Разработка микромеханических акселерометров и анализ динамики чувствительных элементов при вибрационных и ударных воздействиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ВИБРАЦИОННЫХ И УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Федоров Максим Вячеславович

Санкт-Петербург 2012

Работа выполнена на кафедре механики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор Лестев Александр Михайлович

Официальные оппоненты: Северов Леонид Анатольевич - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, заведующий кафедрой аэрокосмических систем ориентации, навигации и стабилизации.

Боронахин Александр Михайлович - кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова, заместитель заведующего кафедрой лазерных измерительных и навигационных систем.

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс », г. Санкт-Петербург

Защита состоится 22 мая 2012 г. в «14.00» часов на заседании диссертационного совета Д.212.233.02 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.67

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Л.А. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Микромеханические акселерометры (ММА) - перспективные приборы современной микросистемой техники, интенсивно и динамично развивающегося научно-технического направления. Микромеханические акселерометры характеризуются уникально малыми массой и габаритами, низким потреблениям электроэнергии, возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации и на несколько порядков меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги. Область применения ММА чрезвычайно широка. ММА используются в малогабаритных системах ориентации и навигации для судов, летательных аппаратов различного назначения, в системах управления автомобилями, скважных приборах, системах управления артиллеристскими снарядами. ММА относятся к датчикам линейного ускорения низкого класса точности. В настоящее время, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления ММА, созданы экспериментальные образцы ММА, освоен серийный выпуск ММА рядом зарубежных фирм на первый план выступает проблема повышения метрологических и эксплуатационных характеристик приборов этого типа и создания ММА навигационного класса точности (случайная составляющая нулевого сигнала (у) ~ 0.01, нестабильность масштабного коэффициента (у) ~ 0.1%). Решение указанной проблемы наряду с мерами конструкторско-технологического и схемотехнического характера связано с проведением теоретических исследований динамики чувствительных элементов (ЧЭ) ММА, основанных на анализе системных связей и на строгом учете факторов, оказывающих влияние на технические характеристики приборов. При решении теоретических проблем динамики ЧЭ ММА применяются методы конечно-элементного анализа с использованием современных вычислительных систем и аналитические методы, основанные на использовании методов системного анализа и дифференциальных уравнениях движения ЧЭ. Методы конечно-элементного анализа используются в процессе проектирования ЧЭ ММА при расчетах и анализе собственных частот и форм их колебаний, расчетах и анализе механических напряжений в элементах конструкций ЧЭ ММА при ударных и вибрационных воздействиях, анализе напряженно-деформированного состояния конструкции ЧЭ ММА при температурных воздействиях. Аналитические методы применяются при анализе взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых колебаний ЧЭ ММА, исследовании влияния на динамику и погрешности ММА нелинейной зависимости сил упругости от перемещений ЧЭ, оценке погрешностей ММА, вызванных внешними воздействующими факторами. Вместе с тем, основные теоретические результаты по исследованию динамики и погрешностей ММА получены на основании линеаризованных дифференциальных уравнений движения ЧЭ, не учитывающих взаимовлияние поступательных и угловых перемещений ЧЭ ММА. Выявление влияния нелинейных факторов на динамику ЧЭ и точность ММА, анализ системных связей и особенностей функционирования системы в условиях применения на вибрирующем основании - актуальная проблема современного приборостроения и микросистемой техники. На этом основании тема диссертации, посвященной разработке ММА и анализу динамики ЧЭ при вибрационных и ударных воздействиях, анализу влияния нелинейных факторов, взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых колебаний на динамику ЧЭ ММА является важной и актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка ММА, применяемых в составе трехосного акселерометрического навигационного блока, аналитический анализ динамики ММА в условиях вибрационных воздействий, основанный на нелинейных дифференциальных уравнениях ЧЭ ММА, анализ динамики ММА с использованием комплекса конечно-элементного анализа ANSYS, выработка рекомендаций по устранению нежелательных явлений в динамике ЧЭ ММА.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния разработок и теоретических исследований динамики и погрешностей микромеханических акселерометров.

