Идея гироскопа на кварцевых резонаторах Опции

[Rostislav]

Всем большой привет!!!

При постройке собственного сверхлегкого самолета назрела необходимость в авиагоризонте. Из недорогих альтернатив - возможность применения MEMS гироскопа. Но он не подходит, по причине большой нестабильности нуля. Уход до 0.5 град/сек, что очень плохо. Существуют лазерные гироскопы, но они дороги, потребляют много энергии и тяжелы для сверхлегкой авиации.

У меня возникла идея: что если основываясь на принципах лазерного гироскопа, сделать гироскоп на кварцевых резонаторах. В лазерном гироскопе следят за оптической интерференционной картиной, а я буду следить за электрическим аналогом такой картины. Т.е. нужно будет сравнивать частоту/фазу двух кварцевых генераторов. Но гложут сомнения... Будет ли меняться частота колебаний пластины кварцевого резонатора при ее перемещении в пространстве?

Рисунок поясняет то, что я имею ввиду.

Стоит ли развивать эту тему или я чего не понимаю?

Спасибо за разъяснения и помощь!!!

Эскизы прикрепленных изображений

 

[m9c0]

Принцип работы МЭМС гироскопв, если грубо подытожить (в зависимости от конструкции) основан на исменении частоты и формы колебаний чувсвительной массы от дейсвующей угловой скорости.

Скорей всего изменение частоты кврацевого резонатора будет носить ничтожный характер (если вообще будет). В противном случае, чтобы тварилось со всей цивровой вычислителной техникой при ее перемещении в пространстве.

[DS]

Принцип работы МЭМС гироскопв, если грубо подытожить (в зависимости от конструкции) основан на исменении частоты и формы колебаний чувсвительной массы от дейсвующей угловой скорости.

Скорей всего изменение частоты кврацевого резонатора будет носить ничтожный характер (если вообще будет). В противном случае, чтобы тварилось со всей цивровой вычислителной техникой при ее перемещении в пространстве.

Такие гироскопы есть, но там пьезоэлементы большие, со специально подобранным типом колебаний и специальной формы (похожие на рюмку). Стоимость не меньше обычных гироскопов. В стандартных кварцевых резонаторах тип колебаний, наоборот, выбирается таким, чтобы внешние возмущения не влияли на резонатор.

[Rostislav]

Такие гироскопы есть, но там пьезоэлементы большие, со специально подобранным типом колебаний и специальной формы (похожие на рюмку). Стоимость не меньше обычных гироскопов. В стандартных кварцевых резонаторах тип колебаний, наоборот, выбирается таким, чтобы внешние возмущения не влияли на резонатор.

Т.е. идея здравая. Ок. Тогда, какой кварцевый резонатор может подойти для этой затеи? Уж очень хочется поэксперементировать.

Здесь, наверное, подойдет резонатор с активным элементом в виде бруска.

Спасибо!!!

Сообщение отредактировал Rostislav - Jul 28 2010, 18:41

[muravei]

Тогда, какой кварцевый резонатор может подойти для этой затеи?

Может лучше взять готовый? Эпсон делает на кварцах, их используют в фото.
Статья про гироскопы.

[Rostislav]

Может лучше взять готовый? Эпсон делает на кварцах, их используют в фото.
Статья про гироскопы.

Я эту статью раза два читал. Но все равно, спасибо! Датчики хорошие. Но пока применять не буду. Во-первых, у меня принцип, сделать по возможности все самому, и второе, хочется проверить идейку. Может быть что-то дельное выйдет? Да и просто любопытство раздирает. Только вот, не знаю какие кварцы взять? Есть у меня несколько типов, а пилить жалко. Какой формы там кристалл и как он ориентирован в корпусе - не знаю.

[DS]

Я эту статью раза два читал. Но все равно, спасибо! Датчики хорошие. Но пока применять не буду. Во-первых, у меня принцип, сделать по возможности все самому, и второе, хочется проверить идейку. Может быть что-то дельное выйдет? Да и просто любопытство раздирает. Только вот, не знаю какие кварцы взять? Есть у меня несколько типов, а пилить жалко. Какой формы там кристалл и как он ориентирован в корпусе - не знаю.

