Текст доклада согласован с научным

advertisement
УДК 531.383
С.Ю. Шевченко, А.С. Кукаев, Д.В. Сафронов, Е.П. Филиппова
(Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет)
ПАССИВНЫЙ БЕСПРОВОДНОЙ МИКРОГИРОСКОП НА
ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ЗА РУБЕЖОМ И В
РОССИИ
Рассматривается концепция построения пассивного
беспроводного
твердотельного
микрогироскопа
наповерхностных акустических волнах. Приводится ее
конструктивная критика и соответствующие комментарии
разработчиков.
Описывается
устройство
экспериментального
макета
для
проверки
работоспособности данной концепции.
Введение
Тематика твердотельных микрогироскопов (ТМГ) на поверхностных
акустических волнах (ПАВ) в последние годы становится все более
популярной. Возрастающий интерес к этой тематике может быть
проиллюстрирован гистограммой, показывающей число публикаций,
посвященных таким датчикам в различные годы (рис. 1). Данная тенденция
продиктована целым рядом достоинств, присущих ТМГ на ПАВ:
 ударопрочность до 65 000 g;
 диапазон
измеряемых
угловых
скоростей до 10 000 °/с;
 низкая
стоимость
массового
производства;
 возможность применения кварцевого
корпусирования [1].
На сегодняшний день разработан целый
ряд различных концепций построения ТМГ
на ПАВ, основанных на привычных и широко
распространённых линиях задержки и
резонаторах ПАВ [2–8]. Вместе с тем,
появляются и новые принципы построения.
Один из них, предложенный в работе [9]
Рис. 1. Число публикаций о ТМГ на
ПАВ в различные годы.
предполагает возможность беспроводной
пассивной работы датчика.
Пассивный беспроводной ТМГ на ПАВ
Принцип работы устройства представлен на рис. 2.
Рис. 2. Устройство пассивного беспроводного ТМГ на ПАВ.
Предложенный датчик состоит из двух отражающих линий задержки (ЛЗ),
образованных встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) 1, 2 и
отражателями R3–R6. Гармонический сигнал от внешнего генератора
передается по радиотракту и попадает на приемную антенну датчика, откуда
посредством ВШП 1 переводится в ПАВ и попадает в линии задержки. Далее,
волна, частично отражается на отражателе R3, частично проходит дальше.
Отраженная компонента попадает на ВШП и по радиотракту передается на
измерительную аппаратуру, образуя пик 1 (рис. 3). Оставшаяся часть волны
распространяется дальше, испытывает отражение от отражателей R4 и также
попадает обратно на ВШП, образуя пик 2. Аналогично происходит и со второй
линией задержки, но с небольшим временным сдвигом, обусловленным
разными длинами ЛЗ. При наличии угловой скорости, направленной вдоль оси
y, волны, бегущие между отражателями R3–R4 и R5–R6, будут получать
дополнительные фазовые набеги за счет сил Кориолиса. Это приведет к
перемещению второй пары пиков относительно первой. При этом сдвиг для
двух линий будет иметь противоположные знаки, поскольку ПАВ
распространяются в противоположных направлениях. В результате образуется
дифференциальная схема, позволяющая повысить чувствительность и
исключить влияние температурных эффектов.
Рис. 3. Временная диаграмма работы ТМГ.
Авторами концепции был проведен ряд экспериментов и получены основные
характеристики датчика, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Значение
Материал подложки
128° YX LiNbO3
Рабочая частота, f, МГц
434
Невозмущенная скорость ПАВ, V0, м/с
3951
Длина волны, λ, мкм
9,1
Длительность импульса, мкс
~0,1
Максимальная угловая скорость, °/с
±900
Масштабный коэффициент, °/°/с
2,42
