Малогабаритный пьезоэлектрический вибрационный гироскоп
Пьезокерамика в вибрационных гироскопах служит для возбуждения колебаний в режиме обратного пьезоэффекта и для снятия информации в режиме прямого пьезоэффекта.
Достоинства пьезокерамики заключаются в том, что она значительно снижает массу и габариты гироскопа, а также упрощает его конструкцию.
Однако такие гироскопы имеют недостаток: температурная нестабильность параметров.
Устройство и принцип работы. Балочный вибрационный гироскоп состоит из вибратора с треугольным поперечным сечением, основным элементом которого является балка. На каждой грани балки приклеен один пьезоэлемент. На нижней – возбуждающий вибрацию, на боковых – измерительные. Балка размещается на упругих подвесах, припаянных к дискам. С помощью дисков балка монтируется в корпус ЧЭ.
Рис. 8. Вибратор балочного вибрационного гироскопа.
1 – балка; 2 – диск; 3 – упругий повес; 4 – силовой пьезоэлемент; 5 – измерительные пьезоэлементы
Применение гироскопов
Основные области применения гироскопов – судоходство, авиация, космонавтика.
Чаще всего гироскоп применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и в качестве датчика угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях возможно использование гироскопов в качестве генераторов момента силы или энергии.
Значительное удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.
Так же гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах.
Расчётная часть Расчёт динамических характеристик гироскопа с учётом температуры
Исходные данные (вариант 3):
Масса инерционного элемента m = 2 мкг;
Коэффициент затухания β = 0,8;
Длина балки l = 500 мкм;
Модуль Юнга E = 100 ГПа;
Толщина структуры микромеханического гироскопа h = 3 мкм;
Ширина балок упругого подвеса гироскопа w = 20 мкм;
Изменение температуры ∆T = 50;
Погрешность измерения не более 10%
Особенностью микромеханического гироскопа является то, что формирование выходного сигнала возможно только при колебательном движении инерционных масс. Т.к. измеряемый сигнал крайне мал, используется резонансное усиление сигнала при совмещении частот возбуждения электростатических актюаторов и собственных частот колебания упругого подвеса гироскопа.
1. Резонансная угловая частота колебательной системы микромеханического гироскопа:
-
собственная угловая частота колебаний
инерционных масс;
-
коэффициент трения
2. Коэффициент трения:
-
коэффициент затухания;
-
масса инерционного элемента.
3. Момент инерции сечения:
-
толщина структуры микромеханического
гироскопа;
-
ширина балок упругого подвеса гироскопа.
4. Жёсткость упругого подвеса инерционных масс:
-
модуль Юнга;
-
длина балки;
-
момент инерции сечения.
5. Собственная угловая частота колебаний:
-
жёсткость упругого подвеса инерционных
масс.
6. Жёсткость упругого подвеса инерционных масс с учётом ТКЛР структурного материала микромеханического гироскопа (поликремния):
–коэффициент
линейного расширения;
-
изменение температуры
7. Изменение жёсткости упругого подвеса микромеханического гироскопа от температуры:
-
температурный коэффициент модуля Юнга
8. Зависимость собственной угловой частоты колебаний от температуры:
9. Выражение для определения температурного коэффициента резонансной угловой частоты гироскопа:
–температурный
коэффициент резонансной частоты
10. Изменение резонансной частоты от температуры:
Рис. 9. Изменение резонансной частоты интегрального микромеханического гироскопа под действием температуры.
Вывод:
В ходе лабораторной работы были изучены теоретические материалы по теме «Микромеханический вибрационный гироскоп». Рассмотрены основные принципы действия гироскопов, а также модель гироскопа на кардановом подвесе. Изучена классификация гироскопов и принципы работы гироскопов каждого вида.
Рассмотрены области применения гироскопов. Сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер. Внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие. Значительное удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках. Так же гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для Nintendo Wii.
Кроме того, были рассчитаны динамические характеристики гироскопа с учётом температуры. Результаты расчётов приведены в расчётной части отчёта.