izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-4-31-37izmertech-1593Research ArticleЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯLINEAR AND ANGULAR MEASUREMENTSКомпенсация влияния линейного ускорения на параметры рамочного микрооптоэлектромеханического преобразователя угловой скоростиCompensation of the infl uence of linear acceleration on the parameters of the frame micro optoelectromechanical angular velocity transducerhttps://orcid.org/0000-0002-9452-5785БусуринВ. И.BusurinV. I.

Владимир Игоревич Бусурин

Москва

Vladimir I. Busurin

Moscow

vbusurin@mai.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3316-5349ВасецкийС. О.VasetskiyS. O.

Станислав Олегович Васецкий

Москва

Stanislav O. Vasetskiy

Moscow

vasetskiyso@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9644-4348КоробковК. А.KorobkovK. A.

Кирилл Андреевич Коробков

Москва

Kirill A. Korobkov

Moscow

kane_and_lynch@bk.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation202308052023043137Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1593

Рассмотрена задача уменьшения влияния внешних дестабилизирующих факторов на микроэлектромеханические преобразователи угловой скорости. Показано, что для измерений малых угловых скоростей порядка единиц-десятков микрорадиан в секунду предпочтительнее использовать микрооптоэлектромеханические преобразователи, содержащие узлы оптического считывания. Исследовано влияние линейного ускорения на характеристики рамочного микрооптоэлектромеханического преобразователя угловой скорости с двумя каналами считывания оптических сигналов. Рассмотрено два метода компенсации погрешности при воздействии на рамочный микрооптоэлектромеханический преобразователь линейного ускорения. Методы компенсации реализуют управление коэффициентом усиления и силовую обратную связь. Экспериментально исследован узел считывания информации, основанный на оптическом туннельном эффекте и используемый для прецизионного измерения амплитуды колебаний чувствительного элемента, получена функция преобразования амплитуды колебаний чувствительного элемента в напряжение. Показана возможность формирования выходных сигналов преобразователя, пропорциональных угловой скорости и линейному ускорению. Для различных диапазонов угловых скоростей представлены зависимости изменения коэффициента усиления от напряжения смещения нуля, пропорционального действующему линейному ускорению. Предложена система компенсации силового воздействия дестабилизирующего линейного ускорения, состоящая из фильтра низких частот, пропорционально-интегрирующего регулятора и дополнительной пары электростатических приводов гребёнчатого типа. Дополнительные приводы расположены перпендикулярно приводам, возбуждающим первичные колебания. Оценена погрешность измерений угловой скорости при использовании двух методов компенсации. Предложенные технические решения позволяют повысить точность измерения угловой скорости микрооптоэлектромеханическими преобразователями, применяемыми в системах навигации и ориентации беспилотных летательных аппаратов различных типов.

The problem of reducing the infl uence of external destabilizing factors on microelectromechanical angular velocity transducers is considered. It is shown that for measurements of small angular velocities of the order of a few tens of microradians per second, it is preferable to use micro optoelectromechanical transducers containing optical readout nodes. The effect of linear acceleration on the characteristics of a frame micro optoelectromechanical angular velocity transducer with two optical readout channels is studied. Two methods of error compensation when the frame micro optoelectromechanical transducer is subjected to linear acceleration are considered. The compensation methods implement gain control and force feedback. Experimentally investigated the readout node based on the optical tunnel effect and used for precision measurement of the amplitude of oscillations of the sensitive element; the function of converting the amplitude of oscillations of the sensitive element into the voltage was obtained. The possibility of forming output signals of the transducer proportional to angular velocity and linear acceleration is shown. For different ranges of angular velocities, the dependences of changes in the gain from the zero offset voltage, proportional to the acting linear acceleration, are presented. A system for compensating the force effect of a destabilizing linear acceleration, consisting of a low-pass fi lter, a proportional-integral regulator, and an additional pair of comb-type electrostatic actuators is proposed. The additional actuators are arranged perpendicular to the actuators that excite the primary vibrations. The estimation of the measurement error of angular velocity when using two methods of compensation is presented. The proposed technical solutions allow increasing the accuracy of angular velocity measurements by micro optoelectromechanical transducers used in navigation and orientation systems of unmanned aircrafts of various types.

