Колебания чувствительных масс в каждой из схем возбуждаются электростатическим гребенчатым виброприводом. В конструкциях приборов реализуется компенсационный (с обратной связью) режим работы. Сигналы снимаются с помощью емкостных датчиков; в системах обратной связи применены электростатические датчики силы. Электромеханические узлы ММГ рассматриваемых типов вместе с элементами вибровозбуждения колебаний, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами обратных связей формируются методами современной микроэлектроники на основе кремниевой технологии.
При исследовании динамики, определении собственных частот и соответствующих им форм колебаний, вынужденных колебаний и процессов их установления использовались модели ММГ с сосредоточенными и распределенными параметрами.
Модели с сосредоточенными параметрами исследовались аналитическими методами, с распределенными – методом конечных элементов, реализуемым с использованием вычислительной системы Pro/MECHANICA. Зависимости амплитуд вынужденных колебаний чувствительных масс ММГ от частоты вибровозмущения (резонансные кривые) показаны на рис. 3. На рис. 3, а приведена резонансная кривая для ММГ с поступательными движениями чувствительных масс в окрестности собственной частоты (~ 12 кГц), соответствующей поступательным колебаниям чувствительных масс в противофазах. Для рассматриваемой конструкции ММГ амплитуда вынужденных колебаний чувствительных масс вдоль оси Х (см. рис. 1) при резонансной настройке составляет ~ 25 мкм. Амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс вдоль осей Y и Z при этом пренебрежимо малы (измеряемая угловая скорость равна нулю).
Рис. 3. Частотные характеристики ММГ
Резонансная кривая роторного ММГ в окрестности частоты собственных колебаний (~ 5 кГц) приведена на рис. 3,б. В этой схеме амплитуда вынужденных угловых колебаний ротора при резонансной настройке составляет ~ 3°. Следует отметить острый характер резонанса, объясняющийся высокой добротностью кремниевого осциллятора. Указанное обстоятельство требует применения точной резонансной настройки, заключающейся в обеспечении и поддержании в процессе работы строгого совпадения частоты вибровозбуждения с собственной частотой осциллятора. В этом состоит одна из основных проблем, возникающих при разработке ММГ. В конструкциях разрабатываемых ММГ предусмотрены контуры подстройки частот.
Погрешности ММГ
Погрешности ММГ вызываются технологическими погрешностями изготовления элементов прибора, неидеальностью реализации электронных схем, температурными воздействиями (и обусловленными ими разбалансировками и изменением термоупругого состояния), вибрациями и ускорениями основания [4]. Основное влияние на точность ММГ рассматриваемых типов оказывают разбалансировки в плоскости, перпендикулярной плоскости чувствительных элементов (YOZ); в меньшей степени влияют разбалансировки в плоскости чувствительных элементов. Температурные погрешности ММГ вызываются изменением абсолютной температуры окружающей среды прибора, приводящим к температурным разбалансировкам и изменению динамических характеристик ММГ. Влияние изменения температуры в плоскостях XOY и XOZ на точность ММГ оказывается незначительным. Подробные качественные и количественные оценки составляющих угловой скорости дрейфа ММГ, математические модели теплового и технологического дрейфов прибора приведены в статье [4]. Отметим, что применение системы термостатирования прибора позволяет существенно (более чем на порядок) повысить точность ММГ.
В условиях эксплуатации на высокоскоростных и высокоманевренных объектах ММГ подвергаются интенсивным ударным и вибрационным воздействиям. Как показывают расчеты перемещений, деформаций и напряжений в элементах конструкций ММГ при ударных воздействиях, выполненные с использованием модуля конечно-элементного анализа Pro/MECHANICA (версия 20), и практика испытаний артиллерийских снарядов с системами управления на основе микромеханических датчиков [5], приборы этого типа обладают высокой механической прочностью и способны выдерживать ударные воздействия в десятки тысяч. Наиболее опасные направления ударных воздействий для гироскопа конструкции, показанной на рис. 1, -направление вдоль оси X, для гироскопа, показанного на рис. 2, – вдоль оси Y. При конструировании ММГ, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивных ударных и вибрационных воздействий, предусматриваются меры для повышения прочностных характеристик приборов. К ним относятся рациональное расположение упругих элементов и мест крепления, установка ограничителей перемещений элементов конструкции и др.