Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Лунин Борис Сергеевич. Научно-технологические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов : дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.03, 05.11.14 Москва, 2006 361 с. РГБ ОД, 71:07-5/161

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.
Введение 5

Глава 1. Современное состояние и проблемы развития ВТГ 20

  1. Проблемы повышения точности ВТГ 20

  2. Конструкция ВТГ и ее влияние на характеристики 39

  3. Себестоимость ВТГ и пути ее снижения 51 Выводы к главе 1 53

Глава 2. Разработка методов исследования характеристик

высокодобротных резонаторов ВТГ 55

  1. Разработка метода измерения внутреннего трения 56

  2. Разработка методов измерения частотных характеристик

полусферических резонаторов 84

2.3. Измерение прецессии стоячей волны в резонаторе в

составе ВТГ 95

Выводы к главе 2 106

Глава 3. Разработка методов уменьшения внутреннего трения

в материале резонатора 108

3.1. Особенности структуры и диссипативные процессы

в кварцевом стекле 108

3.2. Уменьшение внутреннего трения в резонаторах из
кварцевого стекла 128

3.2.1. Уменьшение внутреннего трения в поверхностном слое 129

Стр.

  1. Уменьшение влияния адсорбции атмосферной воды на характеристики резонатора 140

  2. Уменьшение внутреннего трения в структуре кварцевого стекла 152

3.3. Уменьшение внутреннего трения в металлических

резонаторах 184

Выводы к главе 3 194

Глава 4. Разработка метода балансировки полусферических

резонаторов 197

  1. Определение параметров массового дисбаланса полусферических резонаторов 198

  2. Удаление неуравновешенной массы 209

  3. Уменьшение расщепления собственных частот резонатора 228

  4. Уменьшение 1-^3-й гармоник массового дефекта

резонатора 230

Выводы к главе 4 235

Глава 5. Разработка методов уменьшения влияния металлического

покрытия резонатора на характеристики ВТГ 236

  1. Влияние металлического покрытия на характеристики полусферического резонатора ВТГ 237

  2. Влияние условий формирования тонких пленок на их структуру и свойства 247

5.3. Разработка метода нанесения равмерного металлического
покрытия с малой диссипацией
275

  1. Разработка метода металлизации полусферического резонатора 275

  2. Уменьшение внутреннего трения в металлическом покрытии 281

Стр. 5.4. Уменьшение внутреннего трения, связанного с адсорбцией

атмосферной воды на металлическом покрытии 293

Выводы к главе 5 299

Глава 6. Разработка полусферических резонаторов ВТГ 301

  1. Разработка резонатора ВТГ инклинометра забойной телеметрической системы 301

  2. Разработка резонатора ВТГ, работающего на колебаниях

с высоким номером моды 316

6.3. Разработка резонатора ВТГ с плоским блоком электродов 321
Выводы к главе 6 324

Общие выводы 325

Список литературы 328

Приложение 344

Введение к работе:

» Быстрое развитие средств навигации является одним из ведущих

направлений технического прогресса. Этот процесс характеризуется с

одной стороны появлением целого ряда навигационных устройств,

основанных на новых принципах (спутниковые навигационные системы,

микромеханические, оптические гироскопы и т.д.); с другой - широким их

применением во множестве областей, охватывающих все стороны жизни

современного общества. Сейчас они применяются в промышленных

роботах, управляемых головках нефтебурового оборудования, активных

подвесках автомобилей, индивидуальных определителях координат,

используемых для ориентации на местности, шлемах виртуальной

реальности и т. д., став наряду с компьютеризацией современного

общества, одним из основных компонентов информационной среды.

Сегодня к навигационным приборам предъявляются гораздо более

жесткие требования. Они должны работать в тяжелых условиях внешней

среды, иметь высокую надежность, длительный рабочий ресурс, высокую

точность, обладать небольшой массой, габаритами и энергопотреблением.

Хотя характеристики механических гироскопов последовательно

улучшались на протяжении десятилетий, они не отвечают сегодняшним

требованиям по ряду параметров, принципиальное улучшение которых

связывается разработчиками с твердотельными гироскопами нового

поколения: волновым твердотельным гироскопом (ВТГ) и оптическими -

кольцевым лазерным гироскопом (КЛГ) и волоконно-оптическим

гироскопом (ВОГ). Все эти приборы разрабатывались с начала 70-х годов

и находятся сейчас на различных стадиях промышленного освоения.

