Розробка нового двоканального гравіметра для вимірювань прискорення сили тяжіння

It is considered a new dual-channel gravimeter (DG) of the automated aviation gravimetric system (AGS), accuracy and operation speed (fully automated) above is known gravimeters. It is described the principle of the new dual-channel gravimeter, its main advantages over the known gravimeters (no signals of the errors from impact of vertical acceleration and residual nonidentity of construction of two capacitive elements in the output signal of dual-channel gravimeter). It was solved of the problem of filtering the DG output signal from high-frequency noise by setting its own rate fluctuations of 0,1 rad/s, thus avoiding the need for additional low-pass filter in the structure of AGS. Thus, the accuracy of the DG with AGS exceeds all known analogs and allows measuring the acceleration of gravity and its anomalies with an accuracy of 1 mGal.Рассмотрен новый двухканальный гравиметр автоматизированной авиационной гравиметрической системы, точность и быстродействие (полностью автоматизированный) которого выше известных сегодня гравиметров. Описаны принцип действия нового двухканального гравиметра, основные его преимущества над известными гравиметрами (отсутствие в выходном сигнале двухканального гравиметра сигналов ошибок от влияния вертикального ускорения и остаточной неидентичности конструкций двух емкостных элементов).Розглянуто новий двоканальний гравіметр автоматизованої авіаційної гравіметричної системи, точність і швидкодія (повністю автоматизований) якого вище відомих сьогодні гравіметрів. Описано принцип дії нового двоканального гравіметра, основні його переваги над відомими гравіметрами (відсутність у вихідному сигналі двоканального гравіметра сигналів похибок від впливу вертикального прискорення та від залишкової неідентичності конструкцій двох ємнісних елементів)

Розробка нового автоматизованого п’єзогравіметра авіаційної гравіметричної системи

A new automated piezoelectric gravimeter of aviation gravimetric system (AGS), which has higher accuracy (1 mGal) and speed (fully automated) than known to date, is considered in this article. The principle of work of the piezoelectric gravimeter which based on the physical phenomenon of direct piezoelectric effect is described and its mathematical model is derived. It is established that by choosing the design parameters of the piezoelectric sensing element of piezoelectric gravimeter can set its own frequency of 0.1 rad / s and avoid the need for a low-pass filter in automated AGSУ статті розглянуто новий автоматизований п'єзогравіметр авіаційної гравіметричної системи (АГС), який  має більші точність (1 мГал) та швидкодію (повністю автоматизований), ніж відомі на сьогоднішній день. Описано принцип дії п'єзогравіметра, оснований на фізичному явищі прямого п'єзоефекту, та виведено його математичну модель.  Встановлено, що шляхом підбору конструктивних параметрів чутливого елемента п'єзогравіметра можна встановити його власну частоту 0.1 рад/с і уникнути необхідності використовувати фільтр низьких частот у складі автоматизованої АГС

Розрахунок та аналіз статичних похибок двогіроскопного чутливого елемента

New two-gyro sensor is considered. It can be used both in automated aviation gravimetric systems, and as the basic measuring device of weapons stabilizer. The object of research is new two-gyro unit (TGU) on the basis of gyro integrator of linear acceleration (GILA). New TGU consists of free gyroscope located in the inner and outer frames with interframe correction systems containing angle sensor on the axis of inner frame of the gyroscope and torque sensor connected to its output. In addition, free gyroscope that identical to the first is included in the design. Rotor of this gyroscope rotates in the opposite direction from the main gyroscope. Additional gyroscope is also provided by similar correction systems. Two output signals of linear acceleration are formed in TGU as the sum of signals from angle sensors of two gyroscopes. Considered TGU provides higher accuracy than single-gyro sensor due to compensation of the errors because of the impact of cross angular velocity and the angular velocity of the Earth.Рассмотрен новый двухгироскопический чувствительный элемент, который может быть использован в составе автоматизированных авиационных гравиметрических систем и как основной измерительный прибор стабилизаторов вооружения. Определены и проанализированы уравнения движения и статические погрешности одногироскопического и двухгироскопического приборов. Установлены основные преимущества нового разработанного прибора над существующими аналогами.Розглянуто новий двогіроскопний чутливий елемент, який може бути використаний як у складі автоматизованих авіаційних гравіметричних систем, так і як основний вимірювальний пристрій стабілізаторів озброєння. Визначено та проаналізовано рівняння руху та статичні похибки одногіроскопного та двогіроскопного приладів. Встановлено основні переваги нового розробленого приладу над існуючими аналогами

