Способ настройки вибрационного кольцевого датчика угловых скоростей Российский патент 2023 года по МПК G01C19/5684 

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.

Признаками, отличающими заявляемый способ от известных является то, что после измерения резонансных частот и, обозначив их по осям, например, как X₁, Y₁; Х₂, Y₂, 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 X₁, Y₁, то его необходимо откладывать по часовой стрелке от центра сегмента, а если удаление происходит по оси Х₂, Y₂, 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. Вначале измеряют резонансные частоты, обозначив их по осям как X₁, Y₁; X₂, Y₂

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.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа и схемам подстройки параметров колебательных контуров подвеса в этих гироскопах. Способ настройки вибрационного кольцевого датчика угловых скоростей (ДУС), в котором вначале измеряют резонансные частоты, обозначив их по осям, затем рассчитывают разночастотность, далее проводят удаление массы. При этом 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 нужно отступить угол в 90° в направлении против часовой стрелки и проводят удаление, вновь отступить угол в 90°, и проводят удаление, вновь отступить угол в 90°, и проводят удаление, затем проводят повторное измерение резонансных частот. Причем операции по расчету разночастотности, вычислению угла расположения оси с наименьшей резонансной частотой, определению 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. Технический результат – повышение производительности и точности балансировки, а также упрощение способа определения и удаления несбалансированной массы кольцевого чувствительного элемента вибрационного ДУС.

Способ настройки вибрационного кольцевого датчика угловых скоростей, в котором вначале измеряют резонансные частоты, обозначив их по осям, затем рассчитывают разночастотность, далее проводят удаление массы, отличающийся тем, что 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 нужно отступить угол в 90° в направлении против часовой стрелки и проводят удаление, вновь отступить угол в 90° и проводят удаление, вновь отступить угол в 90° и проводят удаление, затем проводят повторное измерение резонансных частот, причем операции по расчету разночастотности, вычислению угла расположения оси с наименьшей резонансной частотой, определению 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.