что после измерения резонансных частот и, обозначив их по осям, например, как X, Y; Х, Y, дополнительно вычисляют угол расположения оси с наименьшей резонансной частотой, далее откладывают рассчитанный угол на поверхности кольца, определяют сегмент кольца, на котором будет производиться удаление, причем, если угол имеет отрицательное значение, а удаление происходит по оси X, Y, то его необходимо откладывать по часовой стрелке от центра сегмента, а если удаление происходит по оси Х, Y, угол необходимо откладывать против часовой стрелки от центра сегмента и если угол имеет положительное значение, то направления меняются на противоположные что дополнительно перед удалением масс. Удаление масс проводят поэтапно, по одной лунке за цикл в четырех местах со сдвигом угла на 90°. Удаление масс осуществляют на специальной установке лазерным лучом. Причем подача энергии осуществляется импульсами. Тем самым обеспечивается, постепенное нарастание испаряемой массы резонатора. С высокой точностью определяем четыре лунки - место удаления материала на поверхности кольца. Эти лунки отстоят друг от друга строго на одном расстоянии по дуге. Таким образом, обеспечивается симметричное удаление материала и обеспечивается высокая точность балансировки. По сравнению с прототипом, где этих мест несколько, что усложняет процесс определения места удаления материала и усложняет процесс, увеличивает время настройки, а в отдельных случаях может привести к ухудшению качества балансировки и соответственно точности. В заявляемом способе процесс балансировки проводят в четырех точках или лунках за один цикл. И так раз за разом повторяют измерение резонансных частот, затем проводят балансировку до тех пор, пока разночастотность не будет минимальной. Так, например, проводя балансировку по предлагаемому способу позволяет при разночастотности 25-30 Гц свести частоты до разности 0,01 Гц. Тогда как в прототипе такое сведение может быть не меньше 0,1 Гц.
Для более точной настройки в прототипе необходимо провести настройку в дополнительных местах настройки. Причем это могут быть точки - лунки, размещенные под одним углом от условно расположенной оси, а это существенно усложняет процесс настройки - балансировки. Кроме того, в прототипе настрой проводится от одной точки - лунки до десятка. Это может привести к перенастройки чувствительного элемента, и процесс балансировки придется начинать снова. В заявляемом способе настройка проводится строго в 4 точках - лунках. Причем эти точки - лунки размещены симметрично на чувствительном элементе кольце. Удаление материала проводится не за один цикл, а постепенно цикл за циклом. Возможно, удаление материала осуществить за один цикл, если, во-первых, разночастотность минимальна порядка от 0,1 Гц до 0,3 Гц и перед удалением настроить установку лазерной подгонки. Так как настройка осуществляется по «пачкам» импульсов. Тогда как в прототипе предусматривается даже сквозное прожигание лазером кольца. Таким образом, в способе - прототипе принципиально заложена методика с существенными недостатками, а именно низкой производительностью, низкой точностью балансировки и соответственно высокой трудоемкостью.
Пример осуществления способа.
Все измерения резонатора, кроме оговоренных особо, проводят в нормальных климатических условиях.
Характеристики нормальных климатических условий:
- температура окружающего воздуха от +15 до +35°С;
- относительная влажность от 45 до 75%;
- атмосферное давление от 86 до 106 кПа (от 645 до 795 мм рт. ст.).
1
1
2
2
1. Вначале измеряют резонансные частоты, обозначив их по осям как X, Y; X, Y
2. Затем рассчитывают разночастотность.
3. Вычисляют угол расположения оси с наименьшей резонансной частотой.
4. Далее откладывают рассчитанный угол на поверхности кольца и определяют сегмент кольца, на котором будет производиться удаление. Проводят удаление масс.
5. Отступают угол в 90° в направлении против часовой стрелки и проводят удаление.
6. Отступают угол 90° и проводят удаление.
7. Отступают угол 90° и проводят удаление.
8. Затем проводят измерение резонансных частот.
9. Вновь рассчитывают разночастотность.
10. Вновь вычисляют угол расположения оси с наименьшей резонансной частотой.
11. Далее откладывают рассчитанный угол на поверхности кольца и определяют сегмент кольца, на котором будет производиться удаление. Проводят удаление масс.
12. Вновь отступают угол в 90° в направлении против часовой стрелки и проводят удаление.
13. Вновь отступают угол 90° и проводят удаление.
14. Вновь отступают угол 90° и проводят удаление.
15. Вновь проводят измерение резонансных частот
16. Операции по расчету разночастотности, вычислению угла расположения с наименьшей резонансной частотой, определение сегмента кольца, на котором будет производиться удаление массы, а также по удалению массы в каждом сегменте кольца, повторяют цикл за циклом до тех пор, пока не будет достигнута разночастотность, равная 0,01 Гц.
Таким образом, проводят удаление масс в четырех сегментах, затем вновь рассчитывают угол расположения с наименьшей частотой и вновь проводят удаление масс. Удаление массы проводят до минимизации разности частот. Как показали макетные испытания была достигнута минимальная разночастотность в 0,01 Гц.
Макетные испытания показали высокую эффективность заявляемого способа.
Источники информации
1. Патент ЕР №1775551.
2. Патент US №5739410.
3. Патент GB №2460935.
4. Патент US №8327684.
5. Патент № ЕР 2825844 - прототип.