Курс лекций: «Микро- и наносистемы в технике и технологии» Лекция №6:

Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Курс лекций: «Микро- и наносистемы в
технике и технологии»
Лекция №6:
«Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лектор: д.т.н., доцент И.Е.Лысенко
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Сенсоры угловых скоростей
Механические величины можно разделить на три группы.
К первой группе относятся линейные и угловые размеры.
Это геометрические параметры различных объектов,
характеристики профилей и шероховатости поверхностей,
расстояние, параметры износа трущихся частей и т.д.
Ко второй группе относятся различные силовые
воздействия. Это механические напряжения в деталях и
конструкциях, приложенная сила, крутящие моменты, давления
жидкостей и газов, разности давлений и т.д.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Третью группу механических величин составляют
параметры движения. Это перемещение объектов в
пространстве, линейные и угловые скорости перемещения,
ускорения.
Принцип действия сенсоров угловых скоростей
(гироскопов) основан на оптических и пьезоэлектрических
эффектах, эффекте изменения электрической емкости (упругие
элементы являются обкладками конденсатора в емкостных
сенсорах механических величин), эффекте изменения частоты
колебаний (микромеханический резонатор).
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Волоконный оптический гироскоп
Волоконный оптический гироскоп (ВОГ) – это оптикоэлектронный прибор, создание которого стало возможным
лишь с развитием и совершенствованием элементной базы
квантовой электроники. Прибор предназначен для измерения
угловой скорости и углов поворота подвижного объекта.
Принцип действия ВОГ основан на эффекте Саньяка.
Возможность создания реального высокочувствительного
ВОГ появилась лишь с промышленной разработкой
одномодового диэлектрического световода с малым
затуханием.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Сущность эффекта Саньяка заключается в следующем.
Если в замкнутом оптическом контуре в противоположных
направлениях распространяются два световых луча, то при
неподвижном контуре фазовые набеги обоих лучей,
прошедших весь контур, будут одинаковыми. При вращении
контура вокруг оси, нормальной к плоскости контура, фазовые
набеги лучей неодинаковы, а разность фаз лучей
пропорциональна угловой скорости вращения контура.
При неподвижном контуре пути прохождения лучей
одинаковы и равны:
2   Rk  c 
где Rk – радиус контура; с – скорость света;  – время
прохождения периметра контура лучом.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Если контур вращается с постоянной угловой скоростью  ,
то луч, распространяющийся по часовой стрелке, прежде чем
попадет на перемещающийся расщепитель, пройдет путь
равный:
2    Rk  Rk       c   
Это вызвано тем, что за время прохождения луча по
замкнутому контуру расщепитель, находившийся ранее в точке
А, уйдет в точку В. Для луча, распространяющегося против
часовой стрелки, путь составит:
2    Rk  Rk      c  
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Разность времен распространения определяется
выражением:
2   R 2  
k
       
c2  R 2 2
k
В приближении первого порядка приведенное выражение
можно записать в виде:
2   R 2  
k
 
c2
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Микромеханические гироскопы
Микромеханические сенсоры угловых скоростей, или
микромеханические гироскопы (ММГ), являются компонентами
микроэлектромеханических систем, отличающихся от других
сложностью их функционирования.
Все сенсоры угловых скоростей по своему принципу работы
являются вибрационными. В микромеханических гироскопах
энергия первичных колебаний инерционной массы (ИМ),
обусловленная действием сил, создаваемые актюаторными
элементами, преобразовывается в энергию вторичных
колебаний, обусловленную действием переносной угловой
скорости.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Это преобразование осуществляется вследствие
воздействия на чувствительный элемент сенсора инерции
Кориолиса. Амплитуда вторичных колебаний ИМ очень мала,
поэтому требуется усиление ее в форме совмещения частот
первичных и вторичных колебаний с резонансной частотой
колебаний упругого подвеса инерционных масс
микромеханического гироскопа.
Первичные колебания также называются режимом
движения (РД) или движением по оси возбуждения, а
вторичные – режимом чувствительности (РЧ), или движением
по оси выходного сигнала.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Существующие конструкции микромеханических сенсоров
угловых скоростей могут быть классифицированы по
следующим признакам:
1. Число осей чувствительности.
2. Число инерционных масс.
3. Тип упругого подвеса.
4. Вид перемещений инерционных масс.
5. Тип актюаторного элемента.
6. Тип преобразователя перемещений инерционной массы.
7. Технология изготовления.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
По принципам работы микромеханические сенсоры угловых
скоростей с контактным подвесом могут быть разделены на
следующие типы:
1. Вибрационные микромеханические гироскопы
камертонного типа.
2. Вибрационные микромеханические гироскопы LL-типа.
3. Вибрационные микромеханические гироскопы RR-типа.
4. Вибрационные микромеханические гироскопы LR(RL)типа.
5. Микромеханические гироскопы волнового типа.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Камертонные микромеханические гироскопы
a к  2 V  
F  2  m  a  2 V    m
к
к
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Вибрационные микромеханические гироскопы
LL-типа
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
IDOS
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
ISOD
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Вибрационные микромеханические гироскопы
RR-типа
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Вибрационные микромеханические гироскопы
LR-типа
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Микромеханические гироскопы волнового типа
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Никелевый ММГ
Поликремниевый ММГ
Монокристаллический
ММГ
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Квадратурная
ошибка
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Регистрация угловых скоростей
по трем осям чувствительности
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Контрольные вопросы
1. Волоконно-оптические гироскопы.
2. Вибрационные микромеханические гироскопы камертонного
типа.
3. Вибрационные микромеханические гироскопы LL-типа.
4. Вибрационные микромеханические гироскопы RR-типа.
5. Вибрационные микромеханические гироскопы LR(RL)-типа.
6. Микромеханические гироскопы волнового типа.
Лекция №6: «Сенсорные компоненты МСТ. Часть 3»
Спасибо за внимание