APLICACIONES

Puntos claveProducto: Sistema de navegación inercial puro (INS) basado en IMUCaracterísticas clave:Componentes: Utiliza acelerómetros y giroscopios MEMS para medir en tiempo real la aceleración y la velocidad angular.Función: Integra datos de posición y actitud iniciales con mediciones de IMU para calcular la posición y actitud en tiempo real.Aplicaciones: Ideal para navegación en interiores, aeroespacial, sistemas autónomos y robótica.Desafíos: aborda errores de sensores, deriva acumulativa e impactos ambientales dinámicos con métodos de calibración y filtrado.Conclusión: Proporciona un posicionamiento preciso en entornos desafiantes, con un rendimiento sólido cuando se combina con sistemas de posicionamiento auxiliares como el GPS. El giroscopio MEMS depende de la velocidad angular sensible a la fuerza de Coriolis y su sistema de control se divide en un bucle de control del modo de conducción y un bucle de control del modo de detección. Sólo garantizando el seguimiento en tiempo real de la amplitud de vibración del modo de accionamiento y la frecuencia de resonancia puede la demodulación del canal de detección obtener información precisa de la velocidad angular de entrada. Este artículo analizará el bucle de control del modo de conducción del giroscopio MEMS desde muchos aspectos.Modelo de bucle de control modal de conducciónEl desplazamiento de vibración del modo de accionamiento del giroscopio MEMS se convierte en cambio de capacitancia a través de la estructura de detección del condensador de peine, y luego la capacitancia se convierte en la señal de voltaje que caracteriza el desplazamiento del accionamiento del giroscopio a través del circuito de diodo en anillo. Después de eso, la señal ingresará a dos ramas respectivamente, una señal a través del módulo de control automático de ganancia (AGC) para lograr el control de amplitud, una señal a través del módulo de bucle bloqueado de fase (PLL) para lograr el control de fase. En el módulo AGC, la amplitud de la señal de desplazamiento del variador se demodula primero mediante multiplicación y filtro de paso bajo, y luego la amplitud se controla al valor de referencia establecido a través del enlace PI y se emite la señal de control de la amplitud del variador. La señal de referencia utilizada para la demodulación por multiplicación en el módulo PLL es ortogonal a la señal de referencia de demodulación utilizada en el módulo AGC. Después de que la señal pasa a través del módulo PLL, se puede rastrear la frecuencia resonante del giroscopio. La salida del módulo es la señal de control de la fase de conducción. Las dos señales de control se multiplican para generar el voltaje de accionamiento del giroscopio, que se aplica al peine de accionamiento y se convierte en fuerza impulsora electrostática para activar el modo de accionamiento del giroscopio, para formar un circuito de control de circuito cerrado del modo de accionamiento del giroscopio. La Figura 1 muestra el bucle de control del modo de conducción de un giroscopio MEMS.Figura 1. Diagrama de bloques de la estructura de control del modo de accionamiento del giroscopio MEMSFunción de transferencia modal de conducciónSegún la ecuación dinámica del modo de conducción del giroscopio MEMS vibratorio, la función de transferencia de dominio continuo se puede obtener mediante la transformada de Laplace:Donde, mx es la masa equivalente del modo de manejo del giroscopio, ωx=√kx/mx es la frecuencia de resonancia del modo de manejo y Qx = mxωx/cx es el factor de calidad del modo de manejo.Enlace de conversión de desplazamiento-capacitanciaSegún el análisis de la capacitancia de detección de los dientes del peine, el vínculo de conversión desplazamiento-capacitancia es lineal cuando se ignora el efecto de borde, y la ganancia de la capacitancia diferencial que cambia con el desplazamiento se puede expresar como:Donde, nx es el número de peines activos accionados por el modo giroscópico, ε0 es la constante dieléctrica de vacío, hx es el espesor de los peines de detección de conducción, lx es la longitud de superposición de los peines de detección de conducción activos y fijos en reposo, y dx es la distancia entre los dientes.Enlace de conversión de capacitancia-voltajeEl circuito de conversión de voltaje de capacitor utilizado en este artículo es un circuito de diodo en anillo y su diagrama esquemático se muestra en la Figura 2.Figura 2 Diagrama esquemático del circuito de diodo en anillo.En la figura, C1 y C2 son condensadores de detección diferencial de giroscopio, C3 y C4 son condensadores de demodulación y Vca son amplitudes de onda cuadrada. El