Динамика микромеханического гироскопа камертонного типа на подвижном основании

Аннотация В данной работе рассматривается динамика микромеханического гироскопа камертонного типа на подвижном основании, чувствительным элементом которого являются два полукольца, закреплённые на рамке с помощью шарниров.

Целью работы был анализ режимов работы гироскопа при малой угловой скорости основания. Двумя способами (с использованием принципа Гамильтона-Остроградского и с помощью вариационных уравнений Эйлера) были построены уравнения движения для различных случаев — без учета трения и при его наличии. При этом отдельно рассматривались случаи одночастотной системы на неподвижном и подвижном основании и разночастотной системы на подвижном основании. Для одночастотной системы без учета влияния трения найдено точное решение, построены фазовые траектории системы, сделан вывод о том, что гироскоп является датчиком угла поворота. Для разночастотной системы рассмотрено два случая: в первом проводился анализ гироскопа на неподвижном основании. Найдено точное решение, получена угловая скорость прецессии гироскопа. Приведен численный пример, исходя из материалов которого, построена угловая скорость прецессии волновой картины колебаний, иллюстрирующая биение резонатора. Во втором случае рассматривался гироскоп на подвижном основании. Для него получено точное решение, численное решение, приведены графики, иллюстрирующие изменение амплитуды колебаний в результате частотной расстройки. В работе изучены свободные колебания гироскопа на подвижном основании при учете трения. Подробно рассмотрен случай одночастотной системы, найдено точное решение, построены фазовые траектории системы, сделан вывод о том, что гироскоп является датчиком угла поворота. Для случая разночастотной системы с учетом трения получено численное решение, приведены графики, иллюстрирующие изменение амплитуды колебаний в результате частотной расстройки. Поиск решений во всех случаях велся в переменных Ван-Дер-Поля методом Страбла.

микромеханический гироскоп движение колебание

Содержание Список приведенных иллюстраций

1. Построение Лагранжиана системы

1.1 Составление уравнений движения с помощью принципа Гамильтона

1.2 Составление уравнений движения с помощью уравнений Эйлера

1.3 Решение уравнений движения методом Бубнова-Галёркина

1.4 Линеариризация уравнений движения

1.5 Нормализация уравнений движения

2. Свободные колебания гироскопа без учета трения

2.1 Случай одночастотной системы

2.2 Случай разночастотной системы

2.3 Свободные колебания гироскопа на неподвижном основании

2.4 Свободные колебания гироскопа на подвижном основании

3. Свободные колебания гироскопа на подвижном основании с учетом трения

3.1 Случай одноночастотной системы

3.2 Случай разночастотной системы Заключение Список литературы

Список приведенных иллюстраций Фазовые траектории системы Скорость прецессии волновой картины колебаний График переменных и при

График переменных и при

График переменных и при

График переменных и при

График переменных и при

График переменных и при

Амплитуда собственных колебаний при

Амплитуда собственных колебаний при

Амплитуда собственных колебаний при

Численное моделирование амплитуды, А при ,

Фазовые траектории системы (система с учетом трения) График переменных и при (система с учетом трения) График переменных и при (система с учетом трения) График переменных и при (с учетом трения) График переменных и при (с учетом трения) График переменных и при (с учетом трения) График переменных и при (с учетом трения) Амплитуда собственных колебаний при (с учетом трения) Амплитуда собственных колебаний при (с учетом трения) Амплитуда собственных колебаний при (с учетом трения) Численное моделирование амплитуды, А при ,(с учетом трения)

Введение

Гироскомп (от др.-греч. «круг» и «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат, как правило, основанное на законе сохранения вращательного момента (момента импульса). Термин впервые введен Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в его докладе в 1852 году Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим обусловлено и название «гироскоп».

Гироскоп, изобретённый Фуко (построил Дюмолен-Фромент, 1852)

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях[. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае — Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа.

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Гироскопические приборы можно классифицировать как измерительные и силовые. Силовые служат для создания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироприбор, а измерительные предназначены для определения пара метров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и т. д.).

В данной работе проводится исследование измерительного гироскопа вибрационного типа.