ВШП1 – R4 – ВШП1
1
Время задержки, мкс
ВШП2 – R6 – ВШП2
1,12
Параметр
Выходная характеристика предлагаемого сенсора приведена на рис. 4, а.
а)
б)
Рис. 4. а) Выходная характеристика, приведенная в работе [9]; б) та же характеристика при
обнулении через каждые 360°.
Как видно, авторы приводят выходную характеристику и масштабный
коэффициент как зависимость фазового набега от угловой скорости. Следует
отметить, что фазовые измерения обладают рядом специфических
особенностей. Одной из них является неоднозначность – одно и то же значение
выходного параметра повторяется раз за период. Так, если через каждые 360°
обнулять значения выходного сигнала, как это происходит в фазовом детекторе,
то выходная характеристика примет вид, приведенный на рис. 4, б. Вторым
недостатком является неравноточность фазовых измерений – производная
фазового набега по времени меняется от нуля до максимума в различных точках
выходной характеристики. В результате различные значения угловой скорости
определяются с разной точностью. Для борьбы с этими недостатками
существует целый ряд способов:
 изменение длины линии задержки (укорочение до 1 периода);
 использование низких частот или низкочастотной модуляции сигнала;
 счет фазовых циклов.
Авторы статьи данный вопрос не поднимали.
Критика
Подробное изучение публикации [9] подняло целый ряд вопросов и
замечаний к авторам:
1. Авторами утверждается, что смена направления распространения волны
приводит к смене знака фазового набега. При этом в каждой из линий задержки
сигнал проходит как в прямом, так и в обратном направлении. В результате
фазовый набег, полученный при прямом проходе должен полностью
обнулиться при обратном.
2. Авторы сообщают, что измеряют изменение времени задержки
приходящих импульсов. При этом выходная характеристика приводится как
зависимость фазового сдвига от угловой скорости, который получается
умножением на 2πf. Смысл таких переводов не ясен.
3. В статье присутствует ряд опечаток и неточностей в символьных
обозначениях.
Данные замечания были опубликованы в журнале Applied Physics Express
[10], на страницах которого и была предложена изначальная концепция. Ответ
авторов оказался незамедлительным и в том же номере, что и замечания, был
опубликован ответ на них [11]. В новой статье были приняты все пункты
критики и даны необходимые разъяснения. По словам авторов, отраженная
ПАВ является лишь малой частью излученной. Следовательно, на нее
действуют много меньшие силы Кориолиса и фазовый сдвиг при обратном
проходе пренебрежимо мал. Что же касательно градуировки выходной
характеристики, то никакой пользы от перевода временного сдвига в фазовый
нет, поэтому в ответной статье были приведены данные новых экспериментов, в
которых уже отображен непосредственно временной сдвиг (рис. 5).
Рассмотрим полученные комментарии
подробнее. Действительно, волна, бегущая в
линии задержки, значительно затухает.
Дополнительно
гасят
ее
потери
на
отражателях. Таким образом, амплитуды
волн, пришедших от отражателей 2 и 3 имеют
вид:
A2 ( x)  A0 R1e x sin(t  kx  0 );
A3 ( x)  A0T 2 R2e  x sin(t  kx  0 ),
1
где Ai(x) – амплитуда ПАВ, пришедшей от iРис. 5. Выходная характеристика
го отражателя; Ri, Ti – коэффициенты
ТМГ, приведенная в работе [11].
отражения и пропускания i-го отражателя; α –
коэффициент затухания; A0, V0, φ0 – начальная амплитуда, скорость и фаза ПАВ,
соответственно; ∆V(x) – приращение скорости ПАВ при вращении; ω – круговая
частота ПАВ;
k