principio de funcionamiento es: cuando la onda cuadrada está en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 se encienden, luego el condensador C1 carga C4 y C2 carga C3; Cuando la onda cuadrada está en un medio período positivo, los diodos D1 y D3 se encienden, luego el capacitor C1 se descarga en C3 y C2 se descarga en C4. De esta forma, después de varios ciclos de onda cuadrada, la tensión en los condensadores demodulados C3 y C4 se estabilizará. Su expresión de voltaje es:Para el giroscopio micromecánico de silicio estudiado en este artículo, su capacitancia estática es del orden de varios pF y la variación de capacitancia es inferior a 0,5 pF, mientras que la capacitancia de demodulación utilizada en el circuito es del orden de 100 pF, por lo que hay CC0》∆C y C2》∆C2, y la ganancia de conversión de voltaje del capacitor se obtiene mediante una fórmula simplificada:Donde, Kpa es el factor de amplificación del amplificador diferencial, C0 es la capacitancia de demodulación, C es la capacitancia estática de la capacitancia de detección, Vca es la amplitud de la portadora y VD es la caída de voltaje del diodo.Enlace de conversión de capacitancia-voltajeEl control de fase es una parte importante del control del accionamiento del giroscopio MEMS. La tecnología de bucle de bloqueo de fase puede rastrear el cambio de frecuencia de la señal de entrada en su banda de frecuencia capturada y bloquear el cambio de fase. Por lo tanto, este artículo utiliza la tecnología de bucle de bloqueo de fase para ingresar al control de fase del giroscopio, y su diagrama de bloques de estructura básica se muestra en la Figura 3.Cifra. 3 Diagrama de bloques de la estructura básica de PLL.PLL es un sistema de regulación automática de fase de retroalimentación negativa, su principio de funcionamiento se puede resumir de la siguiente manera: La señal de entrada externa ui(t) y la señal de retroalimentación uo(t) de salida del VCO se ingresan al discriminador de fase al mismo tiempo para complete la comparación de fase de las dos señales, y el extremo de salida del discriminador de fase genera una señal de voltaje de error ud(t) que refleja la diferencia de fase θe(t) de las dos señales; La señal a través del filtro de bucle filtrará los componentes de alta frecuencia y el ruido, obtendrá un oscilador de control de voltaje uc(t), el oscilador de control de voltaje ajustará la frecuencia de la señal de salida de acuerdo con este voltaje de control, de modo que se acerque gradualmente. a la frecuencia de la señal de entrada y la señal de salida final uo (t). Cuando la frecuencia de ui (t) es igual a uo (t) o un valor estable, el bucle alcanza un estado bloqueado.Control automático de gananciaEl control automático de ganancia (AGC) es un sistema de retroalimentación negativa de bucle cerrado con control de amplitud que, combinado con un bucle de bloqueo de fase, proporciona vibración estable en amplitud y fase para el modo de accionamiento del giroscopio. Su diagrama de estructura se muestra en la Figura 4.Figura 4. Diagrama de bloques de la estructura de control automático de gananciaEl principio de funcionamiento del control automático de ganancia se puede resumir de la siguiente manera: la señal ui(t) con la información de desplazamiento del impulsor del giroscopio se ingresa al enlace de detección de amplitud, la señal de amplitud de desplazamiento del impulsor se extrae mediante demodulación multiplicativa y luego la señal de alta frecuencia los componentes y el ruido se filtran mediante un filtro de paso bajo; En este momento, la señal es una señal de voltaje CC relativamente pura que caracteriza el desplazamiento del variador, y luego controla la señal en el valor de referencia dado a través de un enlace PI, y emite la señal eléctrica ua(t) que controla la amplitud del variador para completarse. el control de amplitud.ConclusiónEn este artículo, se presenta el bucle de control del modo de conducción del giroscopio MEMS, incluido el modelo, la conversión de capacitancia de desbloqueo, la conversión de capacitancia-voltaje, el bucle de bloqueo de fase y el control automático de ganancia. Como fabricante de sensores giroscópicos MEMS, Micro-Magic Inc ha realizado una investigación detallada sobre los giroscopios MEMS y, a menudo, ha popularizado y compartido el conocimiento relevante sobre los giroscopios MEMS. Para una comprensión más profunda del giroscopio MEMS, puede consultar los parámetros de MG-501 y MG1001.Si está interesado en obtener más conocimientos y productos de MEMS, contáctenos. MG502Giroscopio MEMS MG502   

