Влияние конструктивных параметров тороидального резонатора ТВГ на частоту второй моды колебаний

И Д Изместьев; А В Щенятский

doi:10.22213/2410-9304-2023-2-4-10

Авторы

И. Д. Изместьев ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
А. В. Щенятский ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-2-4-10

Ключевые слова:

тороидальный чувствительный элемент, метод конечных элементов, твердотельный волновой гироскоп

Аннотация

Данная статья относится к изучению конструкции чувствительного элемента ТВГ, выполненного в виде тора. В статье рассмотрены наиболее распространенные формы резонаторов твердотельных волновых гироскопов. Определены выгодные особенности тороидальной формы по отношению к классическим чувствительным элементам, изготовленным методами токарной обработки. Показана необходимость перехода к производству резонаторов мини-ТВГ путем выдувания кварцевого стекла, так как при этой технологии исключаются вибрации заготовки и повышается предельно достижимая точность. На основе обобщения информации от зарубежных исследователей представлена технология производства тороидальных мини-резонаторов методом выдувания. Подняты вопросы о технологии производства, требующие дополнительного изучения, с целью повышения тактико-технических характеристик мини-ТВГ, с резонатором тороидальной формы. С использованием метода конечных элементов установлена зависимость между частотой второй моды собственных колебаний тороидального резонатора и параметрами, определяющими его форму. Диаметр исследуемого чувствительного элемента варьируется от 1,5 до 10 мм. Высота принимает значения от 0,33 до 3,3 мм. Выявлена обратно пропорциональная зависимость частоты от диаметра основания тороидального резонатора. Составлено уравнение регрессии. Исследование второй моды колебаний, которая является рабочей, проведено с целью поиска оптимального соотношения размеров тороидального чувствительного элемента. Под оптимальной понимается такая форма и размеры резонатора, которые обеспечат необходимую механическую прочность, дадут минимальную частоту рабочих колебаний с максимальным относительным перемещением кромки чувствительного элемента. Общая цель работы: уменьшение массогабаритов ТВГ за счет использования тороидального резонатора и термомеханического способа его получения при обеспечении высокой точности гироскопа.

Биографии авторов

И. Д. Изместьев, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

магистрант

А. В. Щенятский, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

доктор технических наук, профессор

Библиографические ссылки

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

ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия (с изменениями N 1, 2). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200023786.

Zhang J., Shang J., Luo B., & Su Z. (2019). Micro Fountain-Like Resonators. 2019 IEEE 69th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 890-895. DOI:10.1109/ECTC.2019.00139.

Asadian M.H., & Shkel A.M. (2019). Fused Quartz Dual Shell Resonator. 2019 IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems (INERTIAL), 1-4. DOI:10.1109/ISISS.2019.8739671.

Asadian M.H., Wang D., Wang Y., & Shkel A.M. (2020). 3D Dual-Shell Micro-Resonators for Harsh Environments. 2020 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), 1467-1471. DOI:10.1109/PLANS46316.2020.9109972.

Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.

Вахлярский Д. С. Оптимизация формы резонатора волнового твердотельного гироскопа по критерию минимума расщепления собственных частот: дис. … канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019.

Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.

Башарова А. А., Котельников М. А., Щенятский А. В. Технологические подходы к обработке деталей из кварцевого стекла // Вестник современных технологий. 2020. № 4 (20). С. 19-23.

Senkal Doruk, Ahamed Mohammed, Askari Sina, Shkel A. M. (2014). 1 MILLION Q-FACTOR DEMONSTRATED ON MICRO-GLASSBLOWN FUSED SILICA WINEGLASS RESONATORS WITH OUT-OF-PLANE ELECTROSTATIC TRANSDUCTION. 68-71. 10.31438/trf.hh2014.18.

Valeri Chikovani, I.M. Okon. Position, Location and Navigation Symposium, 2008 IEEE/ION // A set of high accuracy low cost metallic resonator CVG. 2008.

Котельников М. А., Щенятский А. В. Влияние материалов на технические характеристики чувствительных элементов навигационных приборов // Автоматизация и измерения в машино-приборостроении. 2018. № 1 (1). С. 71-77.

Rozelle D. The Hemispherical Resonator Gyro: From Wineglass to the Planets // Advances in the Astronautical Sciences. Jan. 2009. No. 134. Pp. 1157-1178.

Li W., Xi X., Lu K., Shi Y., Hou Z., Wu Y., Wu X., & Xiao D. (2019). A Novel High Transduction Efficiency Micro Shell Resonator Gyroscope With 16 T-Shape Masses Using Out-of-Plane Electrodes. IEEE Sensors Journal, 19, 4820-4828. DOI:10.1109/JSEN.2019.2903199.

Su Zhong, Fu Mengyin, Li Qing, Liu Ning, Liu Hong. Research on Bell-Shaped Vibratory Angular Rate Gyro's Character of Resonator // Sensors. 2013. No. 13. Pp. 4724-4741

Вахлярский Д. С. Оптимизация формы резонатора волнового твердотельного гироскопа по критерию минимума расщепления собственных частот: дис. … канд. техн. наук. М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2019.

Миниатюрные волновые твердотельные гироскопы для малых космических аппаратов / М. А. Басараб, Б. С. Лунин, В. А. Матвеев, А. В. Фомичев, Е. А. Чуманкин, А. В. Юрин // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия "Приборостроение". 2014. Vol. 4. Pp. 80-96.

Lu K., Xi X., Li W., Shi Y., Hou Z., Zhuo M., Wu X., Wu Y., & Xiao D. (2019). Research on precise mechanical trimming of a micro shell resonator with T-shape masses using femtosecond laser ablation. Sensorsand Actuators A: Physical. DOI:10.1016/J.SNA.2019.03.025

Guohong He, K. Najafi. Micro Electro Mechanical Systems, 2002. The Fifteenth IEEE International Conference on // A single-crystal silicon vibrating ring gyroscope. 2002.

Farrokh Ayazi, Hsiao H. Chen, FatihKocer, Guohong He. A High Aspect-Ratio Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope Jan. 2000.

Asadian M.H., Wang Y., & Shkel A.M. (2019). Development of 3D Fused Quartz Hemi-Toroidal Shells for High-Q Resonators and Gyroscopes. Journal of Microelectromechanical Systems, 28, 954-964. DOI:10.1109/JMEMS.2019.2945713.

Bryan G. H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell // Proc. of Cambridge Phil. Soc. Nov. 1890. Vol. VII. No. III. Pp. 101-111.

Волновые твердотельные гироскопы (аналитический обзор) / И. А. Волчихин, А. И. Волчихин, Д. М. Малютин [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. № 9-2. С. 59-78.