Из тех, что есть - не выйдет. Я же писал, что в генераторных кварцах выбирают такое направление колебаний, чтобы минимизировать внешнее воздействие. В них тип колебаний - сдвиговый. Изгибный из доставаемых сейчас только в камертонах типа часовых кварцев.

[Rostislav]

Из тех, что есть - не выйдет. Я же писал, что в генераторных кварцах выбирают такое направление колебаний, чтобы минимизировать внешнее воздействие. В них тип колебаний - сдвиговый. Изгибный из доставаемых сейчас только в камертонах типа часовых кварцев.

Сдвиговые колебания? Тогда не понятно, зачем делать активный элемент в виде плоской круглой пластины и помещать ее между двумя обкладками. Как же в таком случае будут появлятся сдвиговые колебания?

Сейчас раздраконю часовой резонатор и посмотрю что там. Скорее всего брусок, так как сдвиговые колебания на частоте 32768 Гц вызвать очень сложно.

Сломал часовой кварц. Похоже там камертон. Только вот не понятно, какие там колебания. Обкладки там с двух сторон. Но возбуждается камертон обычно в плоскости своих рогов. Может быть здесь крутильные колебания? Обычно пъезопластина колеблется в плоскости перпендикулярной плоскости в которой лежат обкладки.


Еще один претендент.


И еще один в низком корпусе. Последние два ВЧ.


Сообщение отредактировал Rostislav - Jul 29 2010, 07:43

Эскизы прикрепленных изображений

 

[ledum]

Последние два ВЧ.

Так, для информации. Самые распространенные ВЧ кварцы на AT и SC срезах имеют изменение частоты при изменении ориентации относительно Земли порядка 5Е-9 первый и 1Е-9 второй. Нетермостатированый кварц будет иметь уход от температуры гораздо больше. То есть нужны другие срезы.

[Deka]

Припоминается мне, что авиагоризонт в р/у моделях самолётов реализуется с помощью 4-х датчиков освещения... Достаточно точно и дёшево.

[Rostislav]

Так, для информации. Самые распространенные ВЧ кварцы на AT и SC срезах имеют изменение частоты при изменении ориентации относительно Земли порядка 5Е-9 первый и 1Е-9 второй. Нетермостатированый кварц будет иметь уход от температуры гораздо больше. То есть нужны другие срезы.

Вы говорите об изменении статического положения кварца? Тогда да. А при динамическом изменении положения? Мне кажется сила Кориолиса (для кварца это тормозная сила, снижающая его частоту работы) при высоких рабочих частотах должна быть очень большой?

Сообщение отредактировал Rostislav - Jul 29 2010, 11:23

[Dima_Ag]

Всем большой привет!!!

При постройке собственного сверхлегкого самолета назрела необходимость в авиагоризонте. Из недорогих альтернатив - возможность применения MEMS гироскопа. Но он не подходит, по причине большой нестабильности нуля. Уход до 0.5 град/сек, что очень плохо. Существуют лазерные гироскопы, но они дороги, потребляют много энергии и тяжелы для сверхлегкой авиации.

Rostislav, а почему Вы решили, что МЕМС не подходит из-за стабильности нуля?
Суещствует масса твердотельных конструкций гировертикалей, сделанных на МЕМС датчиках.
Просто показания датчиков нужно корректировать по определённым алгоритмам.

И ещё 1 момент - даже если у Вас идеальный гироскоп, без дрейфа нуля, то он тоже всё равно не подойдёт для горизонта напрямую.
Дело в том, что Земля не является инерциальной системой отсчёта (она вращается
Если поставить такой идеальный гироскоп в канале крена (например), то на экваторе (если нос самолёта направлен на север или юг)
он покажет уход = 360/24 = 15 градусов в час.

Так что всё равно нужна коррекция !!!

[Rostislav]

Rostislav, а почему Вы решили, что МЕМС не подходит из-за стабильности нуля?

Согласен. Ну во первых интересна сама идея и результат ее реализации. Во вторых я еще не отказался от MEMS технологии совсем. Я думаю, что на двух MEMS гироскопах можно построить очень прецезионную систему, если, например, вычислять синхронное изменение данных, а асинхронные (т.е. собственный уход каждого и щумы) фильтровать. Кстати, я не уверен что уход нуля у этих гороскопов постоянен во времени, а не случаен и не зависит от внешних факторов. Да и цена... Я кварцы покупал 10 рублей за штуку.

