ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП (ВАРИАНТЫ)
PIEZOELECTRIC VIBRATION GYROSCOPE (VERSIONS)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для измерения величины угловой скорости.
Известен вибрационный гироскоп [патент США №3520195], содержащий резонатор в форме стержня прямоугольного поперечного сечения из высокодобротного материала (кварц, элинвар, сталь), на двух противоположных боковых гранях которого закреплены приводные пьезоэлементы, а на двух других гранях закреплены выходные пьезоэлементы. Приводные пьезоэлементы служат для возбуждения поперечных колебаний стержня в первой плоскости. При вращении вибрационного гироскопа вокруг продольной оси стержня сила Кориолиса вызывает поперечные колебания стержня во второй плоскости, перпендикулярной плоскости первичных колебаний. При этом на выходных пьезоэлементах возникают противофазные электрические сигналы, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости вращения. Таким образом, данный гироскоп позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси измерения, совпадающей с продольной осью стержня.
Недостатком данного вибрационного гироскопа является низкая точность, так как отклонения от заданной плоскости первичных колебаний, вызванные технологическими погрешностями изготовления резонатора и пьезоэлементов, порождают на выходных пьезоэлементах паразитный сигнал. Кроме того, точность вибрационного гироскопа снижается из-за использования разнородных материалов для изготовления резонатора и пьезоэлементов.
Функциональным аналогом заявляемого объекта является вибрационный гироскоп [RU 2104557 С1 (Виноградов А.Н., Голяев Ю.Д., Запотылько Н.Р., Красивский И.Н., Мельников А.В.), 26.07.1996], содержащий стержень в форме призмы четырехугольного поперечного сечения, диагонали которой взаимно перпендикулярны. На одной паре смежных граней призмы закреплены пьезоэлементы возбуждения, а на другой паре смежных граней призмы закреплены измерительные пьезоэлементы. Данный гироскоп, позволяет измерять величину угловой скорости при вращении его вокруг оси измерения, совпадающей с продольной осью стержня.
Недостатком данного вибрационного гироскопа является низкая точность, обусловленная использованием разнородных материалов для изготовления резонатора и пьезоэлементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является пьезоэлектрический вибрационный гироскоп [Левицкий А.А., Маринушкин П.С. Численное моделирование пьезоэлектрического вибрационного гироскопа. / / Датчики и системы, 2009, №9, стр.11-14, рис.1], содержащий цилиндрический тонкостенный резонатор из пьезоэлектрического материала с двумя парами электродов на его внешней поверхности и сплошным электродом на его внутренней поверхности. Первая пара диаметрально противоположных электродов служит для возбуждения поперечной волны деформации в первой плоскости, проходящей через ось симметрии первой пары электродов. Вторая пара диаметрально противоположных электродов служит для измерения амплитуды поперечных колебаний цилиндра во второй плоскости, перпендикулярной первой плоскости.
Недостатком данного пьезоэлектрического вибрационного гироскопа является недостаточно высокая точность из-за влияния на выходной сигнал технологических погрешностей. Несимметричное расположение электродов относительно продольной оси резонатора и несимметричность самого резонатора, вызванные погрешностями при изготовлении цилиндра и нанесении электродов, приводят к несовпадению плоскости первичных колебаний с плоскостью симметрии цилиндра, что вызывает на выходных электродах паразитный сигнал. При этом использование двух диаметрально противоположных электродов для возбуждения первичных колебаний не позволяет скомпенсировать паразитный сигнал.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении точности измерения угловой скорости и чувствительности пьезоэлектрического вибрационного гироскопа за счет компенсации паразитного сигнала.
Для решения поставленной задачи пьезоэлектрический вибрационный гироскоп, содержащий цилиндрический тонкостенный резонатор из пьезоэлектрического материала, на внутренней поверхности которого сформирован сплошной общий электрод, а на внешней поверхности сформированы две пары расположенных диаметрально противоположно сегментных электродов, согласно изобретению дополнительно содержит два потенциометра, автогенератор и последовательно соединенные дифференциальный усилитель, синхронный детектор, сглаживающий фильтр и усилитель напряжения, при этом два сегментных электрода из разных пар соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя и с одним из потенциометров, средний вывод которого соединен с выходом автогенератора и со вторым входом синхронного детектора, а два других сегментных электрода из разных пар подключены к другому потенциометру, средний вывод которого соединен с входом автогенератора.
