CC BY
41
DYNAMICS GYROSCOPIC STABILIZER WITH A WAVE SOLID-STATE GYROSCOPE
M.N. Korolev, D.M. Malyutin
The results of the dynamics of an information and measurement system based on an indicator gyroscopic stabilizer on a wave solid-state gyroscope operating in the mode of an angular velocity sensor with a three-component pitching of the base are presented.
Key words: information and measurement system, indicator gyroscopic stabilizer, wave solid-state gyroscope.
Korolev Mikhail Nikolaevich, postgraduate, mkorolyew@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Malyutin Dmitriy Mikhailovich, candidate of technical sciences, professor, Malutindm@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 538.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-255-262
ИСПЫТАНИЯ КОРИОЛИСОВЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ГИРОСКОПОВ
А.В. Каликанов, В.В. Лихошерст, А.С. Тимошенков, С.П. Тимошенков
Дано определение волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) принадлежащих к классу кориолисовых вибрационных гироскопов (КВГ) с вибрирующими оболочками. Изложены сведения о конструктивных особенностях кориолисовых вибрационных гироскопов. Приведены результаты испытаний отечественных КВГ изготовленных по технологии микроэлектроники, а также КВГ с цилиндрическим металлическим резонатором, изготовленным на программируемом станочном оборудовании и их анализ.
Ключевые слова: кориолисовые вибрационные гироскопы, волновой твердотельный гироскоп, микромеханический гироскоп, вариации Аллана, стендовые испытания, сравнительный обзор.
Кориолисовые вибрационные гироскопы (КВГ) - класс вибрационных гироскопов, которые в своей конструкции содержат материальный объект (резонатор), совершающий быстрые периодические движения, и чувствительный в следствие этого к вращению в инерциальном пространстве [1]. Следуя стандарту IEEE 1431-2004 «Standard Specification FormatGuide an Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros» [2] материальным объектом - носителем быстрых периодических движений могут быть вибрирующие пластины (vibrating plates), вибрирующие балки (vibrating beams), вибрирующие оболочки (vibrating shell), камертоны (tuning fork). Возбуждаемые в носителе быстрых периодических движений (резонаторе) колебания называются соответственно первичными колебаниями. При возникновении угловой скорости основания возникают Кориолисовы силы инерции, которые приводят к возникновению вторичных колебаний резонатора.
В зависимости от формы первичных и вторичных колебаний угловых (linear) или вращательных (rotary) гироскопы в виде вибрирующих пластин разделяются на гироскопы LL-типа, LR-типа, RL-типа RR-типа [3, 4].
Микромеханические гироскопы (ММГ), как и кориолисовые вибрационные гироскопы в целом имеют ряд контуров управления, таких как автоматическая настройка усиления амплитуды возбуждения, настройка частоты вибрации на резонансной частоте, обнуление квадратурной составляющей вибрации и т.д. Область применения подобных приборов чрезвычайно велика не только среди гражданского, но и военного назначения. В последние годы наметилась тенденция к увеличению спроса и востребованности приборов данного класса в качестве чувствительных элементов перспективных систем навигации, ориентации и управления движением подвижных объектов. Особенно актуальна проблема создания и проектирования приборов на базе Российских чувствительных элементов.
255
Целью данной работы является сопоставительный анализ перспективных отечественных КВГ, оценка статических характеристик, а также измерительных характеристик - зависимость коэффициента передачи от температуры.
В качестве объектов исследования были выбраны:
1) Образец перспективного волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) с металлическим резонатором (рис. 1) разрабатываемый на кафедре «Приборы управления» Тульского государственного университета г. Тула совместно с Мичуринским заводом «Прогресс». Резонатор в данном приборе является чувствительным элементов ВТГ. Теория его работы описана в многочисленной литературе [5, 6, 7]. Достоинствами такого прибора является отсутствие подвижных частей, что обеспечивает длительный ресурс и возможность работы в жестких условиях эксплуатации.
