Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры

4.5. 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 [ [ 129 ] , [ 148 ] , [ 151 ] , [ 166 ] ]. 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

( 4.2)

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 ныне и 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 [ [ 87 ] ].

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 [ [ 92 ] ]. Имеется много и других применений.

4.6. Вибрационные сенсоры

Напомним, что в этих сенсорах первичным информационным сигналом является изменение состояния механических колебаний тела или системы тел. Механические колебательные системы могут быть очень чувствительными к тем или иным факторам воздействия, чем и пользуются при построении вибрационных сенсоров.

В разделе "Электрические сенсоры" мы расскажем о возбуждении незатухающих механических и электрических колебаний пьезоэлектрического кристалла при синхронной подкачке энергии, например, через транзистор с использованием положительной обратной связи. Колебания эти происходят на собственной резонансной частоте кристалла, которая обычно лежит в диапазоне единиц-десятков мегагерц и зависит от его геометрических размеров и массы. Если последние изменяются, то меняется и частота колебаний. В ХХ в. вибраторы на пьезокристаллах стали классическими чувствительными элементами.

Для компенсации влияния изменений температуры и других помех рядом устанавливают два одинаковых пьезоэлектрических вибратора. Один из них – опорный – остается вне влияния, а на другой действует контролируемый фактор. Для определения величины влияния этого фактора измеряется разность частот колебаний измерительного и опорного вибраторов. Она практически не зависит от изменения температуры и от других сторонних помех, одинаково влияющих на частоту обоих вибраторов.

Чаще всего влияющим фактором является добавление на пьезоэлемент незначительной массы, величину которой надо определить. Тогда такой вибрационный сенсор работает как микровесы, чувствительность которых составляет порядка 1 мкг. Изменение частоты (в Гц) в рабочем интервале обычно описывают формулой

( 4.3)

где – исходная частота колебаний (МГц); – прирост массы (г); – площадь электрода пьезокристалла (см²).

Если на поверхность двух пьезоэлектрических кристаллов нанести специфический рецепторный слой – тонкую пленку материала, который избирательно адсорбирует (присоединяет) молекулы какого-то газа, и обеспечить контакт одного из кристаллов с атмосферой, то в результате абсорбции молекул соответствующего газа масса этого кристалла несколько возрастает. Соответственно изменяется и частота его собственных колебаний. Измеряя разность частот колебаний, можно определять удельное содержание соответствующего газа в атмосфере. Например, если на поверхность кристалла нанести тонкую пленку золота, то сенсор становится чувствительным к наличию в окружающей атмосфере паров ртути. Если пары ртути присутствуют, то ее атомы адсорбируются золотой пленкой, образуя амальгаму. Масса пленки несколько возрастает, что можно выявить по изменению частоты механических и электрических колебаний пьезокристалла. Естественно, что масса адсорбированных паров зависит от удельного содержания соответствующего газа в контролируемой среде и от времени "экспозиции".

В работе [ [ 154 ] ] описан подобный сенсор для непрерывного мониторинга концентрации гексафлуорида серы (SF₆).