Способ балансировки пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента вибрационного датчика угловой скорости
Владельцы патента RU 2417351:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") (RU)
Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости (ДУС), в частности к производству и технологии балансировки пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента ДУС. Способ балансировки заключается в том, что чувствительный элемент возбуждают автогенератором на первой гармонике моды колебаний, перпендикулярных плоскости соединения половин биморфной балки, измеряют разность фаз и разность амплитуд сигналов с измерительных электродов чувствительного элемента при его колебаниях на указанной моде и сводят их к минимуму, выполняя пропилы лазерным лучом на чувствительном элементе со стороны возбуждающего электрода. Изобретение позволяет повысить производительность и точность балансировки, а также упростить определение и удаление несбалансированной массы биморфного чувствительного элемента вибрационного пьезокерамического ДУС. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости (ДУС), в частности к производству и технологии балансировки пьезоэлектрического балочного биморфного чувствительного элемента ДУС.
Известен способ балансировки полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа (патент RU 2147117 С1), заключающийся в том, что резонатор закрепляют за ножку, устанавливают пьезоэлектрический датчик на свободном конце ножки, возбуждают колебания, измеряют напряжение датчика для различных ориентаций стоячей волны в резонаторе, рассчитывают неуравновешенную массу математической обработкой полученных экспериментальных данных и удаляют неуравновешенную массу ионным лучом с поверхности полусферической оболочки резонатора.
Недостатки данного решения состоят в сложности методики и трудоемкости процесса определения неуравновешенной массы.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент US 6023973.
В этом изобретении способ балансировки биморфного чувствительного элемента вибрационного пьезокерамического ДУС заключается в определении несбалансированной массы чувствительного элемента путем измерения АЧХ двух резонаторов отдельно и биморфной балки в целом. Удаление определенной таким способом несбалансированной массы производится путем выполнения на чувствительном элементе пропилов лазерным лучом, режущим инструментом с непосредственным контактом с поверхностью балки, струей песка, выбрасываемой под давлением, со стороны измерительных электродов (на одном из них).
Недостатки прототипа заключаются в сложности, недостаточной точности определения несбалансированной массы чувствительного элемента и, как следствие, низкой точности балансировки, а также в невысокой производительности процесса балансировки. Удаление несбалансированной массы со стороны измерительных электродов уменьшает также количество пьезоактивного материала с детектирующей угловую скорость части биморфной балки, снижая чувствительность ДУС в целом.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении производительности и точности балансировки, а также в упрощении способа определения и удаления несбалансированной массы биморфного чувствительного элемента вибрационного пьезокерамического ДУС.
Указанный технический результат достигается способом балансировки биморфного пьезоэлектрического балочного чувствительного элемента вибрационного датчика угловой скорости, представляющего собой балку прямоугольного сечения, слои которой поляризованы во встречном направлении, имеющую две параллельные поверхности, одна из которых покрыта возбуждающим электродом, а вторая разделена продольным пропилом на две равные части, покрытые измерительными электродами, включающим возбуждение чувствительного элемента и выполнение пропилов, отличающимся тем, что чувствительный элемент возбуждают автогенератором на первой гармонике моды колебаний, перпендикулярных плоскости соединения половин биморфной балки, измеряют разность фаз и разность амплитуд сигналов с измерительных электродов чувствительного элемента при его колебаниях на указанной моде и сводят их к минимуму, выполняя балансировочные пропилы лазерным лучом на чувствительном элементе со стороны возбуждающего электрода, при этом сначала в центральной области чувствительного элемента симметрично относительно поперечной оси симметрии - для устранения разности фаз, а затем вблизи линий закрепления упругих подвесов - для устранения разности амплитуд, причем параметры балансировочных пропилов выбирают из условий (1):
s≤0.1b,
lφ=С1·Δφ при lφ≤l/4,
la=С2·ΔA при la≤l/10,
где s - ширина балансировочных пропилов;
b - ширина балки;
l - длина балки;
lφ - длина балансировочных пропилов для балансировки фаз, мкм;
la - длина балансировочных пропилов для балансировки амплитуд, мкм;
Δφ - разность фаз, градус;
ΔA - разность амплитуд, мВ;
С1, С2 - константы, определяемые экспериментально для каждого типа чувствительных элементов, мкм/градус, мкм/мВ.
