Produto: Sistema de Navegação Inercial Puro (INS) Baseado em IMU
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O conjunto direcional Fluxgate é composto por sensores acelerômetros e sensores fluxgate, que são usados principalmente em perfuração direcional, indústria de petróleo e outros campos para medir a inclinação do poço, ângulo de azimute e ângulo de face da ferramenta. A perfuração direcional na indústria do petróleo começou no final do século 19, quando a tecnologia de perfuração rotativa foi introduzida para substituir a antiga perfuração de tonelada, sem considerar o problema de estabilização da coluna de perfuração para controlar a trajetória do furo. Contudo, as medições dos furos mostraram que os primeiros furos “verticais” estavam longe de serem “verticais”. Tanto na perfuração vertical como na direcional, é necessário determinar a localização do furo abaixo da superfície. Isto requer o uso de instrumentos de medição que possam medir a inclinação e o azimute ao longo do poço em diferentes profundidades. A posição do furo em relação à superfície pode ser calculada a partir dos resultados de medição acumulados.
Neste artigo, a estrutura e o princípio de funcionamento da montagem direcional do fluxgate serão introduzidos, e o ângulo de inclinação do poço de medição principal, o ângulo da face da ferramenta e o ângulo de azimute serão introduzidos.
O sensor de aceleração adota sensor de aceleração gravitacional de suspensão magnética-líquida, que possui características de forte resistência ao impacto e tamanho pequeno, e sua precisão é de cerca de ± 0,1%. A estrutura é mostrada na Figura 1.
Figura 1. Diagrama de blocos da estrutura de controle do modo de acionamento do giroscópio MEMS
De acordo com a equação dinâmica do modo de condução do giroscópio MEMS vibratório, a função de transferência de domínio contínuo pode ser obtida pela transformada de Laplace:
Onde mx é a massa equivalente do modo de acionamento do giroscópio, ωx=√kx/mx é a frequência de ressonância do modo de acionamento e Qx = mxωx/cx é o fator de qualidade do modo de acionamento.
De acordo com a análise da capacitância de detecção dos dentes do pente, a ligação de conversão deslocamento-capacitância é linear quando o efeito de borda é ignorado, e o ganho da capacitância diferencial mudando com o deslocamento pode ser expresso como:
Onde, nx é o número de pentes ativos acionados pelo modo giroscópico, ε0 é a constante dielétrica do vácuo, hx é a espessura dos pentes de detecção de acionamento, lx é o comprimento de sobreposição dos pentes ativos e fixos de detecção de acionamento em repouso, e dx é a distância entre os dentes.
O circuito de conversão de tensão do capacitor usado neste artigo é um circuito de diodo em anel e seu diagrama esquemático é mostrado na Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático do circuito de diodo em anel
Na figura, C1 e C2 são capacitores de detecção diferencial de giroscópio, C3 e C4 são capacitores de demodulação e Vca são amplitudes de onda quadrada. O princípio de funcionamento é: quando a onda quadrada está no meio ciclo positivo, os diodos D2 e D4 são ligados, então o capacitor C1 carrega C4 e C2 carrega C3; Quando a onda quadrada está em meio período positivo, os diodos D1 e D3 são ligados, então o capacitor C1 descarrega para C3 e C2 descarrega para C4. Desta forma, após vários ciclos de onda quadrada, a tensão nos capacitores demodulados C3 e C4 se estabilizará. Sua expressão de tensão é:
Para o giroscópio micromecânico de silício estudado neste artigo, sua capacitância estática é da ordem de vários pF, e a variação da capacitância é inferior a 0,5pF, enquanto a capacitância de demodulação usada no circuito é da ordem de 100 pF, portanto há CC0》∆C e C2》∆C2, e o ganho de conversão de tensão do capacitor é obtido pela fórmula simplificada:
Onde Kpa é o fator de amplificação do amplificador diferencial, C0 é a capacitância de demodulação, C é a capacitância estática da capacitância de detecção, Vca é a amplitude da portadora e VD é a queda de tensão do diodo.
O controle de fase é uma parte importante do controle do giroscópio MEMS. A tecnologia de loop de bloqueio de fase pode rastrear a mudança de frequência do sinal de entrada em sua banda de frequência capturada e bloquear a mudança de fase. Portanto, este artigo usa a tecnologia de loop de bloqueio de fase para inserir o controle de fase do giroscópio, e seu diagrama de blocos de estrutura básica é mostrado na Figura 3.
Figura. 3 Diagrama de blocos da estrutura básica do PLL
PLL é um sistema de regulação automática de fase de feedback negativo, seu princípio de funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: O sinal de entrada externo ui(t) e o sinal de feedback uo(t) de saída do VCO são inseridos no discriminador de fase ao mesmo tempo para completar a comparação de fase dos dois sinais, e a extremidade de saída do discriminador de fase emite um sinal de tensão de erro ud(t) refletindo a diferença de fase θe(t) dos dois sinais; O sinal através do filtro de loop filtrará os componentes de alta frequência e o ruído, obterá um oscilador de controle de tensão uc (t), o oscilador de controle de tensão ajustará a frequência do sinal de saída de acordo com esta tensão de controle, de modo que gradualmente se aproxime à frequência do sinal de entrada e ao sinal de saída final uo(t). Quando a frequência de ui(t) é igual a uo(t) ou um valor estável, o loop atinge um estado bloqueado.
O controle automático de ganho (AGC) é um sistema de feedback negativo de circuito fechado com controle de amplitude, que, combinado com circuito de bloqueio de fase, fornece amplitude e vibração estável de fase para o modo de acionamento do giroscópio. Seu diagrama de estrutura é mostrado na Figura 4.
Figura 4. Diagrama de blocos da estrutura de controle automático de ganho
O princípio de funcionamento do controle automático de ganho pode ser resumido da seguinte forma: o sinal ui(t) com as informações de deslocamento da unidade do giroscópio é inserido no link de detecção de amplitude, o sinal de amplitude de deslocamento da unidade é extraído por demodulação de multiplicação e, em seguida, a alta frequência componente e ruído são filtrados por filtro passa-baixa; Neste momento, o sinal é um sinal de tensão CC relativamente puro que caracteriza o deslocamento do acionamento e, em seguida, controla o sinal no valor de referência determinado através de um link PI e emite o sinal elétrico ua(t) que controla a amplitude do acionamento para completar o controle de amplitude.
Neste artigo, o circuito de controle do modo de condução do giroscópio MEMS é introduzido, incluindo modelo, conversão de capacitância de desbloqueio, conversão de capacitância-tensão, circuito de bloqueio de fase e controle automático de ganho. Como fabricante de sensores giroscópios MEMS, a Micro-Magic Inc fez pesquisas detalhadas sobre giroscópios MEMS e frequentemente popularizou e compartilhou o conhecimento relevante do giroscópio MEMS. Para uma compreensão mais profunda do giroscópio MEMS, você pode consultar os parâmetros do MG-501 e MG1001.
Se você estiver interessado em mais conhecimento e produtos de MEMS, entre em contato conosco.
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