CC BY
89
Kalikhman Dmitry Mikhailovich, doctor of technical sciences, head of research and development laboratory, lidkalihmanayandex. ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center" - Production Association "Korpus ",
Kalikhman Larisa Yakovlevna, candidate of technical sciences, head of research and development department, lidkalihmanayandex. ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center" - Production Association "Korpus",
Skorobogatov Vyacheslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, lead electronics engineer, vvskorobogatovayandex.ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus ",
Deputatova Ekaterina Alexandrovna, candidate of technical sciences, lead programmer engineer, deputatovaabk. ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus ",
Nikolaenko Artem Yurievich, First Category Electronics Engineer, anikolaen-kosstuagmail. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus ",
Gnusarev Dmitry Sergeevich, First Category Electronics Engineer, men4egaoutlook. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus "
УДК 681-26
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ КВАРЦЕВЫХ КОМПЕНСАЦИОННЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ КЛАССА Q-FLEX
В.Е. Мельников, Хейн Тай Зар Тин, К.М. Лукомский
Рассмотрен класс маятниковых компенсационных акселерометров с чувствительным элементом (ЧЭ) типа Q-Flex, которые на сегодня завоевали на мировом рынке доминирующее место в качестве базовых элементов инерциальных навигационных систем подвижных объектов. Показано, что при очевидной конструктивной и технологической привлекательности компоновки кварцевого чувствительного элемента в них не в должной мере реализованы потенциальные возможности компенсационных структур и схем, в том числе в части оперативного управления характеристиками в зависимости от режима работы объекта.
Ключевые слова: Компенсационный акселерометр, упругий подвес, контурный коэффициент, собственная жесткость подвеса, запас прочности, структурная схема, уравнение ошибок.
Показано, что среди навигационных акселерометров заметное место занимают датчики акселерометров типа Q-Flex, в которых использованы современные технологии для изготовления монолитного кварцевого ЧЭ
107
на упругом подвесе. В сочетании с компенсационной структурой с главной отрицательной обратной связью (ГООС), в которой основные характеристики существенно зависят от безразмерного контурного коэффициента Кк, который желательно иметь на уровне 106 относительных единиц. Достижимо ли такое в современных акселерометрах рассматриваемого класса? В работе анализируются особенности монолитных кварцевых ЧЭ 0)-Пех акселерометров c использованием данных [1, 4, 5]. Выявлено, что требования к высокому уровню контурного коэффициента и технологические возможности используемых формообразующих процессов противоречивы и неоднозначных.
На рис. 1 изображена структура маятникового компенсационного акселерометра, в которой элементы структуры представлены статическими коэффициентами. Это необходимо для иллюстрации поставленной задачи: выявить основные соотношения и зависимости, определяющие статическую точность, способы и средства её повышения.
Рис. 1. Базовая структура маятникового компенсационного
акселерометра
1
С
На рис. 1 обозначены: передаточная функция маятника К1 =
С с
2, 3, 4, 5, 6 - соответственно датчик угла отклонения ЧЭ маятника с коэффициентом Кду; Ку - усилитель; К^- суммарное электрическое сопротивление нагрузки усилителя, Я£=Ян+г0, где г0 - омическое сопротивление обмотки датчика момента цепи ГООС; Кн - резистор нагрузки; Кос - коэффициент главной отрицательной обратной связи.
Обоснование и выбор параметров функционально необходимых элементов структуры довольно непростая задача, зависящая от множества факторов, некоторые из которых имеют доминирующее значение во всех случаях. Это значение безразмерного контурного коэффициента Кк, определяющееся из выражения
1 1 С
Кк КдуКу-— Кос , (1)
Сс КX Сс
где Сэ и Сс - соответственно «электрическая» жесткость компенсационного акселерометра и собственная механическая жесткость упругого подвеса ЧЭ [1 - 3].
Учитываем, что в точке суммирования справедливо равенство
Мн = Мос + Сса или (Сэ + Сс)а=Ми, (2)
М - ш1цАу, (3)
где Ау =п% - измеряемое ускорение, а п= 1.. .9 в зависимости от предела измерения акселерометра.