Остается открытым вопрос о выборе резонатора для эксперимента.

Сообщение отредактировал Rostislav - Jul 29 2010, 12:35

[stells]

У меня возникла идея: что если основываясь на принципах лазерного гироскопа, сделать гироскоп на кварцевых резонаторах

еще одна идея - на тензодатчиках: несколько рычажков с грузиками, к которым приклеены тензосопротивления

[Alexashka]

А изза чего частота должна меняться- сила тяготения земли? Тогда может мэмс акселерометр подойдет, они поле земли оч хорошо чуют... в статике

[ledum]

Вы говорите об изменении статического положения кварца? Тогда да. А при динамическом изменении положения? Мне кажется сила Кориолиса (для кварца это тормозная сила, снижающая его частоту работы) при высоких рабочих частотах должна быть очень большой?

Ну а как Вам такие динамические изменения положения. Требования по 4.1.1 группе техники по ГОСТ РВ 20.39.304-98 в графе "линейное ускорение" у нас было несколько больше 20 же, одиночные удары 60 же (черт, форум не дает грузить файлы картинок и вообще никакие файлы, говорит, что я израсходовал свой лимит в 10МБ на форуме (всего загружено 28МБ - во наспамил - больше СВЧ мишек не будет)- хотел выложить страничку ГОСТа). При этом изменение частоты кварцевых генераторов ГК21ТК и ГК23УН в условиях воздействия таких ВВФ (устойчивость) было меньше разрешающей способности Ч3-64. Ну и на Tek492BP спектр не сыпался. Не думаю, что у моделек хотя бы десятая часть таких ускорений. Само собой здесь играют роль и срез, и метод крепления пластины в корпусе здесь (да и во всех кварцах и генераторах специально крепление подбирается для минимизации воздействия механических ВВФ)

Сообщение отредактировал ledum - Jul 29 2010, 19:02

[domowoj]

+1

[yakub_EZ]

ГК21 очень крутой кварц, второго поколения с приемкой "5".
Для целей раскачки кристалла лучше пробовать взять ретро кварц в стекле, типа прикрепленного

Эскизы прикрепленных изображений

 

[stells]

ГК21 очень крутой кварц, второго поколения с приемкой "5".

красив! почти-что яйцо Фаберже

[Rostislav]

ГК21 очень крутой кварц, второго поколения с приемкой "5".
Для целей раскачки кристалла лучше пробовать взять ретро кварц в стекле, типа прикрепленного

О! Мегадевайс! К нему и обработку на лампах надо делать, чтобы адекватно смотрелось.

Попробую на часовых, там камертон.

[DS]

О! Мегадевайс! К нему и обработку на лампах надо делать, чтобы адекватно смотрелось.

Попробую на часовых, там камертон.

Там тоже засада - надо будет секунды ждать до установления сигнала, частота маленькая, а добротность - большая.

[ASZ]

В системах связи 50гг использовались резонаторы на 7 и 9 килогерц в металлическом корпусе.
Сам резонатор - брусок около 5 см длиной.
Время запуска генератора на таком кварце действительно, около 5-10 сек (на чем попался, думая что он неисправен).
Может, на барахолке у кого и завалялись...

[domowoj]

Где-то валяется что-то подобное в стеклянном корпусе,
храню как раритет.
Кристалл приблизительно 5х5мм с четырьмя металлизир. гранями и длинной мм 50

[yakub_EZ]

О! Мегадевайс! К нему и обработку на лампах надо делать, чтобы адекватно смотрелось.

Будете удивлены, но эти резонаторы отлично заводятся от обычного инвертора на логике. Этот кварц на чатоту 5 МГц, видно по обозначению.
Встречал в измерительных приборах, как их устанавливают в металлический стаканчик обернув баллон войлочной оберткой сантиметровой толщины.
Если такую пластину зафиксировать только с одной стороны, то в плоскости качания у вас наверняка будет наблюдаться эффект ухода частоты, или даже пьезоэффект без подачи раскачки.

[DS]

Если такую пластину зафиксировать только с одной стороны, то в плоскости качания у вас наверняка будет наблюдаться эффект ухода частоты, или даже пьезоэффект без подачи раскачки.