Puntos clave**Producto:** Giroscopio MEMS para instrumentos inerciales**Características:**– **Materiales:** Aleaciones metálicas, materiales funcionales, polímeros orgánicos, no metales inorgánicos.– **Influyentes en la estabilidad:** Defectos microscópicos, tamaño de grano, textura, tensión interna– **Impacto ambiental:** Rendimiento afectado por sobrecarga, vibración y ciclos de temperatura– **Regulación de la microestructura:** Uso de compuestos de SiC/Al para reducir la densidad de dislocaciones y mejorar la resistencia.**Ventajas:** Mejora la precisión y la estabilidad a largo plazo, el control de microestructura personalizado garantiza la confiabilidad en condiciones variables, crucial para aplicaciones en el sector aeroespacial y de registro de precisión.En los últimos años, con el rápido desarrollo de la extracción de petróleo, la industria aeroespacial, la minería, la topografía y la cartografía y otros campos, la precisión y la estabilidad a largo plazo de instrumentos de precisión como el giroscopio MEMS se han vuelto cada vez más urgentes. Los estudios han demostrado que la inestabilidad dimensional de los materiales es una de las principales razones de la mala precisión y estabilidad de los instrumentos inerciales. La estabilidad dimensional es diferente de la expansión térmica o el rendimiento del ciclo térmico; es el principal índice de rendimiento de los materiales de piezas mecánicas de precisión y se refiere a la capacidad de las piezas para mantener su tamaño y forma originales en un entorno específico.Material de instrumento inercial basado en giroscopio MEMSHay cuatro tipos principales de materiales componentes de instrumentos inerciales, uno es el metal (como aluminio y aleaciones de aluminio, acero inoxidable, cobre y aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, berilio, oro, etc.) y sus materiales compuestos; En segundo lugar, materiales funcionales (como aleaciones magnéticas blandas de hierro y níquel, aleaciones magnéticas duras de samario y cobalto, aleaciones magnéticas duras de al-níquel y cobalto, etc.); En tercer lugar, los polímeros orgánicos (como politetrafluoroetileno, caucho, resina epoxi, etc.); El cuarto son los no metales inorgánicos (como el vidrio de cuarzo, las cerámicas procesables, etc.), de los cuales la mayor cantidad es el metal y sus materiales compuestos.En los últimos años, hemos logrado avances en la fabricación de mecanizado de alta precisión y tecnología de ensamblaje baja/libre de tensión, pero todavía encontramos que después de la entrega del instrumento, hay una lenta deriva en la precisión y no podemos lograr una estabilidad a largo plazo. De hecho, una vez determinado el diseño estructural, el procesamiento de las piezas y el proceso de ensamblaje, la estabilidad a largo plazo de la precisión del instrumento depende de las características intrínsecas del material.Las propiedades intrínsecas del material (como defectos microscópicos, segunda fase, tamaño de grano, textura, etc.) afectan directamente a la estabilidad dimensional del material. Además, el material del instrumento también sufrirá cambios dimensionales irreversibles bajo la interacción con el entorno externo (campo de tensión, campo de temperatura y tiempo, etc.). La Figura 1 muestra la relación entre la precisión del instrumento inercial y las condiciones de servicio, la microestructura del material y el cambio de tamaño. Tomando como ejemplo el giroscopio MEMS, sus condiciones de trabajo y entorno de almacenamiento tienen un impacto en la estabilidad dimensional del material. Incluso si el giroscopio MEMS tiene un sistema de control de temperatura, si la microestructura del material en sí es inestable, hay una segunda fase metaestable o hay tensión residual macro/micro durante el ensamblaje, la precisión del instrumento variará.Figura 1 La relación entre la precisión de los instrumentos inerciales, las condiciones de servicio, la microestructura y los cambios dimensionales.Factores que influyen en el cambio material.Las propiedades intrínsecas de los materiales de giroscopio MEMS incluyen principalmente defectos microscópicos, segunda fase, grano, textura y tensión interna, etc. Los factores ambientales externos interactúan principalmente con las propiedades intrínsecas para provocar cambios dimensionales.1. Densidad y morfología de defectos microscópicos.Los defectos microscópicos en metales y aleaciones incluyen vacantes, dislocaciones, maclas y límites de grano, etc. La dislocación es la forma más típica de defecto microscópico, que se refiere a los defectos formados por la disposición irregular de los átomos en cristales dispuestos regularmente, como la ausencia o el