Указанный технический результат достигается так же тем, что балансировочные пропилы выполняют лазерным излучением с наносекундной длительностью импульсов и средней мощностью до 15 Вт для минимизации эффекта тепловой деполяризации пьезокерамики и учитывают долговременную релаксацию свойств чувствительного элемента путем введения устанавливаемой экспериментально поправки для разности фаз при расчете длины балансировочного пропила перед балансировкой.
Таким образом, отличительным признаком изобретения является: возбуждение колебаний чувствительного элемента на первой гармонике моды колебаний, перпендикулярных плоскости соединения половин биморфной балки, измерение разности фаз и амплитуд сигналов с измерительных электродов и сведение их к минимуму путем выполнения балансировочных пропилов лазерным лучом на чувствительном элементе со стороны возбуждающего электрода, над измерительным электродом, имеющим меньшее значение фазы относительно сигнала с возбуждающего электрода для устранения разности фаз сигналов с измерительных электродов и имеющим большее значение амплитуды для устранения разности амплитуд этих сигналов, выполнение балансировочных пропилов максимально близко к краям балки и выбор их параметров из условий (1):
- s≤С1·0,1b,
lφ=C1·Δφ при lφ≤l/4,
la=С2·ΔA при la≤l/10,
где s - ширина балансировочных пропилов;
b - ширина балки;
l - длина балки;
lφ - длина балансировочных пропилов для балансировки фаз, мкм;
la - длина балансировочных пропилов для балансировки амплитуд, мкм;
Δφ - разность фаз, градус;
ΔA - разность амплитуд, мВ;
С1, С2 - константы, определяемые экспериментально для каждого типа чувствительных элементов, мкм/градус, мкм/мВ;
- выполнение балансировочных пропилов лазерным излучением с наносекундной длительностью импульсов и средней мощностью ≤15 Вт;
- учет долговременной релаксации свойств чувствительного элемента перед балансировкой при расчете длины балансировочного пропила путем введения устанавливаемой экспериментально поправки для разности фаз.
Указанная совокупность отличительных признаков способа балансировки балочного биморфного чувствительного элемента ДУС позволяет достичь технического результата, заключающегося в упрощении и повышении точности способа балансировки балочного чувствительного элемента ДУС.
Изобретение поясняется фигурами 1-11.
На фиг.1 приведено схематическое изображение биморфной балки,
где 1 - разделительный (основной) пропил;
2 - измерительные электроды;
3 - возбуждающий электрод.
На фиг.2 - вид поперечного сечения биморфной балки.
На фиг.3 - схема возбуждения чувствительного элемента и измерения фаз и амплитуд сигналов с измерительных электродов,
где 4 - чувствительный элемент;
5 - фазосдвигающие цепи;
6 - резистор;
7 - инвертор;
8 - буферные усилители (повторители).
На фиг.4 - схематическое изображение чувствительного элемента с балансировочными пропилами для регулировки разности фаз сигналов с измерительных электродов,
где 9 - балансировочный пропил для регулировки разности фаз сигналов с измерительных электродов;
10 - упругие подвесы.
На фиг.5 - схематическое изображение чувствительного элемента с балансировочными пропилами для регулировки разности амплитуд сигналов с измерительных электродов,
где 10 - упругие подвесы;
11 - балансировочные пропилы для регулировки разности амплитуд сигналов с измерительных электродов.
На фиг.6 - общий вид экспериментального образца чувствительного элемента ДУС с балансировочными пропилами (фото),
где 9 - балансировочный пропил для регулировки разности фаз сигналов с измерительных электродов;
10 - упругие подвесы;
11 - балансировочный пропил для регулировки разности амплитуд сигналов с измерительных электродов.
На фиг.7 - экспериментальные зависимости разности фаз Δφ от параметров балансировочного пропила.
На фиг.8 - влияние положения балансировочного пропила относительно края балки на величину разности фаз Δφ.
На фиг.9 - фрагмент балки с балансировочным пропилом с отступом δ от ее края (фото).
На фиг.10 - зависимость разности амплитуд сигналов ΔА от длины la балансировочного пропила.