Она не качается, а серединка бруска сдвигается параллельно плоскости электродов.

[ledum]

Ну, ежели народ упрямо не хочет смотреть в сторону МЕМЗ, тогда несколько статей из области топика. Точнее наоборот, как уменьшить влияние. Но в обеих статьях есть полезные ссылки, и если попросить ребят с доступом на IEEEE, может что-то да полезное найдется. http://www.mwrf.com/Articles/Index.cfm?Art...D=8990&pg=1 и http://www.ieee-uffc.org/frequency_control...ller_paper.html . Есть еще такая статья http://jjap.ipap.jp/link?JJAP/45/7184/ , но в открытом доступе ее не видел.

[Microwatt]

Хм... с одной стороны душа радуется, что еще не все манагеры криворукие, есть мастеровые мужики.
С другой... Я на приборе из "самопильных" брусков кварца вряд ли полетел бы. А других людей, так точно в воздух бы не поднял.
Все-таки, эффект изменения частоты будет пренебрежимо мал, ИМХО. Кварцевые резонаторы не так уж критичны к вибрациям, ударам. на пружинные растяжки их, обычно, не вешают.
Если есть что-то для таких приложений, то там и срез подобран и крепление и пробная масса размещена не просто так. Вряд ли это можно с первой попытки реализовать в кустарных условиях. Да и надежность....Это ж авиагоризонт, а не пепельница.

[proxi]

черт, форум не дает грузить файлы картинок и вообще никакие файлы, говорит, что я израсходовал свой лимит в 10МБ на форуме (всего загружено 28МБ - во наспамил - больше СВЧ мишек не будет)-

дык, я подозреваю, надо позеленеть или порозоветь, давно предлагал.. если не прав, поправьте, уважаемые модераторы..

[Rostislav]

Ну, ежели народ упрямо не хочет смотреть в сторону МЕМЗ, тогда несколько статей из области топика. Точнее наоборот, как уменьшить влияние. Но в обеих статьях есть полезные ссылки...

Вот!!! То, что нужно! Огромное спасибо! Будем пробывать.

[DS]

Хм... с одной стороны душа радуется, что еще не все манагеры криворукие, есть мастеровые мужики.
С другой... Я на приборе из "самопильных" брусков кварца вряд ли полетел бы. А других людей, так точно в воздух бы не поднял.
Все-таки, эффект изменения частоты будет пренебрежимо мал, ИМХО. Кварцевые резонаторы не так уж критичны к вибрациям, ударам. на пружинные растяжки их, обычно, не вешают.
Если есть что-то для таких приложений, то там и срез подобран и крепление и пробная масса размещена не просто так. Вряд ли это можно с первой попытки реализовать в кустарных условиях. Да и надежность....Это ж авиагоризонт, а не пепельница.

Я несколько лет назад наблюдал, как целый завод + НИИ "ниасилил". А тут дома ...

[Rostislav]

В системах связи 50гг использовались резонаторы на 7 и 9 килогерц в металлическом корпусе.
Сам резонатор - брусок около 5 см длиной.
Время запуска генератора на таком кварце действительно, около 5-10 сек (на чем попался, думая что он неисправен).
Может, на барахолке у кого и завалялись...

Да, видимо именно массивное что-то нужно. Попробую в магазине "Кварц" что-нибудь спросить.

Я несколько лет назад наблюдал, как целый завод + НИИ "ниасилил". А тут дома ...

Где прочитал такую вот мысль: "Все говорят, что это не возможно! Но вот приходит невежда, которому это неизвестно, он то и делает открытие."

Ну а если серьезно, то делаю потихоничку аэронавигационные приборы для своего сверхлегкого самолета. Уже сделал датчик перегрузки, барометрический измеритель скорости. Сейчас вот попутно делаю емкостной указатель угла атаки. Электронную часть смоделировал в OrCad. Теперь собираю в железе. Всю информацию вывожу на 2-ва ЖКИ дисплея бортовых ЭВМ. А ведь задача в комплексе очень сложная, но пока справляюсь. Да и потом, чертовски интересно построить такой комплекс именно из-за сложности задачи + еще планер. Так, что следите за моими топиками, будет интересно, надеюсь.