уу
£ 1 2 3 4 5 6 7 В
вВЫшйшЫшЬДш (шшНтЫтАтЛ Рис. 1. Внешний вид волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором (чувствительный элемент)
Наиболее перспективные и доступные на отечественном рынке объекты (рис. 2), разработанные ООО «Лаборатория микроприборов» г. Зеленоград совместно с Московским институтом электронной техники (МИЭТ):
2) Серийно выпускаемый образец модуля инерциального ГКВ-10;
3) Экспериментальный образец датчика угловой скорости ДУС 201МСУ1У.
Ф______•
Гфкгы |
I 201МСУ1У-1-А »
I МИ0И51! ^ I
* _ ^
а б
Рис. 2. Внешний вид микромеханических гироскопов: а - ДУС 201МСУ1У-1А; б - ГКВ-10
Чувствительный элемент ДУС 201МСУ1У-1А (рис. 2, а) представляет собой кольцевой кремниевый резонатор и обладает высокой стойкостью к действию внешних возмущающих факторов (перегрузки и вибрации).
Модуль ГКВ-10 (рис. 2, б) состоит из триады МЭМС датчиков угловой скорости, триады МЭМС акселерометров, триады МЭМС магнитометров, вычислителя и необходимой периферии. Каждый модуль индивидуально калибруется во всем диапазоне рабочих температур [8]. В рамках данной статьи будут анализироваться характеристики только датчиков угловой скорости модуля ГКВ-10.
Технические характеристики объектов исследования представлены в табл. 1.
Проведение испытаний и обработка результатов
Испытания данных приборов проводились на кафедре «Приборы управления» института высокоточных систем им. В.П. Грязева Тульского государственного университета.
Анализ случайных характеристик шума датчиков методом вариаций Аллана проводился по часовой записи выходного сигнала на неподвижном основании при нормальных климатических условиях (25 °С). Частота записи сигнала для ВТГ ДУС - 500 Гц, ГКВ-10 - 250 Гц, ДУС 201МСУ1У-1А - 50 Гц.
Для оценки выходного сигнала в рабочем диапазоне температур от минус 40 °С до плюс 60 °С с шагом 20 °С. приборы устанавливались на плиту одноосного стенда, совмещенного с климатической камерой.
Порядок получения выходного сигнала:
- выход на температурный режим со скоростью изменения температуры 1 °С/мин;
- выдержка на температуре 40 - 50 мин;
- включение датчика, выдержка не более 120 сек;
- вращение с шагом 25 °/с угловым ускорением 200 °/с2, выдержкой на каждой угловой скорости не менее 10 с:
а) ВТГ ДУС в диапазоне угловых скоростей от минус 500 °/с до плюс 500 °/с;
б) ДУС 201МСУ1У-1А в диапазоне угловых скоростей от минус 300 °/с до плюс 300
°/с;
в) ГКВ-10 в диапазоне угловых скоростей от минус 900 °/с до плюс 900 °/с;
- останов вращения с угловым ускорением 200 °/с2;
- выключение датчика;
- переход на следующий температурный режим.
Таблица 1
Характеристики исследуемых кориолисовых вибрационных гироскопов_
Параметр, размерность Исследуемый образец (тип чувствительного элемента)
ВТГ ДУС (металлический цилиндрический резонатор) ММГ ДУС 201МСУ1У-1А (кольцевой кремниевый резонатор) ГКВ-10 (резонатор в виде вибрирующий пластины)
Количество осей 1 1 3
Формат выходных данных цифровой аналоговый цифровой
Интерфейсы САМ №-422 КБ-485
Температурная компенсация есть нет есть
Напряжение питания, В 24 4,75 9..36
Потребляемая ток, мА не более 300 менее 100 -
Частота передачи выходных данных, Гц 500-1000 - 250
Диапазон измерения угловой скорости °/с до ±2000 ±400 ±900
Полоса пропускания, Гц 50 50 160
Нестабильность нуля (по дисперсии Аллана), °/ч ±0,25 ±5 ±5
Случайное угловое блуждание, 0,014 0.08 0.1
Среднеквадратичное отклонение (1000 Гц), °/с 0,025 - 0.06
Нелинейность преобразования, % 0.01 не более 0.15 0.01
Время запуска, с не более 3 1 1
Время выхода на режим, с менее 6 менее 2 -
Диапазон рабочих температур °С -40..+85 -40..+85 -40..+85
Габаритные размеры, мм 030x32 (чувствительный элемент)* 51x37x23 72,3x50x34
Масса, г 80* 70 140
* Габариты модуля электроники 100x50x50 при 50 г.