На фиг.11 - экспериментальные зависимости долговременной релаксации разности фаз после балансировки.
Балансировка чувствительного элемента вибрационного ДУС согласно настоящему изобретению производится следующим образом.
Чувствительный элемент вибрационного ДУС представляет собой биморфную пьезокерамическую балку прямоугольного сечения (фиг.1, 2), слои которой поляризованы во встречном направлении. Характерные размеры балки чувствительных элементов малогабаритных вибрационных ДУС: длина l=20 мм, толщина h=1 мм и ширина b=1 мм. Глубина d и ширина с разделительного пропила равны соответственно 250 мкм и 100 мкм. Электроды 2 (фиг.1), разделенные пропилом 1 - измерительные, а сплошной электрод 3 на противоположной стороне - возбуждающий.
Две части биморфной балки между каждым из измерительных электродов и возбуждающим образуют два отдельных резонатора. Вследствие технологических погрешностей и неоднородности электрофизических параметров пьезокерамики по объему балки фазы и амплитуды сигналов с этих резонаторов будут несколько отличаться друг от друга.
Сущность операции балансировки состоит в устранении разности фаз Δφ и разности амплитуд ΔA сигналов, снимаемых с измерительных электродов 2 двух резонаторов.
Для регистрации Δφ и ΔA чувствительный элемент возбуждают на первой гармонике моды колебаний, перпендикулярных плоскости соединения половин биморфной балки. Чувствительный элемент 4 (фиг.3) является частотозадающим элементом автогенератора, состоящего из трех фазосдвигающих цепей 5, резистора 6 и инвертора 7. Буферные усилители 8 служат гальванической развязкой автогенератора от измерительной части схемы.
Для балансировки фаз и амплитуд сигналов производят удаление части материала балки, выполняя балансировочные пропилы со стороны возбуждающего электрода 3 над измерительным электродом 2 чувствительного элемента, имеющим меньшее значение фазы для устранения разности фаз сигналов и имеющим большее значение амплитуды для устранения разности амплитуд сигналов.
Определение параметров балансировочных пропилов производят, исходя из вышеприведенных соотношений для s, lφ, la (1).
Операцию балансировки чувствительного элемента начинают с балансировки разности фаз сигналов с измерительных электродов, выполняя пропил 9 (фиг.4, 6) в центральной области возбуждающего электрода 3 симметрично поперечной оси симметрии балки и вблизи края балки. Как правило, после балансировки фаз разность амплитуд этих сигналов значительно уменьшается или вообще отсутствует.
При необходимости балансировки амплитуд сигналов с измерительных электродов пропилы 11 (фиг.5, 6) выполняют вблизи мест крепления упругих подвесов 10 к балке около ее края.
Согласно настоящему изобретению выполнение балансировочных пропилов 9, 11 производится с помощью лазерного излучения с наносекундной длительностью импульсов, например с помощью лазера, на парах меди, длительность импульсов у которого ≈20 нс.
Экспериментально установлено, что при средней мощности лазерного излучения ≈15 Вт существенной деполяризации пьезокерамики вследствие теплового воздействия лазерного излучения не происходит. Наблюдается долговременная релаксация разности фаз сигналов (фиг.11) порядка 6 градусов в направлении исходной разности фаз (до балансировки), которую учитывают, вводя поправку при расчете длины балансировочного реза lφ.
Пример реализации заявляемого способа балансировки чувствительного элемента ДУС
На фигуре 7 приведены экспериментальные зависимости разности фаз Δφ сигнала от длины lφ, ширины s и глубины балансировочных пропилов, а на фигуре 8 - от положения балансировочного пропила 9 относительно края балки для типового балочного биморфного чувствительного элемента (фиг.1) размером 20 мм × 1 мм × 1 мм, изготовленного из горячепрессованной пьезокерамики ЦТС-47.
Балансировочные пропилы 9, 11 выполнялись лазером на парах меди, мощностью ≈15 Вт при длительности импульсов ~20 нс.
Из фигуры 7 видно, что чем меньше ширина s и глубина балансировочных пропилов, тем точнее осуществляется балансировка фаз. Причем для увеличения производительности балансировки чувствительных элементов балансировочные пропилы 9, 11 выполнялись максимально близко к краям балки.