2. Обосновать выбор конструктивных схем ММА трехосного акселерометрического блока с взаимно ортогональными осями чувствительности, которые применяются в системах навигации и управления подвижными объектами различного назначения, с учетом физико-механических свойств конструкционных материалов, используемых для производства ММА.

3. Построить математические модели ЧЭ ММА в условиях вибрационного воздействия с учетом нелинейных факторов, взаимосвязи и взаимовлияния поступательных и угловых перемещений ЧЭ ММА, оказывающих влияние на движение ЧЭ.

4. Выполнить анализ вибрационных и ударных воздействий на ЧЭ ММА, исследовать влияние физико-механических свойств конструкционных материалов на динамику ЧЭ ММА с использованием аналитических методов и метода конечных элементов в комплексе ANSYS.

5. Выполнить анализ вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ ММА и разработать рекомендации по его устранению.

На защиту выносятся:

1. Обоснование выбора конструктивных схем микромеханических преобразователей линейного ускорения акселерометрического инерциального блока с взаимно ортогональными осями чувствительности с учетом прогрессивных групповых технологий современной микросистемой техники.

2. Математические модели ЧЭ осевого и маятникового ММА инерциального акселерометрического блока, учитывающие нелинейные слагаемые в дифференциальных уравнениях движения, взаимосвязь и взаимовлияние поступательных и угловых перемещений ЧЭ при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания.

3. Результаты аналитического и конечно-элементного анализа динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА при гармонических и полигармонических вибрационных воздействиях, исследование взаимосвязи и взаимовлияния поступательных и угловых перемещений на динамику ЧЭ, исследование амплитудно-частотных характеристик ЧЭ.

4. Анализ явления вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ осевого и маятникового ММА при полигармонических вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания и рекомендации по повышению виброустойчивости приборов.

5. Результаты анализа динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей через частоту основного резонанса, исследования влияния нелинейных факторов и скорости прохождения через резонанс на амплитудные кривые ЧЭ ММА.

Объектами исследования являются маятниковый и осевой микромеханические акселерометры трехосного акселерометрического блока, применяемого в системах навигации и управления подвижными объектами различного назначения.

Методы исследования основаны на методах системного анализа и теории нелинейных колебаний динамических систем, численных методах решения дифференциальных уравнений, методах конечно-элементного анализа с использованием вычислительного комплекса ANSYS.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью применяемых методов исследования, совпадением результатов теоретических исследований с результатами конечно-элементного анализа в вычислительной системы ANSYS и с результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна:

1. Построены математические модели ЧЭ ММА осевого и маятникового типов, учитывающие нелинейные слагаемые в дифференциальных уравнениях движения, взаимосвязь и взаимовлияние поступательных и угловых перемещений ЧЭ ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания.

2. Исследовано явление вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ маятникового и осевого ММА и даны оценки влияния вибрационного смещения положения равновесия на информационные характеристики приборов.

3. Выполнен анализ динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса, выявлено влияние нелинейных факторов и скорости прохождения через резонанс на амплитудные кривые ЧЭ ММА.

Практическая ценность. Практическая значимость диссертации определяется полученными результатами о влиянии нелинейных факторов и взаимозависимости поступательных и угловых движений ЧЭ ММА на погрешности приборов в условиях вибрационных воздействий, рекомендациями по повышению виброустойчивости и устранению нежелательных явлений в динамике ЧЭ ММА. Построенные аналитические модели и конечно-элементные модели с использованием вычислительной системы ANSYS, учитывающие контактное взаимодействие элементов конструкции прибора, позволяют анализировать динамические характеристики, вибро- и ударопрочность ММА при их проектировании.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы в ОАО"ГИРООПТИКА"(Санкт-Петрбург) при проектировании и исследовании микромеханических акселерометров осевого и маятникового типов. По результатам исследований созданы опытные образцы микромеханических акселерометров, применяемые в навигационных системах и системах управления подвижными объектами.