Вибрационные гироскопы основаны на свойстве камертона, заключающегося в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. В ножке колеблющегося камертона, установленного на основании, вращающимся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения основания. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости основания.

В данной работе рассматривается динамика микромеханического вибрационного гироскопа камертонного типа. Принципиальная смеха гироскопа состоит из абсолютно жесткой рамки, двух упругих полуколец, упругой балки и подвижного основания.

Два упругих полукольца, являющихся чувствительными элементами гироскопа крепятся к абсолютно жесткой раме симметрично относительно ее середины. Упругая балка соединяет раму с подвижным основанием Управление и измерение колебаний стержней осуществляется с помощью электростатической системы. Ёмкостные датчики системы позволяют измерить высокочастотные колебания стержней по двум обобщённым координатам. Поперечные колебания стержней возбуждаются под действием периодических сил.

1. Построение Лагранжиана системы Если задан лагранжиан системы, то с помощью вариационного исчисления можно установить, как именно будет двигаться тело, сначала получив уравнения движения, а затем решив их.

Запишем Лагранжиан системы.

(1.1)

Запишем удельную, отнесенную к единице длины осевой линии резонатора кинетическую энергию гироскопа. Она складывается из кинетической энергии полукольца и рамки:

Для того, чтобы найти абсолютную скорость движения точки полукольца в скалярном виде, нужно сначала перейти к её векторному представлению. В векторном пространстве абсолютная скорость состоит из суммы переносной и относительной скоростей.

(1.3)

Переносную скорость найдем по формуле Эйлера:

Зададимся декартовой системой координат так, чтобы начало координат располагалось посередине рамки, ось y была соосна рамке, ось x — направлена перпендикулярно, а ось z, являющаяся осью чувствительности гироскопа, — направлена на нас. Зададимся базисом. Операцию дифференцирования по координате будем обозначать штрихом, а операцию дифференцирования по времени t будем обозначать точкой.

(1.5)

(1.6)

Здесь V и W — упругие смещения элемента кольцевого резонатора в окружном и радиальном направлениях.

Итак, переносная скорость движения в разложении по данному базису есть:

(1.7)

Разложим относительную скорость движения по данному базису:

(1.8)

Теперь можем записать абсолютную скорость:

(1.9)

Мы нашли все неизвестные, запишем удельную кинетическую энергию:

(1.10)

Найдем удельную потенциальную энергию гироскопа. Она состоит из потенциально энергии полукольца и потенциальной энергии балки:

(1.11)

Здесь с — жесткость балки,

Далее проинтегрируем удельную кинетическую и удельную потенциальную энергию от 0 до, чтобы получить кинетическую и потенциальную энергию для полукольца и построим Лагранжиан (1.1) системы:

(1.12)

1.1 Составление уравнений движения с помощью принципа Гамильтона Получим уравнения движения гироскопа, используя принцип наименьшего действия Гамильтона-Остроградского.

Действие по Гамильтону имеет вид:

(1.13)

Воспользуемся гипотезой о нерастяжимости срединной линии резонатора:

(1.14)

Проведем соответствующую замену переменных:

(1.15)

(1.16)

Таким образом (1.13):

(1.17)

На истинном пути действие по Гамильтону принимает стационарное значение, то есть Следовательно, Выполним некоторые преобразования над варьируемыми переменными:

Выпишем интегро-дифференциальные уравнения гироскопа:

1.2 Составление уравнений движения с помощью уравнений Эйлера Проведём проверку полученных уравнений движения гироскопа с помощью уравнений Эйлера

Действие по Гамильтону имеет вид

(1.20)

Подынтегральное выражение есть функция

Оба уравнения вариационной задачи будут выглядеть:

(1.21)

Выведем первое интегро-дифференциально уравнение гироскопа:

Таким образом, после подстановки в (1.21) получим:

Соберем все подобные слагаемые:

(1.22)

Выведем второе интегро-дифференциально уравнение гироскопа:

Таким образом, после подстановки в (1.21) получим:

(1.23)

Получили интегро-дифференциальные уравнения движения гироскопа с помощью уравнений Эйлера. Они совпадают с уравнениями (1.19), полученными с использованием принципа наименьшего действия Гамильтона-Остроградского.