микрооптоэлектромеханический преобразовательугловая скоростьрамочный чувствительный элементоптический туннельный эффекткомпенсация линейного ускоренияmicro optoelectromechanical transducerangular velocityframe sensitive elementoptical tunnel effectlinear acceleration compensationИсследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-29-00954.The study was supported by grant no. 23-29-00954 from the Russian Science Foundation.ReferencesКосцов Э. Г. Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики // Автометрия. 2009. Т. 45. № 3. С. 3–52.Kostsov E. G. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2009, vol. 45, no 3, pp. 189–226. https://doi.org/10.3103/S8756699009030017Измайлов Е. А. Современные тенденции развития технологий инерциальных чувствительных элементов и систем летательных аппаратов // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2010. № 1. С. 30–43.Izmajlov E. A. Sovremennye tendencii razvitija tehnologij inercial’nyh chuvstvitel’nyh jelementov i sistem letatel’nyh apparatov. Trudy FGUP “NPCAP”. Sistemy i pribory upravlenija, 2010, no. 1, pp. 30–43. (In Russ.)Lu Qian Bo, Yi Nan Wang, Xiao Xu Wang, Yu an Yao, Xue Wen Wang, Wei Huang. Opto-Electronic Advances, 2021, vol. 4, no. 3, pp. 200045-1–200045-24. https://doi.org/10.29026/oea.2021.200045Lu Qian Bo, Yi Nan Wang, Xiao Xu Wang, Yuan Yao, Xue Wen Wang, Wei Huang. Opto-Electronic Advances, 2021, vol. 4, no. 3, pp. 200045-1–200045-24. https://doi.org/10.29026/oea.2021.200045Xia D., Huang L., Zhao L. Sensors, 2019, no. 19, 2798. https://doi.org/10.3390/s19122798Xia D., Huang L., Zhao L., Sensors, 2019, no. 19, 2798. https://doi.org/10.3390/s19122798Вьюжанина Е. А., Криштоп В. В. Дисковые резонаторы для датчиков угловой скорости // Известия высших учебных заведений . Приборостроение. 2020. Т. 63. № 9. С. 823–829. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-9-823-829Vyuzhanina E. A., Krishtop V. V. Disc resonators for angular velocity sensors. Journal of Instrument Engineering, 2020, vol. 63, no. 9, pp. 823–829. (In Russ.) https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-9-823-829Венедиктов В. Ю., Филатов Ю. В., Шалымов Е. В. Микрооптические гироскопы на основе пассивных кольцевых резонаторов // Квантовая электроника. 2016. Т. 46. № 5. С. 437–446.Venediktov V. Y., Filatov Y. V., Shalymov E. V. Quantum Electronics, 2016, vol. 46(5), pp. 437–446. https://doi.org/10.1070/QEL15932Shen X., Zhao L., Xia D. Micromachines, 2019, vol. 10, no. 4, 264. https://doi.org/10.3390/mi10040264Shen X., Zhao L., Xia D. Micromachines, 2019, vol. 10, no. 4, 264. https://doi.org/10.3390/mi10040264Шарков И. А., Рупасов А. В., Стригалев В. Е., Волковский С. А. Влияние температурной нестабильности характеристик источника на показания волоконно-оптического гироскопа // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 6(88). С. 31–35.Sharkov I. A., Rupasov A. V., Strigalev V. E., Volkovskij S. A. Thermal instability infl uence of the radiation source characteristics on the signal of fi ber-optic gyroscope. Scientifi c and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2013, no. 6(88), pp. 31–35. (In Russ.)Dell’Olio F., Tatoli T., Ciminelli C., Armenise M. N. Journal of the European Optical Society – Rapid publications, 2014, vol. 9, 14013. https://doi.org/10.2971/jeos.2014.14013Dell’Olio F., Tatoli, T. Ciminelli C., Armenise M. N. Journal of the European Optical Society – Rapid publications, 2014, vol. 9, 14013. https://doi.org/10.2971/jeos.2014.14013Бородина Е. В., Габбасов А. Ф., Парфенов А. Н., Фомин М. Р. Результаты исследований волоконно-оптического гироскопа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 8. С. 46–52.Borodina E. V., Gabbasov A. F., Parfenov A. N., Fomin M. R. Research results of the fi ber-optic gyro. News of the Tula state university. Technical sciences, 2019, no. 8, pp. 46–52. (In Russ.)Yan Shubin, Min Zhao, Zheng Liu, Jie Li, Yingzhan Yan, Chenyang Xue, Jun Liu. All-Solid Integrated Optical Waveguide Gyro Based on Chip. Infrared and Laser Engineering, 2011, no. 40(5), рр. 921–925. (In Chinese)Yan Shubin, Min Zhao, Zheng Liu, Jie Li, Yingzhan Yan, Chenyang Xue, Jun Liu. All-Solid Integrated Optical Waveguide Gyro Based on Chip, Infrared and Laser Engineering, 2011, no. 40(5), рр. 921–925. (In Chinese)Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд., испр.: Пер. с англ. С. Н. Бреуса и др. / Под ред. Г. П. Мотулевич. М.: Наука, 1973. 719 с.Born M., Wolf E. Principles of Optics. Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. 7th edition, Cambridge University Press, 1999. https://doi.org/10.1017/CBO9781139644181Бусурин В. И., Казарьян А. В., Штек С. Г., Жеглов М. А., Васецкий С. О., Чжи П. Л. Рамочный микрооптоэлектромеханический преобразователь угловой скорости на основе оптического туннельного эффекта // Измерительная техника. 2022. № 5. С. 50–55. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-5-50-55Busurin V. I., Kazaryan A. V., Shtek S. G. et al. Measurement Techniques, 2022, vol. 65, no. 5, pp. 360–365. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02088-3Распопов В. Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 400 с. ReferencesRaspopov V. Ja. Mikromehanicheskie pribory. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2007. 400 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.