Важность обеспечения высокого уровня безразмерного контурного коэффициента Кк следует из уравнения ошибок для оценки статического коэффициента передачи КА акселерометра:
ЛКА _ + 1 ЛКп _ КпКос ЛКос КА 1ц 1 + КпКос Кп 1 + КпКос Кос
(4)
Кп - -1 КдуКу (5)
Сс псум
Кк - Кп Кос - — Кду Ку ^-Кос (6)
С с ^сум
В наших исследованиях поставлена задача оценить численное значение контурного коэффициента широко распространенных акселерометров по имеющимся в литературе усредненным геометрическим параметрам кварцевых ЧЭ. Учтем при этом, что величина контурного коэффициента компенсационных схем может достигать значений порядка Кк=105...107. Уточним, на каком уровне этот параметр у акселерометров рассматриваемого класса, какие возможности для этого имеются. В основном их две: либо стремиться к снижению собственной механической жесткости Сс подвеса ЧЭ (не забывая о привнесенных реактивных моментах от всевозможных электромеханических преобразователей механических величин в электрические в структуре компенсационных акселерометров) - задача многофакторная, непростая, но разрешимая, либо увеличивать электрическую жесткость Сэ, что не менее сложная задача. Определим, насколько значение этого коэффициента учитывается в серийных акселерометрах рассматриваемого класса.
Чувствительный элемент современного Q-Flex акселерометра [1 - 4]. На рис. 2 представлен эскиз ЧЭ типового кварцевого Q-Flex акселерометра [4,5]. Его особенностью является то, что он выполнен в виде монолитного кварцевого узла, содержащего собственно маятник 2, органично связанный с обрамляющим кварцевым кольцом 1 с помощью двух кварцевых перемычек 6. На маятнике 2 расположены функционально необходимые элементы (электроды 5 ёмкостного датчика смещения ЧЭ, катушки 7 магнитоэлектрического датчика момента (ДМ) и токоподводы 3,4 к ним).
А- А
Рис. 2. Узел кварцевого чувствительного элемента [2 - 4]
Такая конфигурация кварцевого узла в сочетании с уникальными механическими характеристиками кварцевого стекла (температурная стабильность, практически отсутствие гистерезис характеристики и упругое последействие, высокие удельная прочность и модули упругости первого и второго родов и др.) позволяет использовать его в качестве основного конструкционного материала механических узлов и элементов приборов навигации [1, 2], в том числе в рассматриваемом составе компенсационных акселерометров класса Q-Flex.
Анализ показал, что столь высокий контурный коэффициент при физических ограничениях на уровни коэффициентов функционально необходимых элементов прямой цепи Кп и цепи ГООС Кос может быть получен практически единственным способом: за счет снижения собственной механической жесткости Сс упругих элементов подвеса ЧЭ. Именно поэтому основным объектом исследования является узел ЧЭ, механические характеристики его подвеса: прочностные от статических весовых нагрузок и упругие в направлении оси чувствительности от инерционных воздействий.
