Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние десятилетия наиболее интенсивно и динамично развивающимся направлением была признана микросистемная техника, в состав которой входят миниатюрные датчики инерциаль-ной и внешней информации, микродвигатели и преобразователи. Применение новых технологий позволило уменьшить массово - габаритные показатели, энергопотребление, а также стоимость приборов, что в свою очередь расширило области применения данных датчиков в различных областях и сферах жизни человека. Из них особо стоит выделить микромеханические гироскопы (ММГ), волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) и акселерометры, как наиболее перспективные датчики инерциальной информации.
Исследования ВТГ ведутся уже более тридцати лет, интересом к нему послужило сочетание ряда его уникальных свойств: небольшие габаритные размеры и энергопотребление, практически неограниченный технический ресурс, простота конструкции и изготовления, высокая потенциальная точность, малое энергопотребление, малые требования к обслуживанию вследствие отсутствия вращающихся частей и т.д..
Другим перспективным датчиком является ММГ, разработка этих датчиков ведется уже более четверти века, когда были начаты интенсивные поиски путей создания недорогих, миниатюрных и пригодных для выпуска крупными сериями гироскопов. Данный прибор выпускается крупными сериями. В настоящее время лидерами в серийном производстве являются компании AnalogDevices, InvenSense, Kionix, Panasonic, RobertBoschGmbH, SeikoEpson, STMicroelectronics и другие.
Проблема повышения точности ММГ и ВТГ является актуальной для прецизионного электронного приборостроения, которая может быть решена за счет применения новых технических решений, использования новых технологий, создания новых математических моделей, описывающих динамику датчиков. Проблема достижения высоких точностей ВТГ и ММГ ставит перед исследователями целый ряд новых задач: при миниатюризации датчиков требуется уход от исследования линейных моделей к нелинейным; влияние
r**r ZL r**r
инструментальных погрешностей изготовления чувствительного элемента, а также медленно изменяющихся параметров функционирования прибора на его динамику; учет конечных деформаций материала прибора и изменяющейся среды функционирования гироскопа.
Части из перечисленных выше проблем и посвящена данная работа, как весьма актуальным и интересным с научной и практической точки зрения.
Цель диссертации состоят в
определении влияния упругой и геометрической нелинейности на динамику волнового твердотельного и микромеханического гироскопов,
исследовании влияния медленно изменяющихся условий функционирования приборов, температуры и неравномерной толщины резонатора на динамику прибора,
разработке новых математических моделей колебаний чувствительных элементов ММГ и ВТГ в разных режимах работы приборов.
Цели диссертационной работы соответствуют «Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации», работа направлена на развитие технологий, входящих в «Перечень критических технологий Российской Федерации» по направлению «Технологии наноуст-ройств и микросистемной техники».
Методы исследования определялись спецификой изучаемых объектов и их математических моделей. В работе были использованы методы классической механики, теории упругости, математическая теория устойчивости, асимптотические методы нелинейной механики, теория дифференциальных уравнений, методы математического моделирования и аналитических вычислений, методы малых параметров и возмущений.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением методов теоретической механики, теории упругости, методов малого параметра и теории дифференциальных уравнений, а также сравнением полученных результатов с экспериментальными данными и результатами, полученными другими исследователями.
~ 5 ~
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
решен комплекс фундаментальных задач, определяющих динамические свойства ММГ и ВТГ, получены новые математические модели, описывающие динамику приборов в условиях медленно изменяющихся параметров функционирования приборов (медленное изменение скорости вращения основания, на которое установлен прибор, амплитуды и частоты вынуждающей силы, также собственной частоты колебания резонатора),
исследовано влияние медленного равномерного роста температуры среды, в которой функционирует прибор, влияние нелинейных упругих свойств и неравномерной толщины резонатора ВТГ на его динамику и точность; изучено влияние нелинейных эффектов на динамику ММГ стержневого типа, в условиях медленно меняющихся параметров,
изучено влияние скорости изменения частотной настройки прибора в режиме вынужденных колебаний на амплитудно-частотные характеристики.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке методики экспериментальных испытаний ММГ с кольцевым резонатором в целях повышения точностных характеристик и определения влияния нелинейных слагаемых, медленно изменяющихся параметров системы, температуры, неравномерной толщины резонатора на динамику прибора. Полученные результаты могут быть использованы в разработке новых моделей, методов, алгоритмов и программных средств, позволяющих решать задачи проектирования новых типов датчиков инерциальной информации, а также доработке уже существующих приборов в ЗАО «Инерциальные технологии Технокомплекса» (г. Раменское, Моск. обл.).
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались и обсуждались на:
заседаниях научного семинара кафедры теоретической механики и ме-хатроники МЭИ (Москва, 2009 - 2012 г.г.),
r**r f~\ r**r
заседании научного семинара кафедры теоретической механики и ме-хатроники МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством чл. - корр. РАН, проф. Белецкого В.В., проф. ГолубеваЮ.Ф. (Москва, 2010 г.),
XXXIV и ХХХУІакадемических чтений по космонавтике «Актуальные проблемы российской космонавтики» (Москва, 2010 г. и 2012 г.),
XVI и ХУШмеждународной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и энергетика» (Москва, 2010 г. и 2012 г.),
международной молодежной научно-практической конференции МГУ им. Ломоносова (Москва, 2011 г.).
Публикации. По результатам работы опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАКом Минобрнауки РФ и 5 тезисов докладов. Личный вклад автора в совместных публикациях заключается в разработке новых математических моделей движения чувствительных элементов, постановке натурных экспериментов и проведении расчетов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 136 наименований. Общий объем работы составляет 157 страниц и содержит 71 иллюстрацию.