Overview of the technologies used in the fabrication of MEMS/NEMS actuators for space applications

Given the advantages in terms of weight, size and cost and because it can withstand severe shocks and temperature changes, the MEMS/NEMS sensors are widely used in the aerospace domain. This paper presents a brief history of the scientists who made reference to micro and nano technologies for the first time, followed by a synthesis of the leading technologies used in the manufacture of microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS) intensively used in aerospace industry. After reviewing the latest technologies used in the manufacture of MEMS/NEMS sensors, the paper continues with predicting the current state regarding the development of NEMS and MEMS, respectively

Development of a low damping MEMS resonator

MEMS based low damping inertial resonators are the key element in the development of precision vibratory gyroscopes. High quality factor (Q factor) is a crucial parameter for the development of high precision inertial resonators. Q factor indicates how efficient a resonator is at retaining its energy during oscillations. Q factor can be limited by different types of energy losses, such as anchor damping, squeeze-film damping, and thermoelastic damping (TED). Understanding the energy loss-mechanism can show a path for designing high Q resonator. This thesis explores the effects of different design parameters on Q factor of 3D inertial resonators. TED loss mechanisms in a 3D non-inverted wineglass (hemispherical) shell resonator and a disk resonator were investigated. Both the disk and shell share the same vibration modes, and they are widely used as a vibratory resonator shape. Investigation with loss-mechanism shows that robust mechanical materials such as fused silica can offer ultra-low damping during oscillation. TED loss resulting from the effects of geometric parameters (such as thickness, height, and radius), mass imbalance, thickness non-uniformity, and edge defects were investigated. Glassblowing was used to fabricate hemispherical 3D shell resonators and conventional silicon based dry etching was used to fabricate micro disk resonators. The results presented in this thesis can facilitate selecting efficient geometric and material properties for achieving a higher Q-factor in 3D inertial resonators. Enhancing the Q-factor in MEMS based 3D resonators can further enable the development of high precision resonators and gyroscopes

Вібраційний чутливий елемент стабілізатора озброєння

В даній магістерській роботі розглянуто інформацію про різні види акселерометрів, які використовуються при конструюванні системи стабілізації, а також детально розглянуто принцип роботи, конструкцію струнного акселерометра, який використовується як вібраційний чутливий елемент стабілізатора озброєння. Проведено розрахунок та аналіз кожного елемента структурної схеми датчика, знайдено величини похибок та запропоновано методи їх мінімізації, розроблено математичну модель чутливого елементу, проведено розрахунки технологічності та розроблено стартап проект.This master's thesis deals with the information about different types of accelerometers used in the design of the stabilization system, and also discusses in detail the principle of operation, the design of a string accelerometer, which is used as a vibrating sensing element weapon stabilizer. The calculation and analysis of each element of the sensor circuit is found, the magnitudes of errors are found and the methods of their minimization are proposed, the mathematical model of the sensitive element is developed, the manufacturability calculations are made and the startup project is developed.В данной магистерской работе рассмотрена информация о различных видах акселерометров, которые используются при конструировании системы стабилизации, а также подробно рассмотрен принцип работы, конструкцию струнного акселерометра, который используется как вибрационный чувствительный элемент стабилизатора вооружения. Проведен расчет и анализ каждого элемента структурной схемы датчика, найдено величины погрешностей и предложены методы их минимизации, разработана математическая модель чувствительного элемента, проведены расчеты технологичности и разработаны стартап проект

Intrinsic stress-induced self-assembly of multilayer thin films for fabrication of three-dimensional micro devices