КЛГ имеет высокую точность, однако ему присущи серьезные

недостатки:

нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости;

дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере;

ограничение рабочего ресурса ресурсом лазера.

Из этих проблем самой важной является первая. При малых угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых световых волн, это приводит к синхронизму и невозможности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаружения при этом составляет 10 град/ч.) Для подавления синхронизма оптическая система приводится к колебаниям, но конструкция КЛГ при этом сильно усложняется.

ВОГ свободны от явления синхронизма, но для получения высокой чувствительности в ВОГ требуется большая длина оптического пути (до десятков км) при очень низком уровне потерь в оптоволокне. Как и для КЛГ, ресурс ВОГ ограничивается ресурсом источника света. К недостаткам ВОГ также следует отнести температурную зависимость выходных характеристик.

В основе работы волнового твердотельного гироскопа лежит явление инертности упругих волн, впервые открытое британским физиком Брайаном в конце XIX века. Он показал, что скорость вращения стоячей волны в тонком кольце, совершающем изгибные колебания, меньше скорости вращения самого кольца. Почти через 100 лет Д.Д.Линч продемонстрировал, что эффект Брайана может быть использован для построения датчика углового перемещения. В разработанной Линчем конструкции ВТГ в качестве чувствительного элемента используется тонкостенный полусферический резонатор, изготовленный из кварцевого стекла. Изгибные колебания его кромки идентичны колебаниям тонкого кольца и подчиняются тем же закономерностям. Поддержание амплитуды колебаний кромки резонатора на постоянном уровне осуществляется электрическим полем, создаваемым кольцевым электродом возбуждения,

измерение параметров стоячей волны и подавление квадратурных колебаний - емкостными преобразователями. Все три основные детали ВТГ соединены между собой и помещены в герметичный корпус. Для определения параметров стоячей волны и поддержания постоянной амплитуды колебаний используется специальная электронная система.

Своеобразный принцип работы дает новому гироскопу ряд преимуществ:

в ВТГ полностью отсутствуют изнашивающиеся части, поэтому рабочий ресурс прибора оказывается очень большим;

высокая точность;

устойчивость к тяжелым условиям окружающей среды (повышенная температура, вибрация, гамма-излучение);

сравнительно небольшие габариты, вес и потребляемая мощность;

сохранение инерциальной информации при кратковременном отключении электропитания.

В табл. 1 представлены основные параметры чувствительных элементов твердотельных гироскопов в сравнении с динамически настраиваемым гироскопом типа КИНД 05-49 [1]. Сравнение этих характеристик показывает, что ВТГ имеет ряд серьезных преимуществ перед КЛГ и ВОГ. Оптические гироскопы имеют сложную, многодетальную конструкцию, а их ресурс существенно ограничивается ресурсом источника света. В отличие от них, ВТГ имеет простую конструкцию, включающую три (а иногда и две) основные части: резонатор и платы возбуждения и съема, которые соединяются вместе и устанавливаются в герметичный корпус, качество которого и определяет рабочий ресурс прибора. В ВТГ стоячая волна может быть устойчива достаточно долгое время (минуты) при выключении электропитания и все это время ВТГ сохраняет инерциальную информацию.

Таблица 1. Сравнительные характеристики гироскопов разных типов

Таблица 1 -окончание

Из табл.1 также видно, что ВТГ имеет меньшие габариты и вес, это особенно существенно для космических аппаратов, когда стоимость 1 кг полезного груза достигает нескольких тысяч долларов.

Чувствительный элемент ВТГ потребляет несколько мкВт мощности, тогда как чувствительные элементы КЛГ и ВОГ требуют больше, чем 1 Вт.

Эти достоинства делают ВТГ одним из наиболее перспективных гироскопических приборов для использования в бесплатформенных инерциальных системах.

Однако достижение высокой точности ВТГ возможно лишь в случае, если его чувствительный элемент - полусферический резонатор - имеет высокую добротность [Q~(l-2)-10 ] и изотропность. Такой резонатор изготавливается из кварцевого стекла и требует использования ряда новых технологий для достижения необходимых параметров. Хотя для вытачивания такого резонатора можно использовать различные способы обработки кварцевого стекла, хорошо известные в оптической технологии, для получения столь высокого уровня добротности необходимо уменьшить все факторы, приводящие к рассеянию энергии упругих колебаний: потери в собственно кварцевом стекле, его поверхностном слое, металлическом покрытии, на межфазной границе металл/стекло, а также в местах крепления резонатора. Для этого необходимо использовать комплекс специальных технологий и методов: методы измерений характеристик высокодобротных полусферических резонаторов, специальные технологии обработки кварцевого стекла, технологию нанесения металлического покрытия с малой диссипацией, методику балансировки резонатора. Несовершенство этих технологий является основной причиной недостаточно высоких характеристик резонаторов, выпускаемых отечественными предприятиями (РПКБ, МИЭА и др.)