aumento. del semiplano atómico de dislocación de bordes. Debido a que la dislocación introduce volumen libre en cristales perfectos, se provocan cambios de tamaño del material, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, en el caso del mismo número de átomos, la existencia de dislocación hace que aparezca el volumen libre alrededor de los átomos, lo que se refleja en el aumento del tamaño de la aleación.Figura 2 Esquema del efecto de la densidad de defectos microscópicos en materiales sobre la dimensión del material.2. Influencia de la veta y la textura en la estabilidadLa relación entre la deformación ε del metal o aleación bajo la tensión aplicada σ y el tamaño de grano d del material, la densidad ρ de la dislocación móvil, la tensión σ0 requerida para que comience la primera dislocación y el módulo de corte G de la material se deriva:De la fórmula se puede ver que el refinamiento del grano puede reducir la tensión generada, que también es la dirección rectora de la regulación de la microestructura en el proceso de estabilización.Además, en la producción real, cuando se utilizan barras extruidas y placas laminadas para procesar componentes de instrumentos de precisión, también es necesario prestar atención a la anisotropía del material, como se muestra en la Figura 3. Tomando como ejemplo la aleación 2024Al para marco giroscópico mecánico. , el marco de la figura 3(a) generalmente adopta una barra de aleación de aluminio 2024 extruida. Debido a una gran deformación plástica, los granos mostrarán una orientación preferencial para formar textura, como se muestra en las figuras 3(b) y (c), la textura se refiere al estado en el que la orientación cristalina del material policristalino se desvía significativamente de la distribución aleatoria.Figura 3 Microestructura de una varilla de aleación de 2024Al para marcos de giroscopio mecánicoProductos en el artículo3. La influencia del medio ambiente en la estabilidad dimensional de los materiales. En general, los instrumentos inerciales necesitan mantener una estabilidad de precisión a largo plazo en condiciones como grandes sobrecargas, vibraciones y golpes, y ciclos de temperatura, lo que plantea requisitos de estabilización más exigentes para la microestructura y las propiedades de los materiales. Tomando como ejemplo los compuestos de SiC/2024Al de grado instrumental, la estabilidad dimensional a largo plazo se logra con el proceso de estabilización en la fabricación de estructuras de instrumentos inerciales. Los resultados muestran que la amplitud del cambio de tamaño (~ 1,5×10-4) causada por el proceso de mantenimiento de temperatura constante del compuesto de SiC/aluminio puro (sólo la tensión interna influye en el cambio de tamaño) es mayor que la de la aleación de aluminio. proceso de mantenimiento de temperatura constante (solo la precipitación del envejecimiento influye en el cambio de tamaño) (~ -0,8×10-4). Cuando la matriz se convierte en aleación de Al, el efecto de la tensión interna del compuesto sobre el cambio dimensional se amplificará aún más, como se muestra en la Figura 4. Además, en diferentes entornos de servicio, la tendencia del cambio de tensión interna del mismo material es diferente. , e incluso se mostrará la tendencia de cambio de tamaño opuesta. Por ejemplo, los compuestos de SiC/2024Al producen liberación de tensión de compresión a una temperatura constante de 190 °C y el tamaño aumenta, mientras que la liberación de tensión de tracción se produce con 500 choques fríos y calientes a -196 ~ 190 °C y el tamaño disminuye.Por lo tanto, al diseñar y utilizar compuestos de matriz de aluminio, es necesario verificar completamente su carga de temperatura de servicio, estado de tensión inicial y el tipo de material de matriz. En la actualidad, la idea de diseño del proceso basada en la estabilización de tensiones es llevar a cabo choques térmicos y fríos que cubran su rango de temperatura de servicio, liberar tensiones internas, formar una gran cantidad de estructuras de dislocación estables dentro del material compuesto y promover una gran cantidad de precipitación secundaria. .Figura 4 Cambios dimensionales en aleaciones y compuestos de aluminio durante el envejecimiento a temperatura constanteMedidas para mejorar la estabilidad dimensional de los componentes.1. Regulación y optimización de microdefectosLa selección de un nuevo sistema de materiales es una forma eficaz de controlar los microdefectos. Por ejemplo, el uso de compuestos de SiC/Al de grado instrumental, partículas cerámicas de SiC para fijar la dislocación en la matriz de aluminio, reducir la densidad de la dislocación