1.3 Решение уравнений движения методом Бубнова-Галеркина Решение уравнений будем искать в одномодовом приближении с помощью метода Бубнова-Галеркина для функции нормального прогиба в виде:

(1.24)

Чтобы подставить функцию в уравнения, найдем все остальные ее производные:

Интегро-дифференциальные уравнения после подстановки примут вид:

Приведем подобные слагаемые, уравнения примут вид:

(1.25)

Для первого уравнения проведем непосредственно процедуру Бубнова-Галеркина:

Проинтегрируем оба уравнения:

1.4 Линеаризация уравнений движения Раскроем скобки в уравнениях (1.26), получившихся после проведения процедуры Бубнова-Галеркина:

Отбросим все нелинейные слагаемые.

В первом уравнении избавимся от Во втором уравнении от

.

В итоге получены следующие уравнения:

Разделим оба уравнения на коэффициенты при старшей производной:

(1.28)

1.5 Нормализация уравнений движения Обезразмерим переменную, для этого введем новую переменную

(1.29)

Уравнения движения примут следующий вид:

(1.30)

Обозначим частоту колебаний решения в первом уравнении как:

Коэффициент при гироскопическом слагаемом в первом уравнении как:

Обозначим частоту колебаний решения во втором уравнении как:

Коэффициент при гироскопическом слагаемом во втором уравнении как:

В итоге получили уравнения:

Уравнения примут вид:

(1.31)

2. Свободные колебания гироскопа без учета трения

2.1 Случай одночастотной системы Имеем следующую систему:

(1.31)

Найдем решение системы (1.31) в переменных Ван-Дер-Поля. Применим к нашей системе метод Страбла и приведем ее к стандартному виду посредством перехода от переменных и к медленным переменным по формулам:

(1.32)

Найдем производные первого и второго порядков переменных и по времени t:

Подставим полученные уравнения в нашу систему (1.32):

После линеаризации система примет вид:

Разделим на коэффициенты при старшей производной, т. о. получим уравнения для медленных переменных:

(1.33)

Найдем решение системы (1.33), для этого запишем второе и четвертое уравнение следующим образом:

Введем замену переменных:

(1.34)

Продифференцируем уравнения замены:

(1.35)

Запишем уравнения для и с учетом замены (1.34), (1.35):

Упрощая выражения, получим:

(1.36)

Запишем определитель полученной системы (1.36):

Найдем значение и подставим его в 1 уравнение системы:

Теперь введем обратную замену:

(1.38)

Запишем выражения для и с учетом замены (1.38):

(1.39)

Запишем определитель полученной системы:

Найдем и подставим его в первое уравнение системы:

Производя аналогичные построения для переменных и, мы получим полный набор коэффициентов для записи решения системы:

Где — угол, пропорциональный интегралу от угловой скорости основания гироскопа:

(1.42)

Перейдем, используя замену (1.32) к переменным

Эти формулы являются решением с точностью до порядка .

Найдем произвольные постоянные из следующих начальных условий:

(1.44)

Производные по переменным определим из выражений:

Здесь мы пренебрегли производными по переменным т.к. они имеют порядок бесконечно малой величины в то время как на практике величины всегда конечны.

Тогда, подставляя начальные условия в выражения, получим:

Учитывая условия, запишем и :

Рассмотрим соотношение и в уравнениях:

(1.46)

В плоскости фазовая точка описывает прямую, которая со временем будет поворачиваться в зависимости от угловой скорости основания:

Рис. 1. Фазовые траектории системы.

Таким образом гироскоп является датчиком угла поворота.

2.2 Случай разночастотной системы

2.2.1 Рассмотрим свободные колебания гироскопа на неподвижном основании:

Уравнения преобразуются следующим образом:

(2.1)

где

Ищем решение системы в виде:

(2.2)

Где — произвольные постоянные.

Обозначим для кратности ,

где .

В этом случае уравнения примут вид:

(2.3)

Собственная форма колебаний резонатора:

(2.4)

Таково решение исходной задачи по основной форме колебаний. Далее установим связь между каноническим представлением волновой картины колебаний и медленно изменяющимися переменными, которые измеряются емкостными датчиками прибора.