Апробация работы. Основные результаты обсуждались и докладывались на: Международный научно-технический конгресс (Санкт-Петербург, 2007) Х конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, ЦНИИ"Электроприбор"); Научной сессии ГАУП (Санкт-Петербург,2008, СПб ГУАП); ХI конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009, ЦНИИ"Электроприбор"); Научной сессии ГАУП (Санкт-Петербург,2009, СПб ГУАП); ХII конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010, ЦНИИ"Электроприбор"); Научной сессии ГАУП (Санкт-Петербург,2010, СПб ГУАП); ХIII конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011, ЦНИИ"Электроприбор").

Работа являлась победителем конкурса "УМНИК" (март 2008г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 18 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе получены 5 патентов на полезную модель. Работы 2-4 и 6-12 выполнены самостоятельно, в работах 1, 5, 13 автору принадлежат результаты моделирования и анализа ЧЭ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографического списка. Общий объем составляет 189 страниц, в том числе 130 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

микромеханический акселерометр чувствительный погрешность

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели, задачи работы и основные положения, выносимые на защиту. Определяются объекты исследования, показывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Излагается современное состояние разработок и исследований ММА. Приводится описание систем управления подвижными объектами на основе микромеханических датчиков параметров движения.

В первом разделе диссертации дается общая характеристика конструкций микромеханических акселерометров (ММА), отмечаются особенности конструкции ММА, представляющей собой неразделимый комплекс, состоящий из ЧЭ и функциональной электроники, обеспечивающей требуемые условия работы ЧЭ и формирующей информационный выходной сигнал. Обосновывается выбор конструктивных схем ММА акселерометрического блока с тремя взаимно ортогональными осями чувствительности. Приводятся математические модели - системы дифференциальных уравнений движения ЧЭ осевого и маятникового ММА с учетом взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых перемещений инерционной массы ММА. Рассматриваются вопросы технологии изготовления ЧЭ ММА как электромеханических систем содержащих инерционные массы и функциональную электронику.

Для аналитического анализа динамики и оценки погрешности ММА в диссертации получены дифференциальные уравнения движения ЧЭ ММА на подвижном основании. С основанием прибора связана система координат с началом в центре торсионов для маятникового акселерометра и в положении статического равновесия центра масс ЧЭ для осевого акселерометра. Ось направлена вдоль оси чувствительности маятникового ММА, ось - вдоль оси чувствительности осевого ММА и вдоль оси торсиона маятникового ММА. Движение основания задается проекциями скорости точки на оси системы координат и проекциями угловой скорости основания на эти же оси. Принимается, что основание прибора совершает полигармонические вибрации, определяемые выражениями

, , () (1)

С пластиной маятникового ММА связана система координат с началом в центре масс пластины, ось направлена ортогонально плоскости пластины, оси и - в плоскости пластины (рисунок 1). Положение чувствительного элемента - пластины маятникового ММА относительно корпуса прибора определяется перемещениями и центра масс пластины, отсчитываемыми от положения статического равновесия и углами , и (рисунок 2а). Положение чувствительного элемента - пластины осевого ММА относительно корпуса прибора определяется перемещениями ,, центра масс пластины, отсчитываемыми от положения статического равновесия и углами , и (рисунок 2б). Принимается, что центр масс пластины маятникового ММА расположен на оси на расстоянии от оси торсиона. Используются следующие обозначения:- масса, - моменты инерции относительно осей ,, и центробежные моменты инерции пластин ММА.

1- инерционные массы (пластины)

2 - торсионный подвес

3 - места крепления к основанию

Рисунок 1 Конструктивные схемы ЧЭ осевого и маятникового ММА



а б

Рисунок 2 Системы координат (а - осевой ММА, б - маятниковый ММА)

Амплитуды колебаний основания, обобщенные координаты ЧЭ ММА ,,,,, и их производные по времени считаются малыми величинами. Составив выражения для кинетической энергии ЧЭ ММА и использовав уравнения Лагранжа второго рода, дифференциальные уравнения движения пластины с учетом слагаемых второго порядка малости получены в виде:

для маятникового акселерометра:

,

,

(2)

,

,

 (3)

для осевого акселерометра:

,

,

, (4)

.