This work reports on the process technology development for fabrication of three-dimensional (3D), on-chip micro devices based on self-assembly using intrinsic stresses otherwise referred to as residual or internal stresses in thin films. Stress-induced bending in different cantilever designs were modelled at various film thicknesses using finite element analysis (FEA) method and bending conditions were optimized. Intrinsic stress-induced bending mechanism is verified by fabrication of bi-layer metallic micro cantilever structures with varying stress conditions which reach bending angles of up to 137° and possibly more upon release. By modulating the loading mode (tensile or compressive) along the beam length, complex out-of-plane wavy cantilevers with multiple upward and/or downward bends were realized. The fabrication and modelling results display large overlap which further demonstrates the applicability of intrinsic stress-induced bending as a controllable technology towards fabrication of out-of-plane 3D micro components. Additionally, as a potential application to RF-MEMS inductors, stress-induced self-assembly of thin films into single and multiple-turn vertical inductors with ring and spiral geometry was investigated, and performance improvement was verified using coupled multi-physics simulation tools. Structures after transverse bending display higher Q factor and self-resonance frequency (fSR) as compared to inductor configurations in planar geometry with the same turn-density. Simulation results indicate that, performance increase of approximately 100% in both Q factor and resonance frequency can be achieved for ring and spiral inductors

Algoritmo de Calibração de Magnetômetros Triaxiais Utilizando Ajuste de Quádrica por Distância Algébrica

As medidas obtidas de sensores de campo magnético são sensíveis a perturbações e erros, sendo necessário um método de calibração que pode melhorar consideravelmente sua precisão. O ajuste de elipsoides é um dos métodos mais utilizados para calibração de magnetômetros, porém a maioria dos algoritmos utiliza métodos iterativos, causando problemas de tempo de execução e convergência. Como alternativa, propõe-se um algoritmo direto de cálculo dos parâmetros de calibração utilizando o método dos mínimos quadrados com a métrica de distância algébrica. O presente trabalho apresenta um algoritmo de calibração de magnetômetros e a sua utilização em um sistema de calibração e fusão de dados de magnetômetros, acelerômetros e giroscópios baseado em um filtro de Kalman formando um sensor inercial capaz de obter sua orientação no espaço. As simulações computacionais e testes com dados reais mostram que o algoritmo de calibração elimina quase a totalidade dos erros lineares, enquanto executa muito mais rápido que os algoritmos tradicionais encontrados na literatura. As medições de um magnetômetro calibrado com o algoritmo proposto são utilizadas em conjunto com medições provenientes de acelerômetros e giroscópios para formar uma unidade de medição inercial (IMU) usando um filtro de Kalman simples. O sistema completo funcionou como esperado e os resultados dos testes indicam que o algoritmo de calibração de magnetômetros é adequado para utilização em uma IMU, sendo mais de dez vezes mais rápido que os algoritmos tradicionais e apresentando precisão similar