(2.5)

что дает возможность получить формулы перехода от переменных и и медленных переменных Ван-Дер-Поля, непосредственно измеряемых в гироскопе.

(2.6)

где (2.7)

Установим связь с каноническим представлением волновой картины колебаний в тороидальных координатах:

(2.8)

где — угол ориентации волновой картины, — фаза, характеризующая изменение частоты колебаний.

Определим связь между переменными и из уравнений путем тригонометрических преобразований

(2.9)

Из этих соотношений получаем:

Величина P характеризует сумму квадратов амплитуд нормальной и основной квадратурной волн колебаний резонатора, значение Q=0 является условием существования стоячей волны колебаний резонатора.

(2.10)

здесь a, b, — медленные переменные амплитуда-фаза.

. (2.11)

Отсюда получим угол прецессии:

(2.12)

Угловая скорость прецессии:

(2.13)

Рассмотрим интересный с точки зрения практики случай возбуждения стоячей волны колебаний. Пусть тогда получим угловую скорость в виде:

(2.14)

Числовой пример.

Таблица 1. Массово-упругие характеристики

Таблица 2. Геометрические характеристики

Собственная частота колебательного контура .

Частотная расстройка

Коэффициент трения ,

Здесь — добротность.

В дополнение к данным предыдущего числового примера положим, что имеется малая инструментальная погрешность изготовления резонатора по толщине диска, максимальная погрешность составляет 1мкм. В этом случае имеем расщепление частот = 240Гц = 0.004%.

Связанное с этим биение резонатора иллюстрируется:

Рис. 2 Скорость прецессии волновой картины колебаний.

Анализ показывает, что инструментальная погрешность изготовления резонатора вызывает переодическое изменение ориентации волновой картины колебаний резонатора, являющихся систематической погрешностью гироскопа.

2.2.2 Рассмотрим свободные колебания гироскопа на подвижном основании:

Предположим теперь, что имеем разночастотную систему:

При этом, а но т.к. мало, значит, тогда система уравнений гироскопа примет вид:

(2.15)

Используя замену переменных, найдем производные первого и второго порядка переменных и по времени.

Подставим полученные уравнения в нашу систему:

После линеаризации система примет вид:

В силу ортогональности можем записать выражение:

Получим уравнения для медленных переменных:

(2.16)

Введем следующую замену:

(2.17)

Выделим первое и третье уравнения системы. Умножим первое уравнение на мнимую единицу и сложим со вторым.

С учетом замены получаем:

(2.18)

Выделим второе и четвертое уравнения системы. Умножим второе уравнение на мнимую единицу и сложим с четвертым.

C учетом замены получим:

(2.19)

Решение будем искать в виде:,. (2.20)

Запишем определитель для данной системы:

Найдем и подставим его в первое уравнение системы:

(2.21)

Обозначим для простоты (2.22)

Выразим константы и через и, для этого запишем:

(2.23)

откуда: (2.24)

При этом ,

Подставим и, получим:

(2.25)

При этом по формуле Эйлера:

(2.26)

Константы и представим как:

(2.27)

Т.о.:

Мы получили решение для медленных переменных Ван-Дер-Поля:

(2.28)

Произвольные постоянные найдем исходя из начальных условий :

После подстановки получаем:

(2.32)

Мы получили точное решение системы. Теперь найдем численное. Вернемся к системе. Приведем ее к виду:

(2.35)

где ,

Решение представим в виде переменных и от безразмерного времени в зависимости от различных:

Рис. 3 График переменных и при

Рис. 4 График переменных и при .

Рис. 5 График переменных и при

Рис. 6 График переменных и при

Рис. 7 График переменных и при

Рис. 8 График переменных и при

Амплитуды колебаний гироскопа будем искать в виде:

(2.36)

где, А — амплитуда колебаний по переменной, а B — по переменной .

Рис. 9 Амплитуда собственных колебаний при

Рис. 10 Амплитуда собственных колебаний при

Рис. 11 Амплитуда собственных колебаний при .

Полученные графики дают нам представление об изменении амплитуды колебаний гироскопа.