Сообщение отредактировал Rostislav - Jul 31 2010, 22:36

[ReAl]

С другой...

Да мне вот тоже как-то стрёмно это всё выглядит.
Но раз уж открыли галерею фото кварцев, то к картинке в первом сообщении больше подходит РК272-ЭЕ

этот на 100 кГц

[ledum]

Ну а если серьезно, то делаю потихоничку аэронавигационные приборы для своего сверхлегкого самолета.

Вы бы озвучили хоть какие-нибудь ТТХ самолета, типа размах крыльев, дальность и высота полета, да и ожидаемую массу датчика.
Я чего-то поначалу подумал, что это модель. Хотел предложить датчик угла наклона на измерении поляризации от радиосигнала с земли, например, даже дистанции - на борту две взаимно перпендикулярные линейно-поляризованные антенны. На земле - линейно поляризованный передатчик. Для моделей вроде бы точности в несколько градусов должно было бы хватить.
При небольших высотах полета (до 20м) и при достаточно большом размахе крыльев можно было бы поставить на концах ЛЧМ радиовысотомеры на 10Гиг и по разнице отсчитывать наклон.
Что касается кварцевых измерителей - для измерения малых уходов нужна термостатированая опора. Недостатки - цена, от $150, потребление порядка 3-5Вт, время готовности - от полутора минут. Ускорение ИМХО надо мерять с 3-х пластин - чтобы следствие ОТО отслеживать - инерцию от гравитации отличать - то ли наклон, то ли "горка".

[DS]

Да, видимо именно массивное что-то нужно. Попробую в магазине "Кварц" что-нибудь спросить.

Где прочитал такую вот мысль: "Все говорят, что это не возможно! Но вот приходит невежда, которому это неизвестно, он то и делает открытие."

Hужно массивное, но с высокими резонансными частотами. Помимо низких скоростей измерения и малых ускорений, приводящих к маленьким сигналам, низкочастотные большие кристаллы еще и весьма чувствительны к вибрации и акустическим шумам, чего в самолете в избытке. Сделать что-то приличное из "магазинных" кварцев не получится, такую простую идею - приделать элетронику к покупному изделию, многие бы свободно освоили.
Хотите заниматься - флаг в руки, читайте теорию, учитесь работать с кварцевым материалом, осваивайте напыление элетродов, покупайте заготовки на том же "Пьезо", где магазин Кварц, ну или у ВНИИСИМСа - и вперед. Боюсь, только, что стоимость заготовок Вас неприятно удивит.

[Serj78]

При небольших высотах полета (до 20м) и при достаточно большом размахе крыльев можно было бы поставить на концах ЛЧМ радиовысотомеры на 10Гиг и по разнице отсчитывать наклон.

Хи- хи, он разве только над спокойной водой летать будет ?

Я не думаю, что есть альтернатива Мемс-ам. ST- шные гиры двухосевые менее 10$ стоят..
вот вам готовый китайский стабилизатор на мемсах: за 130$

http://www.infinity-hobby.com/main/product...6712a2d633b4b5c

Мне, кстати, китайская музыка из клипа понравилась... Где бы ее скачать?

[ledum]

Хи- хи, он разве только над спокойной водой летать будет ?

Я не думаю, что есть альтернатива Мемс-ам. ST- шные гиры двухосевые менее 10$ стоят..
вот вам готовый китайский стабилизатор на мемсах: за 130$

Ну сначла думал, что такое сработает, особенно если осреднять, потом вспомнил о полетах над склонами - грабли, но в душе надеялся, что человек одумается. Кстати, китайцев впервые здесь http://forum.rcdesign.ru/f90/thread189513.html увидел. Да и IMHO по эл-хе было несколько тем по инклинометрам и иже с ними с почти аналогичным составом обсуждающих, в смысле Вас , DS и внезапно появляющегося/исчезающего Stanislav. У меня сейчас только одна задача в дальней перспективе, близкая к топику - датчики углов на спутниковую антенну, в том числе и компас, и инклинометр. Начальство хочет уйти от дорогой механики на что-то более дешевое на маленьких тарелках на мобильных устройствах.

Сообщение отредактировал ledum - Aug 7 2010, 20:14