Для балансировочных пропилов 9 шириной s=80 мкм и глубиной 25 мкм коэффициент С1≈3000/115≈26 [мкм/град], а для балансировочных пропилов 9 шириной s=210 мкм, глубиной 70 мкм коэффициент C1≈500/100≈5 [мкм/град].
Точность выполнения балансировочных пропилов 9, необходимая для выполнения балансировки фаз с точностью ≈2 град, легко достигается лазерной обработкой.
Практика показала, что исходная разность фаз Δφ не превышает 100°.
Из фигуры 8 видно, что чем ближе расположен балансировочный пропил 9 к краю балки чувствительного элемента, тем быстрее выполняется процесс балансировки фаз, а чем ближе к центру балки, тем медленнее и точнее.
На фигуре 10 показана зависимость разности амплитуд сигналов ΔA от длины la балансировочного пропила 11: для пропила глубиной 25 мкм и шириной 80 мкм изменение ΔA на один миллиметр длины пропила равно 2В, т.е. коэффициент С2=0.5 мкм/мВ.
Исходная максимальная разность амплитуд сигналов ΔАмакс после устранения разности фаз не более 1.2В. При этом максимально допустимая длина la балансировочных пропилов 9, 11 равна 2 мм.
В результате лазерной обработки происходит деполяризация кромки пьезоматериала вдоль длины балансировочного пропила. Ширина ее зависит от ширины и глубины балансировочного пропила. После прекращения обработки происходит длительная, в течение нескольких дней при комнатной температуре, релаксация структуры и свойств пьезоматериала, что отражается на изменении конечных величин Δφ на 2÷6 град и ΔА на 0.05В.
На фигуре 11 приведены экспериментальные данные по изменению разности фаз в течение 53 суток. Введение поправки в 10% от исходной (до балансировки) разности фаз при расчете длины lφ балансировочного пропила позволяет учесть влияние долговременной релаксации пьезоматериала на результаты процесса балансировки и обеспечить устранение разностей фаз и амплитуд сигналов с точностью: Δφ≈2 град и ΔA=10 мВ.
1. Способ балансировки биморфного пьезоэлектрического балочного чувствительного элемента вибрационного датчика угловой скорости, представляющего собой балку прямоугольного сечения, слои которой поляризованы во встречном направлении, имеющую две параллельные поверхности, одна из которых покрыта возбуждающим электродом, а вторая разделена продольным пропилом на две равные части, покрытые измерительными электродами, включающий возбуждение чувствительного элемента и выполнение пропилов, отличающийся тем, что чувствительный элемент возбуждают автогенератором на первой гармонике моды колебаний, перпендикулярных плоскости соединения половин биморфной балки, измеряют разность фаз и разность амплитуд сигналов с измерительных электродов чувствительного элемента при его колебаниях на указанной моде и сводят их к минимуму, выполняя пропилы лазерным лучом на чувствительном элементе со стороны возбуждающего электрода, при этом сначала в центральной области чувствительного элемента симметрично относительно поперечной оси симметрии - для устранения разности фаз, а затем вблизи линий закрепления упругих подвесов - для устранения разности амплитуд.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что балансировочные пропилы выполняют максимально близко к краям балки, а их параметры выбирают из условий:
s≤0,1b, lφ=С1·Δφ при lφ≤1/4, lα=С2·ΔA при lα≤1/10,
где s - ширина балансировочных пропилов; b - ширина балки; l - длина балки; lφ - длина балансировочных пропилов для балансировки фаз, мкм; lα - длина балансировочных пропилов для балансировки амплитуд, мкм; Δφ - разность фаз, градус; ΔА - разность амплитуд, мВ;
C1, C2 - константы, определяемые экспериментально для каждого типа чувствительных элементов, мкм/градус, мкм/мВ.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что балансировочные пропилы выполняют лазерным излучением с наносекундной длительностью импульсов и средней мощностью менее 15 Вт для сведения к минимуму тепловой деполяризации пьезокерамики, при этом для учета долговременной релаксации свойств чувствительного элемента, при расчете длины балансировочного реза, перед регулировкой вводят устанавливаемую экспериментально поправку для разности фаз.