В уравнениях (2 и 4) приняты обозначения: ,, - коэффициенты нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА; - коэффициенты жесткости линейной составляющей силы упругого подвеса; - слагаемые второго порядка малости (для сокращения подробные выражения в автореферате приведены только для ); ,,,,,- коэффициенты демпфирования.

Таким образом, в первой главе дано описание конструктивных схем, применяемых в составе ММА. Получены системы нелинейных дифференциальных уравнений движения на вибрирующем основании ЧЭ осевого и маятникового ММА. В дифференциальных уравнениях движения ЧЭ сохранены слагаемые, обусловленные нелинейной зависимостью сил упругости подвеса от перемещения инерционной массы, и слагаемые, объясняющиеся особенностями динамики чувствительных элементов на упругих подвесах. Приведены основные параметры разрабатываемых ММА. Дано описание технологии изготовления ЧЭ ММА.

Во втором разделе диссертации проводится анализ динамики ЧЭ маятникового ММА при гармонических и полигармонических вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания. Выполнены расчеты амплитудно-частотных характеристик ЧЭ ММА и исследована зависимость амплитудно-частотных характеристик от параметров системы. Определено постоянное смещение положения равновесия ЧЭ ММА при поступательных и угловых вибрационных воздействиях и, вызываемые вибрационным смещением положения равновесия, погрешности ММА. Исследована зависимость постоянного смещения ЧЭ ММА от величины параметра затухания системы. Рассмотрено поведение ЧЭ ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса.

При исследовании вибрационного смещения положения равновесия при полигармонических колебаниях основания решение дифференциальных уравнений (2) находилось методом последовательных приближений, ограничиваясь первым и вторым приближениями. Для решения уравнений первого приближения использовался комплексный метод. Смещение положения равновесия ЧЭ ММА определялось из уравнений второго приближения осреднением нелинейных слагаемых на решениях уравнений первого приближения. Для маятникового акселерометра наиболее существенное влияние на погрешности прибора оказывает постоянное смещение ЧЭ по координате : , - осредненное значение нелинейных слагаемых в первом дифференциальном уравнении системы(3).

На рисунке 3 приведены амплитудно-частотные характеристики маятникового ММА, построенные на основании решений уравнений первого приближения. На рисунке 4 - графики постоянного смещения ЧЭ ММА маятникового типа при вибрационном воздействии одновременно относительно двух осей Y и Z при различных значениях коэффициента демпфирования. Величина постоянного смещения ЧЭ ММА при принятых значениях параметров ЧЭ и вибрации может достигать рад, что составляет мкм перемещения центра масс пластины в направлении оси чувствительности, и соответствует ошибке 2.4 мg. Полученное значение погрешности значительно превышает допустимое для ММА навигационного класса точности (0.1 mg). Для снижения данной погрешности необходимо: 1. Выбирать параметры прибора так, чтобы собственные частоты ЧЭ на упругом подвесе не попадали в спектр частот вибрационного воздействия. 2. Использовать инертные газы, для заполнения корпуса прибора, увеличивающие параметр затухания системы. 3. Применять компенсационный метод измерений.

Анализ динамики ЧЭ маятникового ММА при гармоническом воздействии проводился на основе первого уравнения системы (2):

(5)

,где ; ; ; .

а)

б)

Рисунок 3 Амплитудно-частотные характеристики маятникового ММА

а) - при поступательных колебаниях основания вдоль оси Z,

б) - при угловых колебаниях основания относительно оси Х.



Рисунок 4 Вибрационное смещение ЧЭ маятникового ММА

В случае гармонического внешнего воздействия с постоянной частотой () решение уравнения (5) находилось в виде , . Используя метод медленно меняющихся коэффициентов, получено уравнение стационарной резонансной кривой

(6)

и условие устойчивости стационарного движения ЧЭ ММА.