Запись выходного сигнала осуществлялась на ПК для ГКВ-10 с помощью специализированного программного обеспечения, предоставленного разработчиком. Для остальных датчиков был написан программный код, позволяющий осуществлять запись данных на ПК. Выходной сигнал датчика ДУС 201МСУ1У-1А оцифровывался 16-ти разрядным АЦП с последующей передачей на ПК.
На рис. 3 показан вид выходных сигналов датчиков при постоянной температуре окружающей среды.
На рис. 4 приведены графики отклонения Аллана, полученные на основе приведенных ранее выходных сигналов.
Полученные характеристики всех датчиков приведены в табл. 2.
На рис. 5 показан пример измерительной характеристики при температуре плюс 20 °С для ГКВ-10, точками на графике обозначены средние значения измеренной угловой скорости, полученные путем усреднения выходного сигнала на интервале неизменной угловой скорости. Аналогичные графики были получены во всем диапазоне температур от минус 40 °С до плюс 60 °С для всех исследуемых датчиков.
7с
а
б в Рис. 3. Выходные сигналы ММГ: ВТГ-ДУС (а), ГКВ-10 (б); ДУС 201МСУ1У-1А (в)
Усредненное время, с
Рис. 4. Отклонение Аллана ВТГ ДУС и ДУС 201МСУ1У-1А при НКУ
Таблица 2
Характеристики исследуемых датчиков_
Параметр, размерность Исследуемый образец
X ГКВ-10 V 7 ДУС 201МСУ ВТГ ДУС
Нестабильность нуля °/ч ±4,53 ±3,97 ±3,97 ±1,91 ±0,25
Блуждание угловой скорости °/7ч 0,109 0,115 0,109 0,28 0,014
СКО 0,030 0,031 0,030 0,11 0,024
Так как датчики имеют различные диапазоны измеряемой угловой скорости для более достоверного сопоставления полученных результатов выполнялась линейная аппроксимация измерительной характеристики вида
К 'Щам + В, 1
где К - масштабный коэффициент (коэффициент передачи) отношение измеренной угловой скорости к заданной на стенде, т.е. по сути определяет отклонение коэффициента передачи ДУС от идеального его значения (в случае К = 1 - измеренная угловая скорость совпадает с заданной); В - смещение нуля, о)изм- угловая скорость, измеряемая датчиком.
258
Тсмпсраггуря + 20 °С 900-
Заданная угловая скорость стенда, °/с
Рис. 5. Характеристика ГКВ-10 при температуре плюс 20 °С
В табл. 3 приведены коэффициенты, полученные на основе выражения (1) для всех рассматриваемых ДУС в диапазоне температур воздействия.
Таблица 3
Смещение нуля и коэффициент передачи на различных температурах
Датчик Коэффициенты Температура, °С
-40 -20 0 20 40 60
ВТГ-ДУС К 0,9969 1,0033 1,0034 1,0035 1,0035 1,0035
В 0,1064 0,0029 0,0123 0,0567 0,0598 0,0598
ДУС 201МСУ1У-1А К 0,8909 0,9514 0,9440 1,0093 1,0094 0,9801
В 0,5767 4,8064 0,4098 0,5978 1,2672 1,3514
ГКВ-10 К 1,0017 1,0017 1,0015 1,0014 1,001 1,0009
В 0,1865 0,1122 0,0794 0,0647 0,0716 0,0461
На рис. 6 приведены графики зависимости коэффициента передачи от температуры и графики смещения нуля от температуры для исследуемых датчиков.
1,03 1.01
-—' /
/ /
/ / /
/ ч. / - / ✓
/ / оде / / 1-&89-1
••г
—1
\ ч
-Ю -30 0 10 40 ВО -40 5(П -30 0 10 го 30 40 м «
Гги: щ 'С Тешвзшура.'С
а б
Рис. 6. Зависимость коэффициента передачи (а) и смещение нуля (б) от температуры: 1- ВТГ ДУС; 2 - ДУС 201МСУ1У-1А; 3 - ГКВ-10
На основании данных табл. 3 нестабильность масштабного коэффициента определяется зависимостью:
АК = (тах\1-К\) *100%,
где тах\1-К\ - наибольшее (по модулю) отклонение коэффициента от единицы в диапазоне температур испытания. В табл. 4 приведена нестабильность масштабного коэффициента для исследуемых датчиков.