Другим фактором, определяющим широкое внедрение ВТГ, является соотношение цена/качество полусферических резонаторов. Сегодня себестоимость резонаторов ВТГ высока, что связано с использованием ряда прецизионных технологических операций, а также с высоким процентом брака резонаторов (до 90%). Поэтому второй важной проблемой, которую должен решить комплекс специальных технологий, является существенное снижение себестоимости резонатора. Эта проблема может быть решена за счет повышения эффективности технологий, существенного снижения технологического брака, а также за счет рациональной конструкции резонатора ВТГ.

Разработка и внедрение такого комплекса технологий позволит улучшить качество и выход годных изделий, снизить их себестоимость и существенно повысить точность ВТГ, что является важной задачей для народного хозяйства и обороноспособности страны.

Разработка новых технологий ВТГ невозможна без детального понимания природы процессов, определяющих диссипативные характеристики полусферического резонатора. Хотя структура, свойства кварцевого стекла и тонких металлических пленок, а также связанные с ними технологические задачи, были предметом исследования на протяжении многих лет, слабые диссипативные процессы, протекающие в резонаторе, которые по существу и определяют его добротность, малоизучены. Имеющаяся в литературе информация недостаточна и разрознена, и поэтому проведение детальных исследований таких диссипативных процессов создает научно-технологическую основу для разработки недорогих высокодобротных резонаторов ВТГ. Цель работы.

Разработка научно обоснованных технических решений, направленных на создание недорогих высокодобротных полусферических резонаторов

высокоточных волновых твердотельных гироскопов, на основе новых адекватных моделей физических и химических процессов, определяющих параметры качества резонатора.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

выявление основных проблем, решение которых позволяет существенно улучшить точность ВТГ;

оценка качества математических моделей, используемых для расчета собственных частот полусферического резонатора;

усовершенствование методов измерения основных параметров полусферических резонаторов;

установление закономерностей и построение моделей диссипативных процессов в материале резонатора, определяющих его характеристики в рабочей (для ВТГ) области температур и разработка способов уменьшения их интенсивности;

установление закономерностей диссипативных процессов, протекающих в нарушенном слое и разработка химического метода удаления нарушенного слоя;

установление закономерностей диссипативных процессов, связанных с адсорбцией молекул атмосферных газов на кварцевом стекле и тонких пленках и определение условий обезгаживания поверхности;

установление закономерностей диссипативных процессов в тонких металлических пленках, нанесенных на поверхность кварцевого стекла и разработка метода нанесения покрытия с малой диссипацией;

разработка метода уменьшения упруго-массового дисбаланса полусферических резонаторов, балансировочного оборудования и экспериментальная проверка процедуры балансировки.

В итоге проведенных исследований достигнут ряд новых результатов:

разработаны и апробированы новые методы измерения основных

параметров резонаторов ВТГ (добротность, разночастотность,

массовый дисбаланс, низкочастотный спектр собственных частот,

масштабный коэффициент), проанализировано влияние различных

факторов на точность измерений;

измерено внутреннее трение в кварцевых стеклах, используемых для

изготовления резонаторов ВТГ, в области температур -Ю0...+300С,

выявлены слабые диссипативные процессы, связанные со структурой

кварцевого стекла и внутренними напряжениями;

на основе модели дефектообразования в процессе отжига разработана

методика термообработки кварцевого стекла, позволившая впервые

достигнуть рекордной добротности полусферического резонатора

(8.2±0.2>107;

изучены диссипативные процессы в нарушенном поверхностном

слое, образующемся при механической обработке кварцевого стекла и

разработана методика химической обработки поверхности для

удаления нарушенного слоя;

установлено влияние адсорбции атмосферных газов и паров на

поверхности кварцевого стекла и тонких металлических пленок на

добротность резонатора, определены режимы термообработки для

дегидратации поверхности;

на основе результатов исследования внутреннего трения в тонких

металлических пленках разработана технология нанесения

двухкомпонентного металлического покрытия с малой диссипацией;

разработана аппаратура и методика балансирования

полусферического резонатора методом ионного распыления;

на основе исследования внутреннего трения в системе Al-Sc установлен состав сплава с наименьшей диссипацией, пригодный для изготовления металлических резонаторов ВТГ; оценено качество известных математических моделей, используемых для расчета собственных частот резонатора ВТГ, разработана аналитическая модель расчета спектра собственных частот полусферического резонатора. Практическая ценность работы.