Основные параметры и константы, принятые в расчетах:
- геометрия упругих перемычек (ширина Ь=4,8-10-3м; толщина И =2-10-5м; длина 1п = 1,9-10-3м) по рис. 2 и данным [4,5]; плечо маятника -Ьц ~ б- 10-3м;
- суммарная масса ЧЭ: ш=0,3-10-3 кг; масса mg=0,3•9,81•10-3кг; сила тяжести 294,3-10-5 Н;
- инерционный момент Ыи=щЬц [Н-м]= п1б,210-5Н-м (п = 1...9) (7);
- для основных расчетов примем п=1, а при необходимости внести необходимые коррекции в результаты на другие пределы измерения;
- упругие постоянные кварцевого стекла (модуль Юнга: Е1= = 69,7-109 Па (по ГОСТ 15130-86; Е2=73,6- 109Па); предел прочности
кварцевого стекла на растяжение - сжатие: °ъ =58,86-108 Па);
- примем во внимание, что в расчетах принят предельный угол отклонения а ЧЭ на верхней границе предела измерения: а = 1 угл. мин или
- =2,91-10"4 рад. 180-60
Расчет упругих перемычек на прочность (деформация «растяжение - сжатие»). Рассмотрим статический режим нагружения перемычек силой тяжести nmg. Статическая нагрузка распределяется на две упругие перемычки. Удельное напряжение в каждой из двух перемычек о и коэффициент запаса прочности Kh определятся так:
nmg 0,3-Ю-3-9.81 <т= - = п--- - - = и-0Д53-1(гЯя; (8)
2bh 4,8-10 -2-2-10
K,=* = 58'861°8 =1.3,85.10s. (9)
(У п ■ 0,153 • 10 п
Такой неоправданно большой запас прочности (9) упругих перемычек в рассматриваемой конфигурации ЧЭ настораживает. Это случайный или прогнозируемый результат, продиктованный объективной необходимостью или так получилось в рассматриваемом случае, связанном с достигнутыми технологическими возможностями и с особенностями монолитной конструкции кварцевого узла. На наш взгляд, такой сильно завышенный коэффициент запаса прочности не является благом, так как неизбежно приведет и к увеличению собственной жесткости Сс перемычек подвеса в направлении измерительной оси и, следовательно, к снижению контурного коэффициента (6). Действительно, собственная изгибная жесткость двух перемычек /п
Сс=2ЕЬ1 = 2. W Ю9 -4,8.10-3 .8.10-» = 234>8 10_6// д<
121п 12 1,9 10
Для определения контурного коэффициента в соответствии с (2) и (3) получим:
Сэ+Сс= ^ = 17,658"10 6 • 180 • 60 = 6,07 -10~2Н-м (11)
а ж
= 0,26-Ю3, (12)
с с 234,8-Ю-6
то есть ^к=260-1=259 для предела измерения Ay=\g. Но даже для более высокого предела измерения картина не улучшится (это далеко не 10"5).
Обсуждение результата. Судя по всему, необходимо уменьшить суммарную площадь поперечного сечения упругих перемычек. Пока рассуждения не опираются на технологические показатели такого решения, хотя решение просматривается, даже в рассматриваемой конфигурации ЧЭ (рис. 3).
Рис. 3. Возможная конфигурация ЧЭ с уменьшенной суммарной площадью поперечного сечения перемычек подвеса
Для иллюстрации ожидаемого эффекта проведем сравнительный анализ и обоснованность проводимой модернизации. Пока теоретической. Исходная площадь поперечного сечения двух перемычек 80=2Ъ-И заменяется на площадь 2 ( или 4) перемычек «квадратного» (или эквивалентного по площади цилиндрического) сечения: 81=2И-И, то есть происходит снижение поперечного сечения перемычек в 240 (или в 120) раз. Во столько же раз снижаются запас прочности Кз и собственная жесткость Сс и повышается контурный коэффициент Кк (до уровней соответственно: Кз = 1,б-10"3; Сс=10"6, Кк =0,б24-105).
Эффект очевиден. Но это пока лишь направление, в котором следует искать возможности улучшения основополагающих параметров компенсационных акселерометров, в составе которых сочетаются взаимосвязанные структурные, конструктивные процессы, новые материалы и технологии, что является основополагающим. На какие критерии должны ориентироваться технологические и производственные процессы с учетом неизбежных, разумных компромиссов? Требуются нетрадиционные подходы к проектированию и изготовлению монолитных кварцевых ЧЭ акселерометров, рационально сочетающих методы абразивной, химической, газопламенной, лазерной, электроннолучевой и других видов формообразующих процессов. В наших исследованиях [1] и экспериментах показано, что высокий уровень контурного коэффициента кварцевых компенсационных ак-
112
селерометров позволяет существенно расширить его функциональные возможности, в том числе для оперативной перенастройки на различные пределы измерения при сохранении точностных показателей на каждом из них.