(7)

На рисунке 5 приведены графики стационарной резонансной кривой и границы области устойчивости при различных значениях коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА. На рисунке 5,а - стационарная резонансная кривая системы с малым значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА; на рисунке 5,б - стационарная резонансная кривая системы с высоким значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА. Область неустойчивости выделена штриховкой.

а)

б)

Рисунок 5 Стационарная резонансная кривая и область неустойчивости стационарного движения ЧЭ маятникового ММА

Анализ показал, что область неустойчивости расширяется с увеличением коэффициента нелинейной составляющей жесткости системы. При проектировании прибора необходимо выбирать параметры системы таким образом, чтобы зависимость жесткости системы от перемещений была близка к линейной.

Для анализа динамики ЧЭ маятникового ММА, проходящего с переменной частотой вибрационного воздействия через частоту основного резонанса, использован асимптотический метод Крылова-Боголюбова. Решение уравнения (5) находилось в виде , где и при определяются из системы уравнений

(8)

, где , , .

На рисунке 6 приведены графики амплитудных кривых при прохождении ЧЭ маятникового ММА через резонанс с различной скоростью. На рисунке 4,а - амплитудные кривые прохождения через резонанс линейной системы при возрастании частоты (). На рисунке 4,б - амплитудные кривые прохождения через резонанс нелинейной системы при возрастании частоты.

а)

в)

Рисунок 6 Амплитудные кривые прохождения через резонанс

Таким образом, во втором разделе построена математическая модель динамики ЧЭ маятникового ММА на подвижном основании. Выполнен анализ влияния полигармонического вибрационного воздействия на ЧЭ маятникового ММА. Получены уравнения резонансных кривых ЧЭ маятникового ММА. Исследована зависимость резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ маятникового ММА от параметра затухания системы. Выполнено исследование вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ маятникового ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания, даны оценки вибрационных смещений и рекомендации по их устранению. Исследована динамика ЧЭ маятникового ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания с переменной частотой, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса. Определены области неустойчивости при различных значениях коэффициента нелинейности упругого подвеса ЧЭ маятникового ММА.

В третьем разделе диссертации приводятся результаты анализа динамики ЧЭ осевого ММА при гармонических и полигармонических вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания. Определены амплитудно-частотные характеристики ЧЭ ММА и исследована зависимость амплитудно-частотных характеристик от параметров системы. Определены постоянные смещения ЧЭ, возникающие при поступательных и угловых вибрационных воздействиях, и погрешности ММА, вызываемые вибрационным смещением положения равновесия. Исследована зависимость постоянного смещения ЧЭ ММА от величины параметра затухания системы. Рассмотрено поведение ЧЭ ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей в процессе изменения через частоту резонанса.

Получены амплитудно-частотные характеристики, представленные на рисунке 7. Полученные результаты основаны на исследовании дифференциальных уравнений (3) Методы исследования аналогичны применяемым в разделе 2.

Рисунок 7 Амплитудно-частотные характеристики Рисунок 8 - Вибрационное смещение осевого ММА ЧЭ осевого ММА

На рисунке 8 приведен график вибрационного смещения ЧЭ ММА осевого типа при одновременном действии поступательной вибрации по оси и угловой вибрации относительно оси . Величина постоянного смещения метра, что соответствует погрешности . Для ММА класса точности полученное значение погрешности может превышать допустимые, что следует учитывать при проектировании прибора.

Анализ динамики ЧЭ при прохождении через резонанс производится так же, как и для маятникового ММА. На рисунке 9 приведены графики стационарной резонансной кривой и границы области устойчивости при различных значениях коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА. На рисунке 9,а- стационарная резонансная кривая системы с малым значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА, на рисунке 9,б - стационарная резонансная кривая системы с высоким значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА, область неустойчивости выделена штриховкой.

Из приведенных графиков видно, что область неустойчивости увеличивается с увеличением коэффициента нелинейной составляющей жесткости системы. При проектировании необходимо выбирать параметры системы таким образом, чтобы система была близка к линейной.

