Гироскопы и акселерометры — это датчики, при помощи которых осуществляется навигация (то есть измерение скорости и ускорения, положения в пространстве и т. д.) любого объекта. Поэтому они повсеместно применяются в смартфонах (например, для отслеживания ориентации экрана), самолетах и космической технике, морских судах, гироскутерах, роботах и многих других образцах техники.
Сегодня для нужд электроники серийно выпускаются и активно применяются навигационные датчики МЭМС (микроэлектромеханические системы). Они характеризуются дешевизной, компактностью, незначительным весом, низким энергопотреблением и точностью измерений навигационных параметров. МЭМС-датчики отлично подходят для навигации гаджетов, многих видов пилотного и беспилотного транспорта и различных систем автоматизации.
Однако в силу конструкционных особенностей такие устройства являются достаточно хрупкими, а потому недостаточно надежными для оборудования, работающего в условиях больших физических перегрузок. Например, это относится к системам высокоточного закладки строительных свай или навигации производственных промышленных линий.
Навигационный датчик, сконструированный в ЛЭТИ, использует в своей работе поверхностные акустические волны (т.е. механические колебания) на поверхности кристаллической пластинки из пьезоэлектрического материала — он обеспечивает превращение электрического сигнала в механические колебания и обратно.
Принцип действия датчика следующий: электрический ток подается на пьезоэлектрическую пластину, ее поверхность начинает колебаться и становится очень чувствительной к разным внешним воздействиям, например, изменениям температуры, давления, ускорения, угловой скорости и многим другим параметрам. Характеристики колебаний пьезоэлектрика меняются, и когда происходит обратное преобразование акустических волн в электричество, параметры тока отличаются от первоначального сигнала. Эти изменения и фиксирует датчик.
Анализируя собранные данные возможно с высокой точностью определить ориентацию любого движущегося объекта, который снабжен таким устройством. Кроме того, пьезоэлектрические материалы являются относительно недорогими и обладают высокой прочностью, а в самой конструкции датчика отсутствуют подвижные части. За счет этого навигационный датчик, созданный в ЛЭТИ, может работать в условиях высоких перегрузок.
«Сейчас мы работаем над тем, чтобы сделать наше устройство полностью автономным благодаря установке на датчике специальной миниатюрной антенны. С ее помощью мы сможем одновременно обеспечивать и беспроводную связь, и энергоснабжение. В перспективе эти устройства станут новым типом компактных навигационных датчиков для широкого круга технических систем, которые работают в условиях больших физических нагрузок», — отметила аспирант кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Мария Сорвина.