Проиллюстрируем более наглядно изменение амплитуды, А от величины разночастотности. Для этого выведем все три графика амплитуды, А в зависимости от времени :

Рис. 12 Численное моделирование амплитуды, А при, (красным цветом представлена, А при, серым, — А при, зеленым, А — при).

3. Свободные колебания гироскопа на подвижном основании с учетом трения

3.1 Случай одночастотной системы:

Имеем следующую систему уравнений движения гироскопа:

(3.1)

Найдем решение в переменных Ван-Дер-Поля. Применим к нашей системе метод Страбла и приведем ее к стандартному виду посредством перехода от переменных и к медленным переменным по формулам:

(3.2)

Найдем производные первого и второго порядков переменных и по времени t:

Подставим полученные уравнения в нашу систему:

Запишем дифференциальные уравнения гироскопа пренебрегая слагаемыми второго порядка малости:

В силу ортогональности можем записать выражения:

Получим уравнения для медленных переменных:

. (3.3)

Найдем решение системы, для этого введем замену переменных:

(3.4)

Запишем систему с учетом переменных:

(3.5)

Заметим, что структура системы идентична структуре системы без трения, поэтому можно записать решение в аналогичном виде:

(3.6)

Где — угол, пропорциональный интегралу от угловой скорости основания гироскопа:

(3.7)

Перейдем, используя замену к переменным

(3.8)

Эти формулы являются решением с точностью до порядка .

Найдем произвольные постоянные из следующих начальных условий:

(3.9)

Производные по переменным определим из выражений:

Здесь мы пренебрегли производными по переменным т.к. они имеют порядок бесконечно малой величины в то время как на практике величины всегда конечны.

Тогда, подставляя начальные условия в выражения, получим:

(3.10)

Учитывая условия, запишем и :

(3.11)

Рассмотрим соотношение и в уравнениях:

(3.12)

В плоскости фазовая точка описывает прямую, которая со временем будет поворачиваться в зависимости от угловой скорости основания:

Рис. 13. Фазовые траектории системы.

Таким образом гироскоп является датчиком угла поворота.

3.2 Случай разночастотной системы Предположим теперь, что имеем разночастотную систему:

При этом, а но т.к. мало, значит, тогда система уравнений гироскопа примет вид:

(3.13)

Используя замену переменных, найдем производные первого и второго порядка переменных и по времени.

Подставим полученные уравнения в нашу систему:

.

Запишем дифференциальные уравнения гироскопа пренебрегая слагаемыми второго порядка малости:

В силу ортогональности можем записать выражения для и :

Получим уравнения для медленных переменных:

(3.14)

Найдем численное решение системы, для этого приведем ее к виду:

(3.15)

где ,

Решение представим в виде переменных и от безразмерного времени в зависимости от различных:

Рис. 14 График переменных и при

Рис. 15 График переменных и при

Рис. 16 График переменных и при

Рис. 17 График переменных и при

Рис. 18 График переменных и при

Рис. 19 График переменных и при

Амплитуды колебаний гироскопа будем искать в виде:

(3.16)

где, А — амплитуда колебаний по переменной, а B — по переменной .

Рис. 20 Амплитуда собственных колебаний при

Рис. 21 Амплитуда собственных колебаний при

Рис. 22 Амплитуда собственных колебаний при

Полученные графики дают нам представление об изменении амплитуды колебаний гироскопа.

Проиллюстрируем более наглядно изменение амплитуды, А от величины разночастотности. Для этого выведем все три графика амплитуды, А в зависимости от времени :

Рис. 23 Численное моделирование амплитуды, А при, (красным цветом представлена, А при, серым, — А при, зеленым, А — при).

Заключение

(Выводы по работе) Была разработана новая математическая модель микромеханического гироскопа камертонного типа на подвижном основании. Были получены и проанализированы уравнения движения данного гироскопа. В ходе исследования было установлено, что в случае равных собственных частот гироскоп может работать как датчик угла поворота основания. В случае же различных собственных частот изучение поведения гироскопа сильно усложняется, что позволяет сделать вывод о необходимости поисков методов частотной настройки.

Список литературы

Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. — М.: Наука, 1985. 125 с.

Меркурьев И. В., Подалков В. В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — 228 с.