Таблица 4
Нестабильность масштабного коэффициента_
Параметр, размерность Датчик
ВТГ-ДУС ГКВ-10 ДУС 201МСУ1У-1А
Нестабильность масштабного коэффициента, % 0,35 0,17 10,91
Абсолютное отклонение измеренной угловой скорости от угловой скорости стенда при различных температурах показано на рис.7.
V
...
АО -7» -500^3 *> ) » 5 Ю КО 90
1
......-Л
----20
-О
- ■ 10
— 40
— ет
Звдянн уняовая скорость стя1да,7е
а
Заданная угловая скорость стсндл. °/с б
Заданная угловая скорость стенла, й/с в
Рис. 7. Отклонение измеренной угловой скорости от угловой скорости стенда для исследуемых датчиков: а - ГКВ-10; б - ДУС 201МСУ1У-1А; в - ВТГДУС
Для сопоставления полученных результатов, приведенных на рис. 7 вычислим нелинейность выходного сигнала как
к = Дштах. 100 [%],
тах - максимальное значение отклонения угловой скорости вычисленной по уравнению
где Дш
аппроксимирующей линии от заданной на стенде; Штах - максимальное значение измеряемой
угловой скорости (для рассматриваемого датчика). В табл. 5 приведены результаты нелинейности выходного сигнала для исследуемых датчиков.
Нелинейности выходного сигнала датчиков
Таблица5
Параметр, размерность Датчик
ВТГ-ДУС ГКВ-10 ДУС 201МСУ1У-1А
Нелинейности выходного сигнала, % 0,37 0,20 11,30
Выводы:
По результатов проведенных исследований трех образцов датчиков угловой скорости, имеющих разные чувствительные элементы (различной формы) и технологию изготовления можно отметить что:
- нестабильность и нелинейность КП в диапазоне температур у образцов ВТГ-ДУС и ГКВ-10 близки.
- по вариациям Аллана - характеристики ВТГ-ДУС несколько лучше характеристик
ГКВ-10.
- ДУС 201МСУ1У-1А на данный момент разработки существенно уступает ГКВ-10 и ВТГ-ДУС.
Список литературы
1. Матвеев В.А. Проектирование волнового твердотельного гироскопа [Текст]: учебн. пособие для втузов / В.А. Матвеев, В.И. Липатников, А.В. Алехин. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 1997. 168 с.
2. Lynch, D.D. Coriolis vibratory gyroscope. IEEE standard specification format guide and test procedure for Coriolis vibratory gyros / IEEE std.1431 annex B. P. 56 - 66.
3. Распопов В. Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.
4. Микромехаиические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития / Л.А. Северов, В.К. Пономарев, А.И. Панферов А.В. Сорокин, С.Л. Кучерков, В.В. Лучинин, А.В. Корляков / Изв. вузов. Приборостроение. 1998. Т. 41. № 1 - 2. С. 57 - 73.
5. Распопов. В.Я., Волчихин И.А. Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / Под ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд.ТулГУ. 2018. 189 с.
6. Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985.
125 с.
7. Волчихин И.А., Волчихин А.И., Малютин Д.М., и др. Волновой твердотельный гироскоп (аналитический обзор) // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. С. 59-78.
8. Вавилов В. Д., Тимошенков С. П., Тимошенков А. С. Микросистемные датчики физических величин: монография в двух частях. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2018. 550 с.
Каликанов Алексей Владимирович, аспирант, kalikanov.aleksei@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лихошерст Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доцент, lvv_01 @inbox. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Тимошенков Алексей Сергеевич, д-р техн. наук, доцент, генеральный директор. porcuapa@gmail.com, Россия, Зеленоград, ООО «Лаборатория микроприборов»,
Тимошенков Сергей Петрович, д-р техн. наук, профессор, spt111@mail.ru, Россия, Зеленоград, Московский институт электронной техники
TESTING OF CORIOLIS VIBRATION GYROSCOPES A.V. Kalikanov, V.V. Likhosherst, A.S. Timoshenkov, S.P. Timoshenkov
The definition of wave solid-state gyroscopes (VTG) belonging to the class of coriolis vibration gyroscopes (KVG) with vibrating shells is given. Information about the design features of coriolis vibration gyroscopes is presented. The results of tests of domestic KVG manufactured using microelectronics technology, as well as KVG with a cylindrical metal resonator made on programmable machine equipment, and their analysis are presented.