Полученные результаты исследований позволили раскрыть механизмы внутреннего трения в кварцевом стекле и тонких металлических пленках и стали основой разработки способов существенного уменьшения внутреннего трения в них. Разработанные технологии термообработки, химической обработки поверхности резонаторов, балансировки и нанесения токопроводящего покрытия внедрены на предприятии НПП «Медикон». Разработанный метод ионной балансировки резонаторов запатентован и лег в основу промышленной установки для балансирования полусферических резонаторов «Микробаланс».

Химическая обработка поверхности, позволяющая удалять нарушенный поверхностный слой стекла была внедрена в НПО «Астрофизика».

Разработанные методы измерений параметров ВТГ и их резонаторов внедрены в Институте проблем механики РАН, Раменском приборостроительном конструкторском бюро, Московском институте электромеханики и автоматики.

Полученные в диссертации результаты по внутреннему трению в сплаве Al-Sc, а также разработанные методы контроля внутреннего трения использованы Всероссийским институтом легких сплавов при выпуске технических условий на сплав АС 0.5 и подготовки его производства.

Использование разработанных технологий признано целесообразным на предприятии «Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский инсіитут технической физики имени академика Е.И.Забабахина» для разработки инерциального приборного оборудования.

Использование полученных в диссеріации результатов не ограничивается только гироскопией, они представляют интерес и для других областей знаний. Так, в настоящее время высокодобротные механические цилиндрические резонаторы из кварцевого стекла используют в качестве чувствительных элементов детекторов гравитационных волн, сооружаемых в рамках международных проектов учеными США, России, Европейского союза и Японии. Досіижение высокой добротности этих элементов связано с решением іех же самых проблем, что и для резонаторов ВТГ. Таким образом, разработанные научно-технологические решения могут быть использованы для решения одной из принципиальных проблем современной физики.

Положения, выносимые на защиту.

1. Установление и экспериментальное подтверждение следующих новых диссипативных эффектов в кварцевом стекле:

взаимосвязь структурной температуры и внутреннею трения;

диссипация, связанная с внутренними напряжениями в сіекле;

диссипация, связанная с поверхностным нарушенным слоем кварцевого стекла;

диссипация, связанная с гидрат ным поверхностным слоем и гидратированием напыленных тонких металлических пленок хрома и золота;

частотная зависимость внутреннего трения и модуля Юнга в кварцевом стекле в диапазоне температур -100...+300С.

  1. Новый метод химической обрабоїки поверхности реюнаюров, позволяющий удалиіь нарушенный слой и повысить добротность резонаторов.

  2. Методика оіжиіа реюнаюров, пошоляющая уменьшиїь внуїреннее ірение в кварцевом сіекле.

  3. Результаты исследования внутреннего трения в тонких металлических пленках, позволившие усіановиїь природу доминирующих неупруїих процессов в юнких пленках и разработанный способ меіаллизации полусферическою реюнаюра путем нанесения двухкомпонентного токопроводящего покрышя на основе золота.

  4. Способ балансировки полусферических реюнаюров по 1-4-й гармоникам массовой) дефекіа.

  5. Комплекс экспериментальных меюдов для измерений харакіерисіик высокодобро і пых полусферических реюнаюров и* кварцевою сіекла, позволивший:

измерить дрейф стоячей волны в BIT и определиІЬ его масштабный коэффициент;

определиіь расщепление собственных часюі и низкочастошый спекірсобсівенньїх часюі полусферическою реюнаюра;

измерить внутреннее ірение в резонаторе в диапазоне темпераіур -100...+300С на нескольких низших модах изіибньїх колебаний;

измерить иарамеїрьі 1-3-й іармоник массовой) дефекіа оболочки полусферическої о резона і ора;

измерить добротность и модуль Юні а чистых кварцевых сіекол в диапазоне температур -Ю0...+300С на частоіах до 60 кГц.

7. Оценка точности расчета низкочастотного спектра собственных частот полусферического резонатора, выполненного с помощью известных математических моделей.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения.

