Предварительные результаты испытаний макетного образца твердотельного волнового гироскопа

ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 408с. 18. URL: http://www.tira-gmbh.de

D.G. Gryazin, O.O. Velitchko, A.B. Chekmarev

MEASUREMENT ASSURANCE OF MICROMECHANICAL SENSORS AND UNITS TESTING

The major task of measurement assurance of micromechanical sensors and units testing and present equipment are considered. The main problems of this issue are formulated.

Key words: measurement assurance, micromechanical sensor, testing, equipment,

testbed.

Получено 08.09.2012

УДК 6.297

Е.А. Дорофеева, инженер,

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА

Представлены основные преимущества датчика угловой скорости (ДУС) на базе твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) по сравнению с ДУС на базе двухстепенного гироблока с быстровращающимся роторо. Приведены основные результаты испытаний макетного образца ДУС на базе ТВГ. Показаны пути улучшения технических и эксплуатационных характеристик приборов данного типа.

Ключевые слова: ТВГ, ДУС, металлический резонатор, макетный образец, результаты испытаний.

Введение

В статье представлены предварительные результаты испытаний макетного образца датчика угловой скорости (ДУС) на базе твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) совместной разработки ФГУП «НИИ командных приборов» (НИИ КП) и Санкт-Петербургского государственного уни-

77

верситета аэрокосмического приборостроения (ГУАП), проводимых в рамках научно-исследовательской работы.

В настоящее время развитие приборостроения во многом определяется тенденцией построения безроторных гироскопов: волоконно-оптических, лазерных, микромеханических, волновых твердотельных гироскопов и др. [1].

Проанализировав направления современной гироскопии, НИИ КП выбрало наиболее близкое в технологическом плане направление развития - ТВГ.

Основными преимуществами проектируемого прибора по сравнению с ДУС, разработанными НИИ КП ранее на базе двухстепенного ги-роблока с быстровращающимся ротором, являются [1]:

- отсутствие элементов механического вращения;

- малое количество сборочных деталей и конструктивная простота механических узлов, что в совокупности приводит к высокой надежности прибора;

- малое время готовности;

- устойчивость к кратковременному прерыванию электропитания;

- низкое энергопотребление;

- малые габариты и масса;

- низкая стоимость.

При положительных результатах разработки данный тип прибора позволит перейти от изготавливаемых в настоящее время дорогостоящих механических гироскопов с вращающимся ротором к более дешевому и надежному ТВГ для применения в заказах, где потребуются ДУСы средней и грубой точности.

Для ускорения процесса разработки было принято решение о привлечении к разработке специалистов ГУАП для определения математической модели и теоретического расчета параметров конструкции ДУС на базе ТВГ.

Результаты разработки

С учетом представленных ГУАП материалов НИИ КП была разработана конструкция макетного образца ТВГ, изображенная на рис. 1.

Габариты макетного образца: 08Ох86 мм, масса 1,1 кг.

Основными элементами конструкции являются:

- цилиндрический металлический резонатор, выполненный из сплава 36НХТЮ. Материал резонатора немагнитный, имеет высокую температурную стабильность модуля упругости. Диаметр резонатора 30 мм, толщина стенки 0,9 мм, высота рабочей зоны 8 мм;

- блок электродов, выполненный из керамической втулки с 8-ю напыленными металлическими электродами.

Блок электродов и резонатор устанавливаются в корпусе.

78

Рис.1. Конструкция макетного образца ТВГ (продольное сечение): 1 - резонатор; 2 - блок электродов; 3 - корпус

Величина рабочего зазора между блоком электродов и резонатором составляет 20 мкм, неравномерность рабочего зазора не более 1 мкм.

В макетном образце ТВГ использовалось позиционное возбуждение (с помощью электростатических сил) от внешнего генератора и емкостная система съема информации.

На первом этапе разработки были поставлены следующие задачи:

- отработка технологии изготовления ТВГ в производстве НИИ КП;

- подтверждение результатов теоретических расчетов;

- отработка электронных устройств, обеспечивающих функционирование ДУС на базе ТВГ.

Задачи добиться минимальных габаритов и массы макетного образца не ставились. Эти вопросы решаются на следующем этапе разработки.

Ниже приведены некоторые результаты теоретических расчетов для сравнения с полученными результатами испытаний макетного образца ТВГ.

Теоретический расчет резонансной частоты был выполнен при помощи метода конечных элементов. Для основной формы колебаний расчетное значение частоты собственных колебаний составляет 2560 Гц.

Добротность резонатора Б рассчитывается по формуле

о =

25

где 5 - коэффициент затухания собственных колебаний.

С учетом всех факторов, присущих реальной конструкции ДУС на базе ТВГ, коэффициент затухания 5 рекомендуется определять экспериментально [2] из соотношения

e-^Jз = 0,5,

где ус - частота собственных колебаний, Гц; ^ - время затухания собственных колебаний резонатора после снятия напряжения возбуждения, с.

Теоретическое значение добротности для резонаторов подобного разработанному лежит в пределах 2000 - 8000.

Нелинейность выходного сигнала ДУС теоретически определяется коэффициентом

Кн = г^ЛЧ, У1 • 100%,

[(36£) +(8) ]

где ю - измеряемая угловая скорость, градус/с; ^ - приведенный коэффициент демпфирования, с-1:

? = 5у с ^ 36Б'

В диапазоне угловых скоростей ю = (0,5.30) градус/с расчетная нелинейность составила Кн = (0,01... 27) %.

