Разработка микромеханических гироскопов, имеющих более широкий диапазон измерений

В качестве общего освещения применяют светильники с люминесцентными лампами типа ЛСПО2.

Для местного освещения используют настольные лампы с лампами накаливания.

Характеристики светильника ЛСПО2:

Тип ламп - люминесцентные,

Количество ламп в светильнике - две,

Мощность одной лампы - 80 Вт,

Тип кривой силы света (КСС) - Д,

Защитный угол - 15 град;

КПД - 75%;

Размеры - 1534х276х168 мм (длина, ширина и расстояние от светильника до потолка соответственно),

Степень защиты - IP20;

Исполнение - пыле- и водонезащищенное.

6.2.1 Определение высоты подвеса и индекса помещения

Высота подвеса рассчитывается по формуле:

, (6.5)

где - высота помещения, м; - расстояние от светильника до потолка, м; =0,8 м - высота рабочей поверхности.

=3-0,168-0,8=2,032 м

Индекс помещения рассчитывается по формуле:

, (6.6)

где L- длина помещения, м; B- ширина помещения, м.

6.2.2 Расчет числа светильников

Число светильников в помещении определяется по формуле

 , (6.7)

где - нормированная освещенность рабочей поверхности;; - коэффициент неравномерности освещения = 1,1; - коэффициент запаса = 1,8; - количество ламп в одном светильнике = 2; - коэффициент использования светового потока = 74 %; - КПД светильника = 75%; - световой поток одной лампы = 5220 лм.

Выбираем число светильников N=3.

6.2.3 Схема размещения светильников в помещении

Светильники с люминесцентными лампами рекомендуется размещать сплошными рядами или рядами с небольшими разрывами , не превышающими половины высоты подвеса светильников над рабочей поверхностью. Ряды светильников целесообразно располагать параллельно длинной стене помещения или стене с окнами. При размещении на плане цеха светильников с люминесцентными лампами следует учесть их длину и количество ламп в одном светильнике.

Рекомендуемая схема размещения в помещении светильников с люминесцентными лампами приведена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Рекомендуемая схема размещения в помещении светильников с люминесцентными лампами

На рисунке 6.1 длина помещения L=8м; ширина помещения B=6м; расстояние между светильниками p=0,75м; расстояние от светильника до стены k=1,0 м.

Необходимо иметь в виду, что периодически, но не реже одного раза в год, должен проводиться контроль освещенности рабочих поверхностей с помощью люксметров.

6.3 Приборы контроля параметров среды

Для контроля параметров среды используются приборы, приведенные в таблице 6.7 [42].

Таблица 6.7 - Приборы контроля параметров среды

6.4 Выводы и результаты

Соблюдение установленных санитарных норм и правил, определяющих оптимальную организацию рабочего места, позволяет сохранить хорошую работоспособность в течение всего рабочего дня и повысить, как в количественном, так и в качественном отношениях производительность труда. Были указаны оптимальные параметры микроклимата, проведен выбор системы и расчет оптимального освещения помещения. Проведен анализ соответствия нормам по пожаро- и электро-безопасности имеющегося на рабочем месте оснащения.

Заключение

Микромеханические датчики являются одним из самых перспективных направлений в современном приборостроении. Их основными преимуществами являются чрезвычайно низкая стоимость, высокая надежность и предельно малые габариты.

В результате работы был произведён обзор и анализ научно-технической литературы, освещающей современный уровень разработки ММГ. На его основе установлено, что ММГ с поступательными входными и выходными и колебаниями ЧЭ (то есть ММГ LL-типа) имеют более высокую разрешающую способность по сравнению с ММГ, которые используют в своих ЧЭ угловые колебания (то есть ММГ LR-типа и RR-типа). Таким образом, установлено, что ММГ схема LL-типа обладает рядом преимуществ.

Кроме того, было принято решение рассмотреть ММГ с двумя массами для значительного уменьшения влияния различного рода возмущающих воздействий. Выявлен общий недостаток двухмассовых гироскопов с независимым упругим подвесом каждой инерционной массы -- сложность обеспечения равенства их собственных частот и синхронности противофазных колебаний.

Для повышения чувствительности и диапазона измерений предложен переход с АМ на ЧМ или ВМ, позволяющую понизить потребление мощности и уменьшить время, затрачиваемое на измерение.

Разработка автоколебательных систем позволяет осуществить ЧМ или ВМ сигнала. На основе проведенных исследований можно сделать вывод о том, что использование низкочастотных режимов работы в дорезонансной области позволяет разработать ММГ, имеющие более широкий диапазон измерений и большую точность по сравнению с существующими сегодня аналогами, и приближающихся по своим точностным характеристикам к волоконно-оптическим приборам.

Разработана структурная схема автоколебательного ММГ, обнаружено, что реализация автоколебательных режимов требует использования новых конструктивных элементов.

