ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ГРАВИИНЕРЦИОННОМ ДАТЧИКЕ

Рассматривается задача создания простого, надежного и высокочувствительного маятникового гравиинерционного датчика. Датчик содержит подвижную массу, удерживаемую относительно корпуса с помощью упругого торсионного подвеса. Подвижная масса совершает малые повороты под действием момента силы, обусловленного действием гравитационных сил или силы инерции. Отличительная особенность датчика состоит в том, что дифференциальная электростатическая система обеспечивает одновременное считывание полезного сигнала и уменьшение крутильной жесткости подвеса. Также особенность датчика состоит в том, что его чувствительность определяется угловой скоростью поворота подвижной массы и пропорциональной ей амплитудой переменного тока, протекающего через конденсаторы. Наличие в датчике источников переменного напряжения позволяет осуществлять параметрическое усиление переменного тока и существенно увеличивать его чувствительность. В простейшем варианте в датчике отсутствуют цепи обратных связей.

На примере микромеханического линейного акселерометра путем расчетов доказывается, что периодическая модуляция коэффициента жесткости упругого подвеса позволяет существенно увеличить чувствительность прибора в области низких частот, даже в условиях отсутствия параметрического резонанса. Анализируются условия подавления фоновых составляющих тока, проникающих в выходной сигнал от источников переменного напряжения вследствие несимметричности дифференциальной электрической цепи.

Подобная конструкция и построенная теория могут служить основой при создании широкого круга различных гравиинерционных приборов, работающих на подвижном основании, таких как линейные и угловые акселерометры, гравитационные градиентометры, гравиметры, наклономеры, виброметры, в том числе в гибридном или микро исполнении.

1. Gilavdary I., Riznookaya N. Stages of development and state of engineering of gravity gradiometers for moving objects (Review). Devices and Methods of Measurements, 2016, vol. 7, no. 3, pp. 122–128 (in Russian). doi: 10.21122/2220-9506-2016-7-3-235-246

2. Annecchione M., Moody M., Carroll K., Dickson D., Main B. Benefits of a high performance airborne gravity gradiometer for resource exploration. Fifth Decennial International Conference on Mineral Exploration, 2007, pp. 889–893.

3. Konecny G. Small satellites – A tool for Earth observation? XXth ISPRS Congress-Commission, 2004, vol.4. Available at: http://www.cartesia.org/geodoc/isprs2004/comm4/papers/428.pdf (accessed 27.02.2017).

4. Carroll K. Gravity gradiometry for lunar surface exploration. 42nd Lunar and Planetary Science Conference, 2011. Available at: https://www.researchgate.net/profile/Kieran_Carroll/publication/264340952_Gravity_Gradiometry_for_Lunar_Surface_Exploration/links/53d910cb0cf2631430c3a510/Gravity-Gradiometryfor-Lunar-Surface-Exploration.pdf (accessed 27.01.2017).

5. Stibrany P., Carroll K.A. The microsat way in Canada. Proc. 11th CASI Conference on Astronautics, 2001. Available at: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.199.676&rep=rep1&type=pdf (accessed 27.02.2017).

6. Carroll K.A., Spencer H., Zee R.E. An Asteroid Lander/Rover for Asteroid Surface Gravity Surveying.Small Satellite Conference, 2016. Available at: http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3408&c ontext=smallsa (accessed 10.03.2017).

7. Spencer H. Lunette: Lunar Farside Gravity Mapping by Nanosat. 19th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites, 2005. Available at: http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1635&context=smallsat (accessed 19.10.2016).

8. Evstifeev M.I. The state of the art in the development of onboard gravity gradiometers. Gyroscopy and Navigation, 2017, vol. 8, no. 1, pp. 68–79. doi: 10.1134/S2075108717010047

9. Ghose K., Dandavino S., Meyer H., Chamot B. and j.-f. labrecque-piedboeuf et al. Gravity gradient earth sensor experiment on rexus 11. 21st ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes, Thun, Switzerland, June 9–13, 2013. Available at: https://infoscience.epfl.ch/record/187717/files/ghose%20ESA%20Thun%202013.pdf (accessed 12.11.2016).

10. Allen J. Micro-System Inertial Sensing Technology Overview. Albuquerque, New Mexico, 2009, 32 p.

11. Tutorial: Noise in micromechanical systems. MEMS material. Available at:http://www.kaajakari.net/~ville/research/tutorials/tutorials.shtml (accessed 19.10.2016).

12. Li J., Fang J., Du M., Dong H. Analysis and fabrication of a novel MEMS pendulum angular accelerometer with electrostatic actuator feedback. Microsystem technologies, 2013, vol. 19, no. 1, pp. 9–16.

13. Yazdi N., Ayazi F., Najafi K. Micromachined inertial sensors. Proceedings of the IEEE, 1998, vol. 86, no. 8, pp. 1640–1659.

14. Vasilescu G. Electronic noise and interfering signals: principles and applications. Springer Science & Business Media, 2006, 709 p.

15. Cuperus R. MEMS based gravity gradiometer for Space Application. Available at: https://escies.org/download/webDocumentFile?id=7188 (accessed 19.10.2016).