Список литературы
1. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984.
2. Мельникова Е.Н., Мельников В.Е. Некоторые особенности компенсационных акселерометров с маятниковым чувствительным элементом на упругом подвесе // Авиакосмическое приборостроение. 2007. № 6. С. 21 - 25.
3. Мельников В.Е., Мельникова Е.Н., Черноморский А.И., Гонча-ренко Г.Г. Датчики инерциальной информации: учеб. пособие / под редакцией А.И. Черноморского. М.: Изд-во МАИ ПРИНТ, 2011. 356 с.
4. Сео Дже Бом. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов компенсационных акселерометрах типа Q-Flex и Si-Flex: дис. ... канд. техн. наук по спец. 05.11.02 - Приборы навигации. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012.
5. Измайлов А.Е. Исследование точности прецизионных акселерометров и повышение их качества: дис. . канд. техн. наук по специальности 05.11.14 - Технология приборостроения». М.: МАТИ. 2003.
6. Коновалов С.Ф., Сео. J. B. Причины неравномерного распределения магнитной индукции в зазорах компенсационных датчиков акселерометров типа Q-Flex // Гироскопия и навигация. 2009. № 2. 72 - 79 с.
Мельников Валерий Ефимович, д-р техн. наук, профессор, ve_melnik@,mail.ru , Россия, Москва, Московский авиационный институт,
Хейн Тай Зар Тин, аспирант, heintayzartin@gmail. com, Россия, Москва, Московский авиационный институт,
Лукомский Константин Михайлович, канд. техн. наук, доцент, ve melnik a mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт
SOME FEATURES OF THE QUARTZ COMPENSATIONACCELEROMETERS
OF CLASS Q-FLEX
V.E. Mel'nikov, Hein Tay Zar Tin, K.M. Lukomsky
The class of pendulum compensatory accelerometers with sensitive element (SE) of Q-Flex type, which today have won a dominant place in the world market as the basic elements of inertial navigation systems of mobile objects, is considered. It is shown that with the obvious structural and technological attractiveness of the quartz sensing element arrange-
113
ment, the potential of compensation structures and schemes are not adequately realized in them. In particular, in part of characteristics operational control depending on the mode of operation of the object.
Key words: Compensation accelerometer, elastic suspension, contour ratio, own the stiffness of the suspension, safety factor, the block diagram, the equation errors.
Mel'nikov Valeryi Efimovich, doctor of technical sciences, professor, ve melnikamail. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Hein Tay Zar Tin, postgraduate, heintayzartinagmail. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Lukomsky Konstantin Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, heintayzartina gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
УДК.531.383
ИСПЫТАНИЕ ДАТЧИКА ХОЛЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА КРЕНА В ТРЕХСТЕПЕННОМ ГИРОСКОПЕ
А.В. Каликанов, А. А. Кураев
Показана возможность измерения угла поворота в гироскопических приборах на базе трехстепенного гироскопа, работающих в сложных механических и климатических условиях с использованием датчика Холла.
Ключевые слова: трехстепенной гироскоп, бесконтактный оптоэлектронный датчик, датчик Холла, магнитная индукция.
На базе трехстепенного гироскопа могут быть построены различные гироскопические приборы для измерения углов крена, курса и тангажа. В таких приборах возникает необходимость в использовании датчиков, преобразующих механический угол поворота элементов гироскопа в другую физическую величину, более удобную для дальнейшего использования. Чаще всего значение угла поворота преобразуется в величину напряжения или тока. Для этой цели используются различные типы датчиков: потенциометрические, индуктивные, емкостные, сельсины, вращающиеся трансформаторы, ламельно-резистивные, бесконтактные оптоэлектронные датчики [1].
Основные требования, предъявляемые к датчикам [2]:
- минимальный момент, прикладываемый со стороны датчика к гироскопу (или его отсутствие), так как любой внешний момент, приложенный к гироскопу, будет порождать отклонение гироскопа от заданного направления;