Используемые сегодня электростатические ДС обладают рядом существенных недостатков: чрезвычайная малая величина воспроизводимой силы, нелинейная зависимость между силой и приложенным напряжением, нелинейность функции преобразования, зависящая от глубины модуляции ёмкостного зазора. Кроме того, использование таких ДС предъявляет жёсткие требования по стабильности опорного напряжения и повышенные требования к электронной части ММГ вследствие того, что при малых размерах ДС их ёмкость сопоставима с переходными ёмкостями и ёмкостью проводников.

В качестве ДП предложено использовать оптоэлектронные датчики, не требующие применения опорных сигналов, что позволяет упростить схему ММГ, так как в данном случае не требуется использование опорных генераторов. Для реализации оптоэлектронных ДП предложено использование волоконно-оптических световодов, способных к светопередаче через существенно изогнутые участки и обеспечивающих линейные характеристики, границы которых были найдены.

Предложены две новые схемы микромеханических ДС, подходящих для реализации автоколебательных режимов: электромагнитный и магнитоэлектрический ДС. Проведенный сравнительный анализ различных конструктивных схем ДС показал, что реализация в ММГ магнитоэлектрического ДС позволяет приблизительно в 15 раз увеличить его силовые характеристики по сравнению с характеристиками электростатических ДС. Поэтому, создание таких ДС дает возможность (при некотором усложнении технологии производства) существенно расширить диапазон измерений и минимизировать погрешности датчиков. Силовые характеристики также предложенной в работе электромагнитной схемы ДС можно существенно увеличить за счёт использования современных наноструктурных ферромагнитных материалов. Установлено, что электромагнитный и магнитоэлектрический ДС также являются более помехозащищенными.

Предложена кинематическая схема автоколебательного ММГ с использованием новых элементов, работающего в режиме автоколебаний. Описана динамика его ИМ. На основе уравнений динамики автоколебательного ММГ была построена его модель в программной среде Simulink, позволяющая дополнительно исследовать систему. Кроме того, аналитическое решение этих уравнений было найдено несколькими способами.

Установлено, что предложенный автоколебательный ММГ позволяет получать информацию и о линейном ускорении, то есть является также ММА. Рассмотрена обработка этой информации и использование её для компенсации возмущающего воздействия ускорения на процесс измерения угловой скорости.

По результатам моделирования автоколебательного ММГ с размерами ИМ 5ммЧ5мм и толщиной 200мкм было установлено, что диапазон измерений такого ММГ - ±250°/с, чувствительность составляет 0.1°/с, а рабочий диапазон частот равен 70 Гц при времени готовности менее 0.05 с. Автоколебательный ММГ является высокочувствительным прибором с прекрасными метрологическими характеристиками, превосходящими, например, аналогичные характеристики ММГ зарубежной компании Analog Devices.

Таким образом, автоколебательный ММГ, относится к новому классу приборов, заполняющему нишу между оптоволоконными и микромеханическими гироскопами, при том, что стоимость автоколебательного ММГ на несколько порядков ниже по сравнению с оптоволоконными.

Несмотря на то, что задача разработки ММГ приближающегося по своим характеристикам к оптоволоконным приборам была поставлена, существенных успехов достигнуто не было. Таким образом, можно заключить, что, на данный момент, конкурентов у автоколебательного ММГ нет, что подтверждает высокую перспективность его дальнейших исследований.

Список использованных источников

Kumar K., Barbour N., Elwell J. «Emerging Low (er) Cost Inertial Sensors» //The 2^nd St.-Petersburg Intern. Conf. on Giroscopic Technology and Navigation, May 24-25, 1995, Part 1. SRCR CSRI «Elektropribor», pp.3-15.

Распопов В.Я. Микроэлектромеханические системы. Курс лекций. - Датчики и системы. №11, 2007. С. 29-35.

Северов Л.А., Тыртычный А.А. Расчёт затухания и радиальных сил возбуждения волнового твёрдотельного микромеханического гироскопа// Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. Ч. 1. Технические науки/ СПбГУАП. СПб., 2008. С. 53-56.

Kranz M., Fedder G. K. Design, simulation, and implementation of two novel micromechanical vibratory-rate gyroscopes. Department of Electrical and Computer Engineering. -- Carnegie Mellon University, 1998. Pp. 5-12.

Kranz hi. S., Fedder G.K. Micromechanical Vibratory Rate Gyroscopes Fabricated in Conventional CMOS // Simposium Gyro Technology, Germany. 1997. Pp. 10-15.

Geen J. US Patent#5,635,640. Micromachined device with ro-tationally vibrated masses. -- 3 June 1997.

Barbour N. et al. Micro-Electromechancal Instrument and Systems Development at Draper Laboratory // Trans. 3^rd St.-Petersburg Intern. Conf. of Integrated Navigation Systems. -- St-Pb.: CSRI "Elecktropribor", 1996. Pp. 9-14.

Weinberg M. et al. A Micromachined Comb Drive Tuning Fork Gyroscope for Commercial Applications // The 2^nd Saint Petersburg International Conference of Gyroscopic Technology and Navigation. CSRI "Elektropribor", 1995. Pp. 18-21.

Гай Э. Наводящиеся снаряды с инерциальной навигационной системой на микромеханических датчиках, интегрированных с GPS // Гироскопия и навигация, № 3, 1998. C. 34-38.