V V0  V ( x)

 V ( x) 

V0 1 
V0 


  V ( x) 
1 

V0 
V0 
– волновой
вектор. Однако если обратиться к диаграмме на рис. 3, можно увидеть, что
амплитуда импульсов, отраженных от первого отражателя и импульсов,
прошедших полностью весь акустический тракт и два отражателя, практически
одинаковы. То есть, амплитуда волны, прошедшей линию, практически не
меняется. Этот факт вызывает вопросы сам по себе, а также вновь поднимает
вопрос о накоплении фазового набега при двойном проходе волны.
Далее авторы приводят новую выходную характеристику (рис. 5). На
графике отмечены три набора точек. При этом отсутствуют комментарии, в чем
состоит различие между ними. Если предположить, что обозначения
сохранились, как в исходной статье, то отсюда следует, что гироскоп
одинаковую чувствительность к вращению относительно любой из осей. Таким
образом, полученные ответы породили только новые вопросы. Для того, чтобы
ответить на них, было принято решение, апробировать предлагаемое
устройство на практике.
Для этого были разработаны и изготовлены 2 макета ТМГ на ПАВ. Так как
принцип беспроводной пассивной работы не вызывает сомнений, было решено
использовать проводное соединение компонентов. Также был осуществлен
переход от импульсного режима работы к непрерывному. Это позволило
организовать фазовые измерения, нечувствительные к выбору несущей частоты.
Устройство разработанных макетов на примере одного из них
проиллюстрировано схемой на рис. 6.
Рис. 6. Устройство макетов ТМГ на ПАВ, разработанных на кафедре ЛИНС СПбГЭТУ
«ЛЭТИ».
Здесь сигнал с генератора Г, управляемого напряжением, разделяется на две
компоненты. Одна из них проходит через линию задержки и поступает на
фазовый детектор. Вторая – на него же, но в обход линии. Действие силы
Кориолиса при наличии вращения должно приводить к пропорциональному
изменению фазового сдвига между двумя компонентами. Благодаря
применению фазовых измерений в данном макете не требуется ничего, кроме
генератора, линии задержки и фазового детектора. В результате такая
концепция построения может претендовать на звание минимальной
конфигурации гироскопа на ПАВ. Кроме того, использование классических
однопроходных линий задержки, которые сегодня широко распространены,
определяет низкую стоимость производства таких датчиков. На данный момент
произведена оценка параметров линий задержки, применяемых в макетах, и
проводятся первые экспериментальные исследования, о результатах которых
будет сообщено позднее.
Заключение
На сегодняшний день концепция беспроводного пассивного ТМГ на ПАВ
видится привлекательной. Это связано с возможностью его размещения в
труднодоступных местах, простотой конструкции и низкой стоимостью
производства. Вместе с тем, принцип работы такого датчика, а также его
технические характеристики пока вызывают целый ряд вопросов. Ответы на
них могут последовать из новых публикаций авторов, либо из результатов
натурного моделирования, проводимого в настоящий момент на кафедре ЛИНС
СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
ЛИТЕРАТУРА
1. С.Ю. Шевченко, А.С. Кукаев, Д.В. Сафронов, Е.П. Филиппова. Метод
кварцевого
корпусирования
для
улучшения
характеристик
микроакселерометров на поверхностных акустических волнах. XV
Конференция молодых ученых «Навигация и управление движением», СПб,
ЦНИИ «Электроприбор», 2011.
2. S. W. Lee, J. W. Rhim, S. W. Park, S. S. Yang. A Novel Micro Rate Sensor
using a Surface-Acoustic-Wave (SAW) Delay-line Oscillator // Sensors, 2007 IEEE
P. 1156 – 1159.
3. A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect. S. W. Lee, J.
W. Rhim, S. W. Park, S. S. Yang // J. Micromech. Microeng. 2007. № 17. P 2272–
2279.
4. W. Wang, H. Oh, K. Lee, S. Yoon, S. Yang. Enhanced Sensitivity of Novel
Surface Acoustic Wave Microelectromechanical System-Interdigital Transducer
Gyroscope // JJAP. 2009. №48.
5. W. Wang, S. He, H. Li. Theoretical sensitivity evaluation of a shearhorizontal SAW based micro rate sensor // Ultrasonics Symposium (IUS), 2009 P.
1684 – 1687
6. W. Wang, F. Xu, S. He, S. Li, K. Lee. A New Micro-rate Sensor Based on
Shear Horizontal Surface Acoustic Wave Gyroscopic Effect // JJAP. 2010. №49.
7. H. Oh, W. Wang, S. Yang, K. Lee, Development of SAW based gyroscope
with high shock and thermal stability // Sensors and Actuators A: Physical, Volume
165, Issue 1, January 2011, Pages 8-15
8. H. Oh, W. Wang, S. Yang, K. Lee, Enhanced sensitivity of a surface acoustic
wave gyroscope using a progressive wave // J. Micromech. Microeng., 2011
9. W. Wang, Wu Wang, J. Liu, M. Liu, S. Yang. Wireless and Passive
Gyroscope based on Surface Acoustic Wave Gyroscopic Effect // Applied Physics
Express 4 (2011)
10. Lukyanov D. et al. Comment on``Wireless and Passive Gyroscope based on
Surface Acoustic Wave Gyroscopic Effect'' //Applied Physics Express. – 2012. – Т. 5.
– №. 10. – С. 9101.
11. Wang W. et al. Reply to “Comment on ‘Wireless and Passive Gyroscope
based on Surface Acoustic Wave Gyroscopic Effect''' //Applied Physics Express. –
2012. – Т. 5. – №. 10. – С. 9102.
Текст доклада согласован с научным руководителем.
Научный руководитель д.т.н., профессор СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Лукьянов
Дмитрий Павлович
/ Лукьянов Д.П./
Скачать