Вдосконалення методів компенсації похибок мікромеханічних гіроскопів

Актуальність. Останні роки все більш широкого поширення набули гіроскопи, засновані на мікроелектромеханічних системах (МЕМС), популярність яких обумовлюється, в першу чергу, малими габаритами, низьким енергоспоживанням і низькою вартістю. Вони знайшли застосування в областях керування рухомими об’єктами (автомобілі, авіація, ракети), в системах навігації, машинобудуванні та вимірювальній техніці, геологорозвідувальній апаратурі, робототехніці. Проте виникли проблеми їх використання при роботі в реальних умовах (вібрація, удари, акустичні впливи, зміна температури). Зберігання високих точностних характеристик в широкому діапазоні кутових швидкостей при жорстких механічних і температурних впливах в наш час являється однією з основних цілей при проектуванні мікромеханічних гіроскопів. Магістерська дисертація виконана відповідно до основних напрямків наукових досліджень кафедри. Мета магістерської дисертації: підвищення точності та завадостійкості мікромеханічного гіроскопа RR-типу при дії широкосмугової вібрації, мінімізація впливу дії прискорень на вихідний сигнал. Завдання: 1. Характеристика областей застосування ММГ. 2. Огляд сучасного стану розробок мікромеханічних датчиків кутової швидкості. 3. Опис та порівняльний аналіз впливу основних збурюючих факторів. 4. Опис варіантів системи керування первинними коливаннями. 5. Детальний аналіз хибних деформацій та прогинів чутливого елементу під дією зміни температури та вібрації. 6. Опис математичної моделі. 7. Створення імітаційної Simulink-моделі. Дослідження основних режимів роботи для ідеального ММГ, впливу прискорення на точність датчика. Дослідження впливу розузгодження частот інерційного тіла та рухомих елементів. 8. Розробка способів/методик для зменшення впливу вібрації. Моделювання запропонованих рішень. Об’єкт: мікромеханічний гіроскоп RR-типу. Предмет: підвищення точності та завадостійкості мікромеханічного гіроскопа RR-типу при дії широкосмугової вібрації, мінімізація впливу дії прискорень на вихідний сигнал. Методи дослідження: для розвязку поставленої задачі в роботі застосовано синхронний детектор, реалізований в програмному забезпеченні «Solid Works» для усунення високочастотної складової вторинних коливань ММГ. Наукова новизна: 1. Розроблено структурну та конструктивно-кінематичну схему двох-масового гіроскопа RR-типу з рухомими електродами з підвищеною стійкістю до дії лінійного прискорення. 2. Розроблено імітаційну модель двохмасового гіроскопа RR-типу. Практичне значення: розроблено Simulink-модель та Matlab-модель одномасового ММГ RR-типу; розроблено Simulink-модель та Matlab-модель двохмасового ММГ RR-типу; розроблено алгоритмічне забезпечення для демодуляції амплітудно-модульованого сигналу для аналізу інформаційних (вторинних) коливань. Апробація результатів дисертації (виступи на науково технічних конференціях): 1. XI Всеукраїнська науково-практична конференція студентів та аспірантів «Погляд у майбутнє приладобудування», Київ, 2018.Topicality. In recent years, gyroscopes based on microelectromechanical systems (MEMS) have become increasingly widespread, the popularity of which is primarily due to small dimensions, low power consumption and low cost. They have found application in areas of management of moving objects (cars, aviation, rockets), in navigation systems, engineering and measuring technology, geological survey equipment, robotics. However, there are problems with their use when working in real conditions (vibration, blows, acoustic effects, temperature change). The storage of high precision characteristics in a wide range of angular velocities under severe mechanical and temporal influences in our time is one of the main goals in the production of micromechanical gyroscopes. The master's thesis is executed according to the main directions of scientific research of the department. The purpose of the master's thesis: increase of accuracy and noise immunity of a micromechanical gyroscope RR-type under the influence of broadband vibration, minimization of influence of accelerations on the output signal. Task: 1. Characterization of application areas of MMG. 2. An overview of the current state of development of micromechanical gauge speeds. 3. Description and comparative analysis of the influence of the main perturbing factors. 4. Description of the options of the control system of primary oscillations. 5. Detailed analysis of false deformations and deflections of a sensitive element under the influence of changes in temperature and vibration. 6. Description of the mathematical model. 7. Creating an Simulink Simulation Model. Study of the basic modes of operation for the ideal MMG, the influence of acceleration on the accuracy of the sensor. Investigation of the influence of the discrepancy between the frequencies of the inertial body and the moving elements. 8. Development of methods / techniques for reducing the impact of vibration. Simulation of proposed solutions. Object: micromechanical gyroscope RR-type. Subject: Improvement of precision and noise immunity of the micromechanical gyroscope of RR-type under the influence of broadband vibration, minimization of the effect of accelerations on the output signal. Research methods: to solve the problem, a synchronous detector implemented in the Solid Works software to eliminate the high-frequency component of the secondary quantum MMG was used in the work. Scientific novelty: algorithmic support with increased noise immunity for MM-type RR-type, which can also be used for stabilization and orientation systems, has been developed. Practical significance: the algorithmic support with a raised impedance for MMG RR-type, which can also be used for stabilization and orientation systems, has been developed. Approbation of the results of the dissertation (presentations at scientific and technical conferences): 1. XI All-Ukrainian Scientific and Practical Conference of Students and Postgraduates "A View to the Future of Instrumentation", Kyiv, 2018