а)

б)

Рисунок 9 Стационарная резонансная кривая и область неустойчивости стационарного движения ЧЭ осевого ММА

На рисунке 10 приведены графики амплитудных кривых при прохождении ЧЭ осевого ММА через резонанс с различной скоростью. На рисунке 10,а - амплитудные кривые прохождения через резонанс линейной системы при возрастании частоты, на рисунке 10,б - амплитудные кривые прохождения через резонанс нелинейной системы при возрастании частоты.

а)

б)

Рисунок 10 Амплитудные кривые прохождения через резонанс

Таким образом, в третьем разделе построена математическая модель динамики ЧЭ осевого ММА на подвижном основании. Выполнен анализ влияния полигармонического вибрационного воздействия на ЧЭ осевого ММА. Получены уравнения резонансных кривых ЧЭ осевого ММА. Исследована зависимость резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ осевого ММА от параметра затухания системы. Выполнено исследование вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ осевого ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания, даны оценки вибрационных смещений и рекомендации по их устранению. Исследована динамика ЧЭ осевого ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания с переменной частотой, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса. Определены области неустойчивости при различных значениях коэффициента нелинейности упругого подвеса ЧЭ осевого ММА.

В четвертом разделе диссертации проводится анализ динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА под действием различных внешних воздействующих факторов (ВВФ) методом конечных элементов с использованием вычислительной системы ANSYS. Использование конечно-элементного комплекса ANSYS дает возможность оценивать различные параметры датчиков и вводить корректировку в конструкцию ЧЭ при проектировании прибора, для достижения требуемых параметров прибора за меньшее число итераций. В данном разделе определены амплитудно-частотные характеристики, собственные частоты и соответствующие им формы колебаний ЧЭ ММА. Исследована зависимость собственных частот ЧЭ от температуры окружающей среды. Определены механические напряжения и перемещения элементов конструкции ММА при вибрационных (в диапазоне частот до 2 кГц) и ударных воздействиях (10000g). Проведен анализ динамики ЧЭ ММА при прохождении через резонанс. Исследовано влияние ориентации кремниевой структуры на динамические характеристики ЧЭ ММА.

Для проведения анализа были созданы конечно-элементные модели ЧЭ ММА (рисунок 11).



Рисунок 11 Конечно-элементные модели ЧЭ ММА

В данном разделе диссертации приводится сравнение результатов полученных аналитическими методами и методами конечных элементов с использованием комплекса ANSYS. Приводятся результаты экспериментальных исследований данных опытных образцов ММА, разработанных в ОАО"ГИРООПТИКА". Приведена зависимость корня квадратного из вариации Аллана от интервала усреднения для ММА (рисунок 12). В таблице 1 приводится сравнительные характеристики ММА ОАО"ГИРООПТИКА" с ММА фирм Analog Design и Honeywell (США). Анализ таблицы 1 свидетельствует о сопоставимости характеристик ММА, разработанных в ОАО"ГИРООПТИКА" с характеристиками зарубежных ММА.

Рисунок 12 Графики корня квадратного из вариации Аллана для реализации выходного сигнала ММА при нулевом значении измеряемого ускорения

Таблица 1

Сравнительные характеристики ММА ОАО "ГИРООПТИКА" с ММА фирм Analog Devices и Honeywell (США)

Тип прибора и фирма производитель	Наименование характеристик
	Нестабильность нулевого сигнала (Accelerometer Bias), mg	Случайное блуждание нулевого сигнала (Velocity Random Walk), mg/vГц
ММА ОАО "ГИРООПТИКА" (Санкт-Петербург)	0.8	1.0
ADIS16350/16355 Analog Devices	6.0	3.0
ADIS16360/16365 Analog Devices	0.2	0.4
Модуль HG 1700 Honeywell	1.0	0.4
Модуль HG 1930 Honeywell	1.0	0.5

