Підвищення ефективності методу балансування чутливого елементу коріолісового вібраційного гіроскопа шляхом автоматизації процедур вимірювання

У даній роботі розглянуто існуючий метод вимірювання параметрів дебалансу металевого резонатору чутливого елементу коріолісового вібраційного гіроскопа. Проаналізовано чинники які впливають на точність вимірювання та запропоновано метод автоматизації процесу вимірювання

Experimental investigation of the maximum quality factor axes temperature deviation in metallic coriolis vibratory gyroscopes resonator

A metallic cylindrical resonator is a well known base detail of the significant part of Coriolis vibratory gyroscopes (CVG) [1] including a MEMS gyro. It own parameters just after mechanical manufacture in main are determine an advisability of further utilize and the future gyroscope accuracy potential. Initial testing CVG resonators directly after their manufacture often done using the optical method [2, 3] or acoustic method [4, 5]. Unfortunately investigated manufacture quality of the resonators by using acoustic method not very well describe in scientific literature. A paper presents the results of some extension acoustic investigations of the metallic CVG resonators. This result describes the behavior of maximum quality factor (Q factor) axes and own resonant frequencies axes under stabilized temperature step influences and can be used in prediction for CVG bias minimization during it works in temperature range.Металевий циліндричний резонатор є загальновідомою базовою деталлю значної частини вібраційних гіроскопів Коріоліса (CVG) [1], у тому числі гіроскопа MEMS. Його власні параметри відразу після механічного виготовлення в основному визначають доцільність подальшого використання та майбутній потенціал точності гіроскопа. Початкові випробування CVG резонаторів безпосередньо після їх виготовлення часто проводять оптичним методом [2, 3] або акустичним методом [4, 5]. На жаль, досліджена якість виготовлення резонаторів за допомогою акустичного методу не дуже добре описана в науковій літературі. У статті представлено результати деяких розширених акустичних досліджень металевих CVG резонаторів. Цей результат описує поведінку осей максимального коефіцієнта якості (Q фактор) і осей власних резонансних частот під впливом стабілізованих температурних кроків і може бути використаний для прогнозування для мінімізації зміщення CVG під час його роботи в діапазоні температур

Optical and Electrical Method Characterizing the Dynamic Behavior of the Fused Silica Cylindrical Resonator

Fused silica cylindrical resonant gyroscope (CRG) is a novel high-precision solid-wave gyroscope, whose performance is primarily determined by the cylindrical resonator’s frequency split and quality factor (Q factor). The laser Doppler vibrometer (LDV) is extensively used to measure the dynamic behavior of fused silica cylindrical resonators. An electrical method was proposed to characterize the dynamic behavior of the cylindrical resonator to enhance the measurement efficiency and decrease the equipment cost. With the data acquisition system and the designed signal analysis program based on LabVIEW software, the dynamic behavior of the fused silica cylindrical resonator can be analyzed automatically and quickly. We compared all the electrical measurement results with the optical detection by LDV, demonstrating that the fast Fourier transform (FFT) result of the resonant frequency measured by the electrical method was 0.12 Hz higher than that with the optical method. Thus, the frequency split measured by the electrical and optical methods was the same in 0.18 Hz, and the measurement of the Q factor was basically the same in 730,000. We conducted all measurements under the same operation condition, and the optical method was used as a reference, demonstrating that the electrical method could characterize the dynamic behavior of the fused silica cylindrical resonator and enhance the measurement efficiency

Damping of piezoelectric MEMS oscillators – fundamentals and applications

A limiting parameter for the performance of micromechanical oscillators is the damping induced by the surrounding medium. In this work, the damping losses of micromechanical oscillators with piezoelectric actuation and detection are investigated in nine different gas atmospheres over a pressure range of six decades. In addition, the influence of the distance to a spatial boundary is examined, covering a range from narrow gaps with squeeze film damping to an almost freely oscillating structure. This reveals a superposition of four different damping mechanisms, which occur in varying strength depending on pressure, distance and eigenmode. Using an analytical approach, the individual damping phenomena can be separated from each other and subsequently evaluated in a targeted manner. Based on these results, new insights are gained for the molecular flow regime as well as the transitional flow regime, which include the impact of the number of active degrees of freedom of the gas molecules as well as thermal resonance effects. In addition, an electrical equivalent circuit was designed for the entire measurement range, which shows very good agreement with the experimental data. Finally, the damping effects are exploited for applications in sensor technology and a wide range pressure sensor using the nonlinear regime of the oscillators as well as a concept for the measurement of the oxygen concentration are presented.Eine für die Leistungsfähigkeit mikromechanischer Oszillatoren limitierende Größe stellt die Dämpfung durch das umgebende Medium dar. In dieser Arbeit werden daher die Dämpfungsverluste mikromechanischer Oszillatoren mit piezoelektrischer Anregung und Detektion in neun verschiedenen Gasatmosphären über einen Druckbereich von sechs Dekaden untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss des Abstandes zu einer räumlichen Begrenzung betrachtet und dabei ein Bereich von engen Spalten mit Squeeze Film Dämpfung bis hin zu fast frei schwingenden Strukturen untersucht. Dabei ergibt sich eine Überlagerung von vier verschiedenen Dämpfungsmechanismen, welche in Abhängigkeit von Druck, Abstand und Eigenmode in unterschiedlich starker Ausprägung auftreten. Durch einen analytischen Ansatz lassen sich die einzelnen Dämpfungsphänomene voneinander separieren und in der Folge gezielt auswerten. Anhand dieser Ergebnisse wurden für den molekularen sowie den Übergangsbereich neue Erkenntnisse gewonnen, welche die Anzahl aktiver Freiheitsgrade der Gasmoleküle sowie thermische Resonanzeffekte miteinbeziehen. Darüber hinaus wurde für den gesamten Messbereich ein elektrisches Ersatzschaltbild konzipiert, das eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten zeigt. Abschließend werden die Dämpfungseffekte für Anwendungen in der Sensorik erschlossen und ein Mehrbereichsdrucksensor mit Hilfe des nichtlinearen Bereichs der Oszillatoren sowie ein Konzept zur Messung des Sauerstoffgehaltes präsentiert.German Research Foundation (DFG