Key words: coriolis vibration gyroscopes, wave solid-state gyroscope, micromechanical gyroscope, Allan variations, bench tests, comparative review.
Kalikanov Alexey Vladimirovich, postgraduate, kalikanov.aleksei@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Likhosherst Vladimir Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, lvv_01@inbox.ru, Russia, Tula, Tula State University,
261
Timoshenkov Alexey Sergeevich, doctor of technical sciences, docent, general director. porcuapa@gmail.com, Russia, Zelenograd, LLC «Laboratory of micro-devices»,
Timoshenkov Sergey Petrovich, doctor of technical sciences, professor, spt111@mail.ru, Russia, Zelenograd, Moscow Institute of Electronic Technology
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-262-265
НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЕТЕНЦИЙ
Д.М. Малютин
В работе приводятся примеры внедрения результатов научно - исследовательских работ (НИР) кафедры «Приборы управления» Тульского государственного университета в учебный процесс как эффективное средство формирования компетенций будущих специалистов.
Ключевые слова: научно-исследовательская работа, учебный процесс, компетенции.
Наиболее распространенной педагогической технологией в высшей школе является традиционная лекция. Ее характеристики - это научность, информативность, аргументированность и системность, которые позволяют дать сравнительно большой объем информации и сообщить обучающимся новые знания.
В учебных дисциплинах общетехнического характера, традиционная лекция должна сопровождаться лекцией - беседой с рассмотрением вопросов проблемного характера. Наряду с этим, положительный эффект получается при встречах с работниками тульских предприятий АО КБП им. академика А.Г. Шипунова, ПАО «НПО «Стрела», АО «НПО «Сплав» имени АН. Ганичева, а также с представителями предприятий других регионов АО «Раменский приборостроительный завод», АО «Мичуринский завод «Прогресс».
При проведении лабораторных занятий хорошие результаты могут быть достигнуты при внедрении передовых разработок в учебный процесс, полученных в результате выполнения Федеральных целевых программ и проведения научно - исследовательских и опытно-конструкторских работ с ведущими промышленными предприятиями нашей страны.
Изучение студентом актуальной научно - технической задачи, способов и методов ее решения, конструкции и принципов действия передовой научно - технической разработки, востребованной промышленностью, в процессе проведения лабораторной работы (созданной на базе этой разработки), как показывает практика, актуализирует определенный комплекс знаний, дает возможность студенту проявить самостоятельность в освоении теоретических положений и в овладении практическими навыками, воздействует на профессионализацию студентов, способствует их взрослению, формирует интерес и позитивную мотивацию к учебе, а также является эффективным средством формирования компетенций будущих специалистов.
Приведем примеры внедрения результатов НИР кафедры «Приборы управления» Тульского государственного университета в учебный процесс как средство формирования компетенций будущих специалистов. При выполнении научно - исследовательских работ в рамках государственного контракта 02.740.11.558 по теме: «Исследование оптико - электронных методов пространственно - угловых измерений и создание на их основе широкого класса измерительных приборов повышенной точности» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно - педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы на кафедре «Приборы управления» разработаны математическое описание, структурные схемы, имитационные модели, инженерные методики расчета индикаторных гиростабилизаторов на базе микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) и создан макетный образец такого гиро-стабилизатора с цифровыми каналами управления (рис.1) [1-4]. Макетный образец гиростаби-лизатора явился материальной основой при разработке лабораторной работы «Изучение устройства и функционирования двухосного гиростабилизатора на микромеханических гироскопах» по курсу «Управление малогабаритными летательными аппаратами», направление подготовки 13.04.02 - электроэнергетика и электротехника, профиль подготовки электроэнергетика и электрооборудование летательных аппаратов, квалификация выпускника магистр.