В первой главе рассматривается современный уровень развития ВТГ. Обсуждаются экспериментальные данные, полученные при испытании отечественных и зарубежных ВТГ. Рассматриваются процессы дрейфа стоячей волны и их связь с характеристиками полусферического резонатора. Проанализирована конструкция ВТГ, расссмотрены ее достоинства и недостатки. На основе экспериментальных данных и результатов компьютерного моделирования процессов выявлены основные проблемы, решение которых необходимо для существенного увеличения точности ВТГ и снижения его себестоимости: -повышение характеристик полусферического резонатора, добротность

должна быть на уровне 10 ; разнодобротность - на уровне единиц процентов, остаточное расщепление собственных частот - менее 0.005 Гц; -упрощение конструкции резонатора за счет использования новых технологий производства резонаторов.

Во второй главе описаны методы измерения, в том числе:

внутреннего трения в диапазоне 10'4-г10*8 при температуре от -100 до +300С на частотах 1-4-60 кГц в полусферических и цилиндрических резонаторах;

расщепления собственных частот полусферических резонаторов;

низкочастотного спектра собственных частот полусферических резонаторов;

прецессии стоячей волны в ВТГ.

Рассматривается влияние различных факторов на точность измерения внутреннего трения.

В третьей главе проанализированы диссипативные процессы в материале полусферического резонатора - кварцевом стекле и металлах. Установлены причины, влияющие на добротность кварцевого стекла: примеси, структурная температура, внутренние напряжения. Рассмотрены поверхностные диссипативные процессы в нарушенном поверхностном слое стекла и процессы, связанные с адсорбцией паров атмосферной воды, определены условия дегидратации поверхности. Рассмотрены основные диссипативные процессы в металлах, ограничивающие добротность металлических резонаторов. Приведены полученные данные по внутреннему трению в сплавах Al-Sc, обсуждается возможность их использования для изготовления резонаторов вибрационных гироскопов.

Четвертая глава посвящена вопросам балансировки полусферических резонаторов. Рассмотрена методика измерения 1ч-4-й гармоник массового дефекта оболочки резонатора. Обсуждаются достоинства и недостатки различных способов удаления неуравновешенных масс. Рассмотрена процедура балансировки ионным пучком. Приведены экспериментальные данные, характеризующие возможности данного метода балансировки.

В пятой главе рассмотрены проблемы, возникающие при нанесении металлического покрытия на поверхность полусферического резонатора. Обсуждаются характеристики пленок, наносимых разными методами -вакуумным испарением, магнетронным распылением, химическим и газофазным осаждением. Развита теория внутреннего трения в тонких пленках. Предложен новый метод, позволяющий нанести на резонатор металлическое покрытие с малой диссипацией.

В шестой главе рассмотрены особенности разработки конструкции резонаторов ВТГ, предназначенных для работы в измерительных блоках

инклинометров забойных телеметрических систем, а также резонаторов, работающих в ВТГ с высоким номером моды и с плоским электродным узлом.

Подобные работы
Черных Сергей Петрович
Разработка технологии послеростовой обработки приборов на основе широкозонных полупроводниковых материалов
Алтухов Андрей Александрович
Разработка и исследование физико-технологических принципов создания микроэлектронных устройств на основе планарных многослойных гетероэпитаксиальных структур Si, CaF2 и CoSi2, сформированных методом молекулярно-лучевой эпитаксии
Лунин Борис Сергеевич
Научно-технологические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов
Попова Марина Владимировна
Научно-технологические основы разработки заэвтектических силуминов с регулируемым температурным коэффициентом линейного расширения
Мишаков Виктор Юрьевич
Развитие научно-методических основ разработки и методов исследования антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях
Гурбанязов Оразмухаммед Аширович
Разработка научно-технических основ, создание и опыт эксплуатации низкопотенциальных тепломассообменных гелиотехнологических установок
Мишин Владимир Васильевич
Научно-технические основы и разработка малометаллоемких средств подвижного состава шахтного рельсового транспорта
Блинов Дмитрий Сергеевич
Разработка научно-методических основ расчета и проектирования планетарных роликовинтовых механизмов, имеющих многочисленные избыточные связи
Сатановский Андрей Аркадьевич
Разработка научно-методических основ метрологической аттестации программного обеспечения средств измерений
Черняев Сергей Иванович
Разработка научно-практических основ биотехнологии новых функциональных молочных продуктов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net