Таким образом, представлен алгоритм исследования динамики ЧЭ, основанный на использовании методов конечно-элементного анализа с применением вычислительной системы ANSYS. Построены конечно-элементные модели ЧЭ маятникового и осевого ММА, и на их основе определены собственные частоты и формы колебаний ЧЭ ММА, выполнены расчеты напряжений и перемещений в элементах конструкции ММА при ударных и вибрационных воздействиях с учетом контактного взаимодействия в комплексе ANSYS, исследовано влияние анизотропии кремния на динамические характеристики ММА, выполнен анализ динамики прохождения ЧЭ ММА через резонанс. Полученные с использованием метода конечных элементов результаты сопоставимы с результатами аналитических исследований. Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов ММА, разработанных в ОАО"ГИРООПТИКА". Проведена обработка результатов исследований с использованием методики определения дисперсии Аллана. Дана сравнительная оценка нестабильности и случайного блуждания нулевых сигналов ММА, разработанных в ОАО"ГИРООПТИКА", с датчиками фирм Analog Devices и Honeywell (США) и отмечена сопоставимость указанных характеристик.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Построены математические модели - системы нелинейных дифференциальных уравнений движения на вибрирующем основании ЧЭ ММА с поступательным движением инерционной массы (осевой ММА) и с вращательным движением инерционной массы (маятниковый ММА). В системах дифференциальных уравнений движения ЧЭ сохранены слагаемые, обусловленные нелинейной зависимостью сил упругости подвеса от перемещений ЧЭ ММА, и слагаемые, объясняющиеся особенностями динамики ЧЭ на упругих подвесах.

2. Выполнен анализ влияния гармонического и полигармонического вибрационного воздействия на ЧЭ маятникового и осевого ММА. Получены уравнения резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ маятникового и осевого ММА. Исследована зависимость резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ маятникового и осевого ММА от параметров системы.

3. Выполнены исследования явлений смещения положений равновесия ЧЭ маятникового и осевого ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания - вибрационных смещений положений равновесия ЧЭ, даны оценки вибрационных смещений и рекомендации по повышению виброустойчивости приборов.

4. Исследована динамика ЧЭ ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания с переменной частотой, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса. Определены области неустойчивости при различных значениях коэффициента нелинейности упругого подвеса ЧЭ маятникового и осевого ММА. Определены резонансные кривые при прямом (частота возрастает с увеличением времени) и обратном (частота уменьшается с увеличением времени) прохождении через резонанс, выявлены особенности влияния нелинейностей характеристик сил упругости подвеса ЧЭ и скорости прохождения через резонанс на амплитудные кривые ЧЭ ММА.

5. Представлен алгоритм исследования динамики ЧЭ, основанный на использовании методов конечно-элементного анализа с применением вычислительной системы ANSYS. Построены конечно-элементные модели ЧЭ маятникового и осевого ММА, и на их основе определены собственные частоты и формы колебаний ЧЭ ММА, выполнены расчеты напряжений и перемещений в элементах конструкции ММА при ударных и вибрационных воздействиях, исследовано влияние анизотропии кремния на динамические характеристики ММА, выполнен анализ динамики прохождения ЧЭ ММА через резонанс. Полученные с использованием метода конечных элементов результаты сопоставимы с результатами аналитических исследований. Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов ММА. Проведена обработка результатов исследований с использованием методики определения дисперсии Аллана. Дана сравнительная оценка нестабильности и случайного блуждания нулевых сигналов ММА с датчиками фирм Analog Devices и Honeywell (США).

Публикации по теме диссертации

Содержание диссертации опубликовано в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Федоров, М. В. О вибрационной погрешности маятникового микромеханического акселерометра / М. В. Федоров, А.М. Лестев. Гироскопия и навигация, 2011, №3 (74), с. 96-100.

2. Федоров, М. В. Влияние ориентации кремниевой структуры на механические свойства микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. Гироскопия и навигация, 2011, №4 (75), с. 94-98.

3. Федоров, М. В. Влияние вибрационных воздействий на динамику и точность маятникового микромеханического акселерометра / М. В. Федоров. Гироскопия и навигация, 2009, №2 (65), с. 98.

4. Федоров, М. В. Конечно-элементный анализ конструкции чувствительного элемента маятникового микромеханического акселерометра. / М. В. Федоров. Гироскопия и навигация, 2010, №2 (69), с. 63.