Результаты испытаний

Испытания макетного образца ДУС на базе ТВГ проводились по следующей схеме: макет прибора с платой электроники устанавливались на малогабаритную поворотную установку, посредством которой задавались различные значения угловых скоростей. На плату электроники подавалось напряжение питания +27 В, съем информации производился с помощью осциллографа, вольтметра и частотомера.

Измеренная частота собственных колебаний резонатора составила 2463 Гц. Отклонение расчетной резонансной частоты от измеренной составило порядка 4,12 %.

Рассчитанная по результатам испытаний добротность резонатора составила D = 1785.

Технические характеристики макетного образца, полученные в ряде испытаний, приведены в таблице.

Технические характеристики макетного образца ДУС на базе ТВГ

Время готовности, с 3 - 7

Масштабный коэффициент, В-с/градус 0,17 - 0,5

Уровень нулевого сигнала, градус/с 0,4 - 4,5

Нестабильность нулевого сигнала в запуске, градус/с 0,01 - 0,7

Нестабильность нулевого сигнала от запуска к запуску, градус/с 0,1 - 6,15

Коэффициент нелинейности, % 5 - 31

На рис. 2 приведена зависимость выходного напряжения макетного образца ТВГ в диапазоне угловых скоростей ±20 градус/с, полученная в

результате одного из испытаний без учета величины нулевого сигнала.

и, В

-15 -Ю

10

15

со

,°/с

Рис. 2. Зависимость выходного напряжения макетного образца ТВГ в диапазоне угловых скоростей ±20 градус/с

Диапазон измерения макетного образца настраивается посредством изменения масштабного коэффициента.

Высокий уровень нулевого сигнала объясняется неравномерностью рабочего зазора, то есть несовмещенностью механической оси колебаний резонатора с электрической осью возбуждения.

Нестабильность нулевого сигнала определяется, в том числе, нестабильностью вакуума при испытаниях.

Дальнейшие работы

С учетом возникших при изготовлении и испытаниях макетного образца вопросов был разработан и изготавливается опытный образец ТВГ, представленный на рис. 3.

В конструкции опытного образца резонатор устанавливается непосредственно в блок электродов, что увеличивает технологичность конструкции в части обеспечения равномерности рабочего зазора. Также в опытном образце предусмотрена возможность разворота резонатора относительно блока электродов для совмещения механической и электрической осей, что в свою очередь позволит значительно уменьшить уровень нулевого сигнала.

055

Рис. 3. Конструкция опытного образца ТВГ (продольное сечение): 1 - резонатор; 2 - блок электродов; 3 - корпус; 4 -кожух

Блок электродов устанавливается в корпус, прибор закрывается герметичным кожухом. Герметичность конструкции позволит уменьшить нестабильность нулевого сигнала.

Габариты опытного образца: 055х34 мм, масса 165 г.

В процессе работы с опытным образцом ДУС на базе ТВГ планируется добиться следующих технических характеристик:

- диапазон измеряемых угловых скоростей ± 60 градус/с;

- время готовности не более 1 с;

- суммарный случайный нулевой сигнал от 0,002 до 0,1 градус/с;

- нестабильность масштабного коэффициента не более 2 %;

- полоса пропускания около 20 Гц.

В дальнейшем планируется провести следующие работы:

- уменьшение уровня и нестабильности нулевого сигнала;

- реализацию автогенераторного режима возбуждения;

- реализацию компенсационного режима работы ДУС на базе ТВГ, что позволит существенно снизить погрешности выходного сигнала;

- оценку возможности изготовления резонатора из кварцевого стекла в опытном производстве НИИ КП.

Заключение

На данном этапе выполнения научно-исследовательской работы проанализированы технические решения разработки ДУС на базе ТВГ, отработана технология изготовления ТВГ в опытном производстве НИИ КП, проведены испытания в нормальных климатических условиях. Полученные в ходе испытаний характеристики в целом подтверждают теоретические расчеты.

Результаты выполненных работ подтвердили правильность теоретических расчетов и наметили пути улучшения технических характеристик проектируемого ДУС на базе ТВГ.

Список литературы

1. Матвеев В.Л., Липатников В.И., Алехин А.В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М.: МГТУ. 1998. 168 с.

2. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука. 1985. 126 с.

E.A. Dorofeeva, Y.P. Saenko, S.K. Zolotarev, L.A. Severov, V.K. Ponomarev

PRELIMINARY RESULTS OF SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE BREADBOARD MODEL TEST

Advantages of rate sensor by solid-state wave gyroscope in comparison with rate sensor by single-degree-of-freedom rotate rotor gyroscope, primary results of solid-state wave gyroscope breadboard model test, directions by improvement of technical and operational properties are presented.

Key words: solid-state wave gyro, rate sensor, metal resonator, breadboard model, test results.

Получено 11.09.2012

УДК 621.396.988.6

В.А.Тупысев, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, (812)499-78-21, office@eprib.ru

(Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электоропибор»), Ю.А. Литвиненко, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., (812)499-78-21, щНа lit@rambler.ru

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ ПОКАЗАНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ИНС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПА РЕПРОДУКЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ

Рассмотрен способ комплексирования навигационных систем на основе принципов репродукции измерений и оцениваемых процессов, позволяющих использовать измерения, поступающие от внешних источников навигационных данных, как информацию от двух независимых источников.

Ключевые слова: навигационный комплекс, фильтр Калмана.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 11-08-00372.

Введение

Повышение требований к точности и надежности навигационных комплексов (НК), как правило, обеспечивается включением в их состав нескольких инерциальных навигационных систем (ИНС), спутникового приемоиндикатора и относительного лага, которые могут использоваться