16. Jiang X., Wang F., Kraft M., Boser B.E. An integrated surface micromachined capacitive lateral accelerometer with 2µG/Ц Braginskii V.B., Manukin, A.B. Measurement of weak forces in physics experiments. Chicago, University of Chicago Press, 1977, 161 p.

17. Ghose K. MEMS Inertial Sensor to Measure the Gravity Gradient Torque in Orbit. Pour l'obtention du grade de docteur ès sciences école polytechnique fédérale de Lausanne, 2012, no. 5231. Available at:http://infoscience.epfl.ch/record/169608/files/EPFL_TH5231.pdf (accessed 19.10.2016).

18. Flokstra J., Cuperus R., Wiegerink R.J., van Essen M.C. MEMS based gravity gradiometer for future planetary missions. Cryogenics, 2009, vol. 49, iss. 11, pp. 665–668. doi: org/10.1016/j.cryogenics.2008.12.019

19. Vasilescu G. Electronic Noise and Interfering Signals. Principles and Applications. Springer, 2005, 715 p.

20. Rugar D., Grutter P. Mechanical Parametric Amplification and Thermomechanical Noise Squeezing.Physical Review Letters, 1991, vol. 67, no. 6, pp. 699–702.

21. Carr D.W., Evoy S., Sekaric L., Craighead H.G., Parpia J.M. Parametric amplification in a torsional microresonator. Applied Physics Letters, 2000, vol. 77, no. 10, pp. 1545–1547.

22. Rescia S. Precise Measurements of Small Linea and Angular Displacements with Capacitance Methods.Brookhaven National Laboratory. Available at: http:// www.bnl.gov/edm/papers/Sergio_Rescia_020118.pdf (accessed 19.02.2017).

23. Zhang W., Turner K. Noise analysis in parametric resonance based mass sensing. Proceedings of IMECE04 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Anaheim, 2004, 5 p.

24. Butikov E.I. Parametric excitation of a linear oscillator. European Journal of Physics, 2004, vol. 25, no. 4, pp. 535–554.

25. Schmidt G. Parametererregte Schwingungen. Berlin; VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1975, 313 p. (publishing European journal of physics. Eur. J. Phys, 2004, vol. 25, pp. 535–554.)

26. Zhang W., Turner K. Application of parametric resonance amplification silicon micro-oscillator based mass sensor. Sensors and Actuators A: Physical, 2005, vol. 122, no. 1, pp. 23–30.

27. Yang Y.T., Callegari C., Feng X.L., Ekinci K.L., Roukes M.L. Zeptogram-Scale Nanomechanical Mass Sensing. Nano Letters, 2006, vol. 6, no. 4, pp. 583–586.

28. Yang Y.T. Phase noise of nanoelectromechanical systems. Pasadena, California Institute of Technology, 2004, 157 p.

29. Cleland A.N. Thermomechanical noise limits on parametric sensing with nanomechanical resonators.New Journal of Physics, 2005, vol. 7, no. 1, p. 235.

30. Yie Z., Zielke M.A., Burgner C.B., Turner K.L. Comparison of parametric and linear mass detection in the presence of detection noise. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2011, vol. 21, no. 2, pp. 025027.

31. Den Hartog J.P. Mechanical Vibrations. New York, dc McGraw-Hill Book Company, 1956, 464 p.

32. Gilavdary I., Mekid S., Riznookaya N. [Controlling sensitivity of the sensor with differential electrostatic transducers]. Pribory i metody izmerenii [Devices and Methods of Measurements]. 2015, vol. 6, no. 2, pp. 163−172 (in Russian).

33. Gilavdary I., Mekid S., Riznookaya N., Abdul Sater A. Static and dynamic stability of gravi-inertial sensors with capacitive differential system of sensitivity adjustment. Pribory i metody izmerenii [Devices and Methods of Measurements]. 2016, Vol. 7, no. 1, pp. 16 – 23. doi: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-16-23

34. Changhoug Guan. Development of a Closed-loop MEMS Capacitive Force Sensor. A Thesis of Master of Science for the Degree Mechanical Engineering. Raleigh. North Carolina, 2009, 90 p.

35. Christophe B., Marque J-P., Foulon B. Accelerometers for the ESA GOCE mission: one year of in-orbit results. GPHYS SYMPOSIUM, Paris, 2010, 26 p.

36. Silvestrin P. Control and navigation aspects of the new Earth observation missions of the European Space. Annual Reviews in Control, 2005, vol. 29, no. 2, pp. 247–260.

37. Steiger C., Romanazzo M., Emanuelli P.P., Floberghagen R., Fehringer M. The Deorbiting of ESA’s Gravity Mission GOCE–Spacecraft Operations in Extreme Drag Conditions. Proceedings SpaceOps, Pasadena, USA, 2014, 12 p.

38. Miller A.H. The theory and operation of the Eotvos torsion balance. The Journal of the Royal Astronomical Society of Canada, vol. 28, no. 1, January, 1934, 34 p.

39. Metzger E.H., Jirdtano A., Affleck C. Satellite borne gravity gradiometer study. Buffalo, NASA Goddard space flight center, 1976, 62 p.