Микромеханические гироскопы-акселерометры

Из механики известно, что свою ориентацию в пространстве по закону инерции стремятся сохранять не только тела, которые вращаются, но и системы, в которых происходят механические колебания. Еще в школе нам обычно рассказывают о маятнике Фуко, который, сохраняя неизменной ориентацию плоскости своих колебаний в пространстве, позволяет нам наглядно увидеть вращение нашей планеты вокруг своей оси. Применение не ротационных, а именно колебательных или вибрационных гироскопов оказалось значительно перспективнее при переходе к микромеханическим гироскопам и акселерометрам. Ведь с помощью МСТ гораздо легче делать вибрирующие с большой частотой детали, чем быстро вращающиеся вокруг своей оси роторы и опорные микроподшипники для них.

Предложены и исследованы уже десятки разных конструкций микромеханических гироскопов-акселерометров, и процесс их дальнейшего совершенствования продолжается. Мы опишем здесь лишь общие принципы их работы. Все они используют известное явление возникновения сил и ускорений Кориолиса. Этот французский ученый показал, что на тело, движущееся со скоростью в системе координат, которая вращается с векторной угловой скоростью , действует дополнительное ускорение , равное векторному произведению

т.е. направленное ортогонально к плоскости, построенной на векторах и . Напомним, что вектор угловой скорости по модулю равен угловой скорости, а направлен вдоль оси вращения в сторону продвижения острия правого винта.

На рис. 4.6 показана вытравленная в пластине кремния инертная масса 1, соединенная тонкими упругими перемычками (подвесками) 2 с основным кристаллом кремния 3. С помощью, например, периодически меняющихся электростатических сил можно заставить инертную массу 1 колебаться на подвесках 2 в направлении оси . Ось , которая проходит через подвески, называют главной осью сенсора.

Рис. 4.6. К объяснению принципа действия микромеханических гироскопов-акселерометров: ОХYZ – система координат сенсора; ОY – главная ось гироскопа-акселерометра; v – вектор скорости колебаний маятника; Omega – вектор угловой скорости; a – ускорение Кориолиса

Если объект, на котором установлен сенсор, начнет вращаться вокруг этой главной оси, то в системе возникнут инерционные силы Кориолиса, которые придадут инертной массе 1 ускорение Кориолиса, направленное вдоль оси . Поскольку скорость движения инертной массы 1 в процессе колебаний меняется по синусоидальному закону, то и ускорение вдоль оси тоже будет меняться по синусоидальному закону с той же частотой. Поэтому инертная масса 1 начнет колебаться в направлении также и этой оси. Амплитуда колебаний пропорциональна амплитуде угловой скорости. Поэтому, измеряя ее, можно вычислить скорость вращения объекта. А дальше, используя концепцию "виртуальной инерциальной платформы", можно рассчитать текущую ориентацию объекта относительно исходной или любой другой фиксированной системы координат.

Микромеханическая структура, показанная на рис. 4.6, пригодна также и для одновременного измерения линейного ускорения объекта вдоль оси . Действительно, линейное ускорение приводит к некоторому смещению инерционной массы 1 вдоль этой оси точно так же, как в конструкции емкостного акселерометра, показанного на рис. 4.2. Измеряя это смещение, можно определить и линейное ускорение.

Инертную массу 1 в микромеханической структуре, показанной на рис. 4.6, можно принудить колебаться в направлении оси . Тогда вращение объекта вокруг главной оси сенсора приведет к возникновению колебаний в направлении оси . Измеряя их амплитуду, можно определить скорость вращения. Одновременно, измеряя смещение центральной точки колебаний в направлении оси , можно вычислить компоненту линейного ускорения, направленную вдоль этой оси.

Микромеханические гироскопы-акселерометры, работающие с применением указанных принципов, выпускаются уже промышленно в виде небольших интегральных схем. Их главным недостатком является низкая временнaя стабильность направления главной оси гироскопа – порядка нескольких угловых градусов в час. Поэтому производители указывают их стабильность уже не в /ч, как это принято для классических гироскопов, а в /с. В то же время эти гироскопы-акселерометры имеют и очень важные преимущества: сравнительно низкую цену; малые габариты и массу (6 x 6 мм, 0,5 г). Их высокая надежность характеризуется значениями вероятности отказа меньше, чем 10^–6, гарантированный срок службы – 15 лет. Они потребляют ничтожную энергию, имеют высокую стойкость против вибраций и ударов (до !), что очень важно на транспорте и в динамичных системах. А с недостаточно высокой временнoй стабильностью, как оказалось, можно успешно бороться в условиях применений на Земле и вблизи Земли, где всегда действует сила тяготения, направленная к центру Земли. На относительно спокойных участках или интервалах движения, даже глубоко под землей или под водой, всегда можно определить направление ускорения земного тяготения и по этим данным довольно точно автоматически откорректировать направление ориентации "виртуальной инерциальной платформы". Ее коррекцию можно выполнить также и по данным систем навигации GPS, о которых речь шла выше. Так делается в интеллектуальных навигационных сенсорах.

Например, американская Draper Laboratory использует микромеханический гироскоп-акселерометр с микропроцессором в своем астроинерциальном комплексе (Inertial Stellar Compass – ISC), предназначенном для автоматической наводки телескопа, установленного на искусственном спутнике Земли, на нужные звезды и для длительной стабилизации положения этих звёзд в поле зрения телескопа.

Фирма Robert Bosch Gmb разработала на их основе сенсоры для быстрой реакции на опасность опрокидывания или закручивания автомобиля вокруг вертикальной оси с целью его немедленной автоматической электронной стабилизации. Имеется много и других применений.