5. Федоров, М. В. Результаты разработки, конечно-элементного анализа и экспериментальных исследований микромеханических гироскопов и акселерометров. / М. В. Федоров, В. Н. Ходуров, М. А. Лестев. Гироскопия и навигация, 2010, №2 (69), с. 63.

Другие статьи и материалы:

6. Федоров, М. В. Влияние ориентации кремниевой структуры на механические свойства микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. Материалы X конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ “Электроприбор”, 2009, С. 355 - 362.

7. Федоров, М. В. Влияние температурных факторов на динамические характеристики микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. Научная сессия ГУАП часть 1 технические науки, под общей редакцией д.т.н., проф., засл. деят. науки РФ В.И. Хименко: СПбГУАП, 2008, С. 190 - 195.

8. Федоров, М. В. Влияние вибрационных воздействий на динамику и точность маятникового микромеханического акселерометра / М. В. Федоров. Материалы XI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ “Электроприбор”, 2009, С. 386 - 392.

9. Федоров, М. В. Динамика и погрешности микромеханических акселерометров при вибрационном воздействии / М. В. Федоров. Научная сессия ГУАП часть 1 технические науки, под общей редакцией д.т.н., проф., засл. деят. науки РФ В.И. Хименко: СПбГУАП, 2009, С. 208 - 212.

10. Федоров, М. В. Конечно-элементный анализ конструкции чувствительного элемента маятникового микромеханического акселерометра. / М. В. Федоров. Материалы XII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ “Электроприбор”, 2010, С. 392- 397.

11. Федоров, М. В. Конечно-элементный анализ конструкций чувствительных элементов маятникового и осевого микромеханических акселерометров./ М. В. Федоров. Научная сессия ГУАП часть 1 технические науки, под общей редакцией д.т.н., проф., засл. деят. науки РФ В.И. Хименко: СПбГУАП, 2010, С. 205 - 209.

12. Федоров, М. В. Разработка методики исследования влияния ориентации кремниевой структуры на механические свойства микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. "У.М.Н.И.К." в Санкт-Петербурге. Разработки победителей конкурса программы Фонда содействия малых предприятий в научно-технической сфере, 2011, с. 87-89.

13. Попова И.В. Микромеханические инерциальные преобразователи параметров движения и навигационные системы / И.В. Попова, А.А. Шабров, А.М. Лестев, М.В. Федоров. Международный научно-технический конгресс "Мехатроника и робототехника", сборник тезисов, Санкт-Петербург, 2007, с. 71.

Патенты:

14. Бурцев В.А., Бурханов В.Ю., Зуев В.Г., Попова И.В., Семенов А.А., Смоленцев С.С., Федоров М.В. Малогабаритная инерциальная система управления движением/ Патент РФ № 73475 (заявка № 2008104101 от 04.02.2008). Опубликован 20.05.2008. Класс G01C21/00.

15. Бурцев В.А., Попова И.В., Семенов А.А., Федоров М.В. Микромеханический осевой акселерометр/ Патент РФ № 66060 (заявка № 2007119932 от 28.05.2007). Опубликован 27.08.2007. Класс G01P15/08.

16. Бурханов В.Ю., Лестев А.М., Лестев М.А., Попова И.В., Смоленцев С.С., Устименко Т.Г., Федоров М.В. Бесплатформенная инерциальная навигационная система/ Патент РФ № 75033 (заявка № 2008114463 от 14.04.2008). Опубликован 20.07.2008. Класс G01C21/00.

17. Иванов В.А., Лестев А.М., Попова И.В., Федоров М.В. Микромеханический гироскоп-акселерометр/ Патент РФ № 81799 (заявка № 2008150887 от 22.12.2008). Опубликован 27.03.2009. Классы G01P15/08, G01С19/56.

18. Лестев А.М., Попова И.В., Ефимовская А.В., Федоров М.В. Микромеханический гироскоп/ Патент РФ № 84541 (заявка № 2009105378 от 16.02.2009). Опубликован 10.07.2009. Класс G01С19/56.

Размещено на Allbest.ru

...