ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА
SENSITIVE ELEMENT OF SOLID-STATE WAVE GYRO

Изобретение относится к конструкции чувствительных элементов твердотельных волновых гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, космических аппаратов, управляемых бурильных головок.
Известен чувствительный элемент твердотельного волнового гироскопа, включающий полусферический резонатор, который имеет полусферическую оболочку и ножку. На торцевой поверхности полусферической оболочки имеется металлическое покрытие. Узел электродов выполнен в виде плоской пластины с электродами и расположен параллельно торцевой поверхности резонатора, причем между поверхностью пластины и торцевой поверхностью полусферической оболочки имеется зазор [Лунин Б.С. Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа. Патент РФ №2166734, МПК 7 G01C 19/56 (2000)].
Известно, что чувствительность емкостного датчика зависит от электрической емкости, образуемой электродом, напыленным на плоскую пластину, и металлизированной торцевой поверхностью полусферической оболочки. При уменьшении размеров резонатора чувствительность емкостных датчиков резко уменьшается, что приводит к ухудшению соотношения сигнал/шум и к снижению точности известного чувствительного элемента. Кроме того, конструкция известного чувствительного элемента требует обеспечить малый (единицы-десятки микрон) зазор между торцевой поверхностью резонатора и плоскостью узла электродов, что усложняет процесс сборки чувствительного элемента. Необходимость обеспечения постоянной величины этого зазора вынуждает повышать точность изготовления всех полусферических поверхностей и точность сборки.
Поэтому указанные недостатки снижают точность работы прибора до 0,1-0,5 град./час при уменьшении радиуса полусферической оболочки до 5-10 мм и значительно усложняют и удорожают его изготовление.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков.
Эта цель достигается предложенной конструкцией чувствительного элемента, имеющего полусферическую оболочку, на краю которой в плоскости, перпендикулярной оси симметрии оболочки, расположены зубцы с металлизированной поверхностью, скрепленную ножкой с плоской пластиной с напыленными дискретными емкостными электродами, расположенной параллельно плоскости зубцов.
Предложенный чувствительный элемент отличается тем, что на краю полусферической оболочки в плоскости, перпендикулярной оси симметрии оболочки, расположены зубцы с металлизированной поверхностью.
На чертеже показан предлагаемый чувствительный элемент твердотельного волнового гироскопа.
Чувствительный элемент содержит полусферический резонатор, который имеет полусферическую оболочку 1 и ножку 2. На краю полусферической оболочки в плоскости, перпендикулярной оси симметрии оболочки, расположены зубцы 3 с металлическим покрытием 4. Узел емкостных электродов выполнен в виде плоской пластины 5 с напыленными дискретными электродами, которые расположены по окружности. Каждый напыленный дискретный электрод содержит две площадки 6, которые с помощью токопроводящих дорожек 7 соединены с гермовыводами вакуумного корпуса и затем с электронным блоком. Полусферическая оболочка 1 соединена через ножку 2 с пластиной 5 так, что между металлизированной поверхностью 4 зубцов 3 полусферической оболочки 1 и пластиной 5 образуется зазор D.
Предложенный чувствительный элемент работает следующим образом. Колебания полусферической оболочки 1 приводят к периодическому изменению зазора D между металлизированной поверхностью 4 зубцов 3 полусферической оболочки 1 и площадками 6 с амплитудой d. Известно, что амплитуда этих колебаний равна:
где r - амплитуда радиальных колебаний полусферической оболочки.
Электрическая емкость С, которую образуют площадки 6 и расположенные напротив них металлизированные поверхности 4 зубцов 3 полусферической оболочки 1, зависит от амплитуды колебаний следующим образом:
где S - площадь металлизированной поверхности зубца;
ε - диэлектрическая проницаемость среды, для вакуума ε=1;
0
ε - диэлектрическая постоянная.
Изменение емкости С при колебаниях преобразуется в электронном блоке в электрический сигнал, который используют для определения ориентации стоячей волны.
Для управления стоячей волной в полусферической оболочке управляющее напряжение U прикладывают к площадкам 6, что приводит к появлению электростатической силы F. Для вакуума эта сила равна:
2
Оценим характеристики предложенного чувствительного элемента твердотельного волнового гироскопа. Пусть полусферическая оболочка 1 имеет диаметр 20 мм, толщину стенки 0,5 мм, площадь металлизированной поверхности зубца S=25 мм. Тогда емкость С для предложенного чувствительного элемента будет в 6,4 раза больше, чем для известного чувствительного элемента, что приведет к такому же улучшению соотношения сигнал/шум выходного сигнала чувствительного элемента. В такой же степени возрастает величина электростатической силы F при одинаковом управляющем напряжении U. Это означает, что управляющее напряжение в предложенном чувствительном элементе может быть уменьшено в ~2,5 раза. По мнению авторов, повышение соотношения сигнал/шум в 6,4 раза приведет к уменьшению погрешности гироскопа, связанной с шумом выходного сигнала, в 5-6 раз. Увеличение площади S в предложенном чувствительном элементе по сравнению с известным чувствительным элементом может быть использовано также для увеличения величины зазора D. При приведенных в примере параметрах при одинаковой чувствительности предложенного и известного чувствительных элементов зазор D в предложенном чувствительном элементе больше в 2,5 раза, что значительно облегчает сборку чувствительного элемента.
Таким образом, по сравнению с известным чувствительным элементом предложенный чувствительный элемент имеет в 6-7 раз более высокую чувствительность, работает при величинах управляющих напряжений, в 2-3 раза меньших, и имеет более простую технологию сборки.