Teegarden D., Lorenz G., Neul R. How to model and simulate gyroscope system // IEEE Spectrum, July 1998. Vol. 35, N7. Pp. 22-24.

Geiger W. et al. A Silicon Rate Gyroscope with Decoupled Driving and Sensing Mechanisms MARS-RR // Symposium Gyro Technology. -- Germany, 1998. Pp. 5-12.

Евстифеев М.И., Кучерков С.Г., Несенюк Л.П. и др. Микромеханический вибрационный гироскоп. - Авторское свидетельство №18768, Россия, 2001.

Schmidt G.T. INS/GPS Technology Trends //Advances in navigation sensors and integration technology. NATO RTO Lecture series 232, 2004. Pp. 29-33.

Тыртычный А.А. Построение измерительных устройств на основе автоколебательных механических систем// Всероссийская молодёжная научная конференция Мавлютовские чтения: Сб. тр.: В 5 т. Т. 2/ УГАТУ. Уфа, 2008. С. 49-51.

Высокоточные преобразователи угловых перемещений/ Э.Н.Асиновский, А.А. Ахметжанов, М.А. Габидулин и др. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с.

Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. - Л: Энергия, 1968. 248 с.

Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. 144 с.

Скалон А.И. Физические основы и пути оптимизации характеристик электромеханических датчиков компенсационного типа. Ч. 1.// Датчики и системы. 2008. №11. С. 2-4.

Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. М: Техносфера, 2004. 525 с.

Тыртычный А.А. Современные датчики систем управления и навигации// Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. Ч. 1. Технические науки/ СПбГУАП. СПб., 2007. С. 35-38.

Caminada C. et al. Micro-mechanical sensor with force feedback loop. Patent No.: US 2006/0032309A1, 2006.

Challoner A., Gutierrez R. Microgyroscope with electrostatic alignment and tuning. World Intellectual Property Organization, Patent No.: WO 03/025500 A2, 2003.

Распопов В.Я. Микроэлектромеханические системы. Курс лекций. - Датчики и системы. №6, 2007. С. 22-24.

Будкин В.Л., Паршин В.А., Прозоров С.В. и др. Разработка кремниевых датчиков первичной информации для систем навигации и управления// Гироскопия и навигация. 1998. №3(22). С.94-101.

Тыртычный А., Скалон А. Анализ характеристик компенсирующих преобразователей микромеханических инерциальных датчиков// Датчики и системы. 2009. № 2. С. 21-23.

Тыртычный А.А. Автоколебательные микромеханические инерциальные измерительные устройства с магнитоэлектрическими и электромагнитными датчиками силы// Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2008»: Сб. конк. работ/ Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). Новочеркасск: Лик, 2008. С. 91-93.

Арнольд Р.Р. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами. М: Энергия, 1969. 184 с.

Тыртычный А.А. Принципы построения микромеханических инерциальных датчиков на электромагнитных и оптоэлектронных элементах и сравнительный анализ их компенсирующих преобразователей// Научные труды Международной молодёжной научной конференции XXXIV Гагаринские чтения в 8 томах. Т. 3/ МАТИ. М., 2008. С. 82.

Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Ленинград: Энергоатомиздат, 1983. 320 с.

Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М: ЛБЗ, 2004. 488 с.

Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. М: Наука, 1983. 463 с.

Tirtichny A. The comparative analysis of characteristics of compensating converters of micromechanical inertial sensors // Information and communication technologies: problems, perspectives. 2008. P. 76-80.

Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М: Радио и связь, 1991.

Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Н. Дулина, М.С. Жука. М: Энергия, 1977.

Микромеханические инерциальные чувствительные элементы. Микромеханические гироскопы / М.И. Евстифеев, А.И. Панферов, В.К. Пономарев и др. СПб.: СПбГУАП, 2007. 97 с.

Берендес Д.А. и др. Приборы и системы автоматического управления с широтно-импульсной модуляцией. - Ленинград: Машиностроение, 1982. 280 с.

Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах. - М: Наука, 1973. 584 с.

Пальтов И.П., Попов Е.П. Приближённые методы исследования нелинейных автоматических систем. - М: Физматгиз, 1960. 792 с.

Налоговый кодекс РФ с изм., внесёнными ФЗ N 205-ФЗ от 19.07.2009.

Гольтман А.А., Золотухин О.И. Прогнозирование элементов бизнес-плана проетов: Учеб. пособие/СПбГУАП. СПб., 2002. 64 с.

Сироткин Б.В., Трофимова Л.А. Определение эффективности инвестиций: Учеб. пособие/СПбГУАП. СПб., 1997. 29 с.

Безопасность труда в приборо - и радиоаппаратостроении: учебное пособие / В.И. Козаченко, Т В. Колобашкина, В.П. Котов и др. СПб: СПбГУАП, 2005. 92 с.

Безопасность жизнедеятельности. Промышленная и экологическая безопасность: методологические указания к дипломному проектированию / В.И. Козаченко, Т.В. Колобашкина, И.Р. Осипова и др. СПб: СПбГУАП, 2001. 34 с.

Размещено на Allbest.ru