móvil o cambiar el tipo de defecto en el metal. Tomando como ejemplo los compuestos de SiC/Al, la investigación muestra que cuando la distancia promedio entre las partículas cerámicas en los compuestos se reduce a 250 nm, se puede preparar el compuesto con falla de capa y el límite elástico del compuesto con falla de capa es 50 % mayor que el del compuesto sin falla de capa, como se muestra en la Figura 5.Figura 5 Dos tipos de morfología de materiales compuestos.Cabe señalar que al desarrollar la ruta del proceso de control organizacional, también es necesario seleccionar el sistema de materiales apropiado y los parámetros del proceso de frío y choque térmico en combinación con las condiciones de estrés y el rango de temperatura de trabajo del entorno de servicio del instrumento inercial. En el pasado, la selección del sistema de materiales y los parámetros del proceso se basaba en la experiencia y una gran cantidad de datos de rendimiento, lo que resultaba en una base teórica insuficiente para el diseño del proceso debido a la falta de soporte de microestructura. En los últimos años, con el desarrollo continuo de la tecnología de pruebas analíticas, se puede lograr una evaluación cuantitativa o semicuantitativa de la densidad y morfología de los defectos microscópicos mediante un difractómetro de rayos X, un microscopio electrónico de barrido y un microscopio electrónico de transmisión, que proporciona soporte técnico para el material. optimización del sistema y cribado de procesos. 2. Regulación de veta y textura El efecto de la textura sobre la estabilidad dimensional es la anisotropía que provoca el cambio dimensional. Como se mencionó anteriormente, el marco del giroscopio MEMS tiene requisitos verticales extremadamente estrictos en la dirección axial y radial, y el error de procesamiento debe controlarse en el orden de micrones para evitar causar la desviación centroide del giroscopio MEMS. Por este motivo, la barra extruida de 2024Al fue sometida a un tratamiento térmico de deformación. La Figura 6 muestra las fotografías metalográficas de la deformación por compresión axial del 40% de la aleación de aluminio 2024 extruida y las fotografías de la microestructura antes y después de la deformación térmica. Antes del tratamiento térmico de deformación, es difícil calcular el tamaño del grano axial, pero después del tratamiento térmico de deformación, el grado equiaxial del grano en el borde de la barra es 0,98 y el grado equiaxial del grano aumenta significativamente. . Además, en la figura se puede ver que la pequeña diferencia de resistencia a la deformación entre el eje axial y el radial de la muestra original es de 111,63 MPa, lo que muestra una fuerte anisotropía. Después del tratamiento térmico de deformación, los valores de resistencia a la deformación pequeña axial y radial fueron 163 MPa y 149 MPa, respectivamente. En comparación con la muestra original, la relación de resistencia a pequeñas deformaciones axiales y radiales cambió de 2,3 antes del tratamiento térmico de deformación a 1,1, lo que indica que la anisotropía del material se eliminó mejor después del tratamiento térmico de deformación.Figura 6 Diagrama esquemático del tratamiento isotrópico, cambios de microestructura y pruebas de rendimiento de una varilla de aleación de aluminio.Por lo tanto, cuando se deben utilizar barras o placas de aleación de aluminio para procesar componentes de instrumentos inerciales, se recomienda aumentar el vínculo del tratamiento térmico de deformación, eliminar la textura, obtener una organización isotrópica y evitar la anisotropía de la deformación. La información estadística de la textura se puede obtener mediante EBSD en SEM, TKD en TEM o XRD tridimensional, y los cambios de textura se pueden analizar cuantitativamente.ConclusiónBasado en la necesidad urgente de una estabilidad de precisión a largo plazo de los instrumentos inerciales, este artículo revisa sistemáticamente la influencia de la estabilidad dimensional desde la perspectiva de la ciencia de materiales y propone cómo mejorar la estabilidad de precisión a largo plazo de los instrumentos inerciales desde las características intrínsecas. de materiales. El NF-1000, en un paquete cerámico LCC, es un giroscopio MEMS de búsqueda del norte mejorado basado en el MG-502, y su alcance se ha incrementado de 50-100°/s a 500°/s, logrando un hito. Los materiales son fundamentales para la estabilidad a largo plazo y son la base para su mejor rendimiento. Espero que a través de este artículo puedas comprender el conocimiento del giroscopio MEMS. 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