Для решения поставленной задачи пьезоэлектрический вибрационный гироскоп, содержащий цилиндрический тонкостенный резонатор из пьезоэлектрического материала, на внутренней поверхности которого сформирован сплошной общий электрод, а на внешней поверхности сформированы две пары расположенных диаметрально противоположно сегментных электродов, согласно изобретению дополнительно содержит потенциометр, автогенератор и последовательно соединенные дифференциальный усилитель, синхронный детектор, сглаживающий фильтр и усилитель напряжения, при этом сегментные электроды одной из пар соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя, один из сегментных электродов другой пары подключен к входу автогенератора, а другой выполнен в виде двух изолированных друг от друга участков металлизации, соединенных через потенциометр, средний вывод которого подключен к выходу автогенератора и ко второму входу синхронного детектора.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена структурная схема пьезоэлектрического вибрационного гироскопа по первому варианту исполнения, на фиг.2 представлена структурная схема пьезоэлектрического вибрационного гироскопа по второму варианту исполнения, на фиг.3 представлен общий вид цилиндрического тонкостенного резонатора пьезоэлектрического вибрационного гироскопа по второму варианту исполнения.
1
4
1
2
3
4
Предлагаемый пьезоэлектрический вибрационный гироскоп (фиг.1) содержит цилиндрический тонкостенный резонатор 1 из пьезоэлектрического материала, на внутренней поверхности которого сформирован сплошной общий электрод 2, а на внешней поверхности сформированы две пары расположенных диаметрально противоположно сегментных электродов 3-3. Пьезоэлектрический вибрационный гироскоп также содержит два потенциометра 4 и 5, автогенератор (АГ) 6 и последовательно соединенные дифференциальный усилитель (ДУ) 7, синхронный детектор (СД) 8, сглаживающий фильтр (СФ) 9 и усилитель напряжения (УН) 10. При этом два сегментных электрода из разных пар (например, 3 и 3) соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 7 и с одним из потенциометров 4. Средний вывод потенциометра 4 соединен с выходом автогенератора 6 и со вторым входом синхронного детектора 8. Два других сегментных электрода из разных пар (например, 3 и 3) подключены к другому потенциометру 5, средний вывод которого соединен с входом автогенератора 6. Сплошной общий электрод 2, расположенный па внутренней поверхности цилиндрического тонкостенного резонатора 1, подключен к общему проводу схемы.
1
4
2
4
3
1
В соответствии со вторым вариантом исполнения (фиг.2) пьезоэлектрический вибрационный гироскоп содержит цилиндрический тонкостенный резонатор 1 из пьезоэлектрического материала, на внутренней поверхности которого сформирован сплошной общий электрод 2, а на внешней поверхности сформированы две пары расположенных диаметрально противоположно сегментных электродов 3-3. Пьезоэлектрический вибрационный гироскоп также содержит потенциометр 4, автогенератор 6 и последовательно соединенные дифференциальный усилитель 7, синхронный детектор 8, сглаживающий фильтр 9 и усилитель напряжения 10, при этом сегментные электроды одной из пар (например, 3 и 3) соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 7. Один из сегментных электродов другой пары (например, 3) подключен к входу автогенератора 6, а другой сегментный электрод (например, 3) выполнен в виде двух изолированных друг от друга участков металлизации, соединенных через потенциометр 4, средний вывод которого подключен к выходу автогенератора 6 и ко второму входу синхронного детектора 8.
Следует отметить, что в предлагаемом пьезоэлектрическом вибрационном гироскопе могут использоваться как аналоговые, так и цифровые потенциометры. Выбор того или иного варианта не влияет на формирование положительного эффекта изобретения.
1
2
3
4
1
2
1
2
1
4
1
2
3
4
1
2
1
2
Пьезоэлектрический вибрационный гироскоп работает следующим образом. Для возбуждения поперечных колебаний цилиндрического тонкостенного резонатора 1 в плоскости XZ на сегментные электроды 3 и 3 подают переменный электрический сигнал с выхода автогенератора 6 (фиг.1). Сигнал обратной связи с сегментных электродов 3 и 3 поступает на вход автогенератора 6. Таким образом, резонатор 1 оказывается включенным в цепь обратной связи автогенератора 6. В результате частота колебаний устанавливается равной частоте собственных поперечных колебаний цилиндрического тонкостенного резонатора 1. Использование автогенераторной схемы включения цилиндрического тонкостенного резонатора 1 позволяет повысить стабильность частоты первичных колебаний и, тем самым, повысить стабильность масштабного коэффициента и чувствительность пьезоэлектрического вибрационного гироскопа. В отсутствие вращения пьезоэлектрического вибрационного гироскопа на сегментных электродах 3 и 3 возникают синфазные электрические сигналы с одинаковыми амплитудами. Соответственно, разность выходных напряжений на сегментных электродах 3 и 3 равна нулю, то есть выходной сигнал отсутствует. Однако вследствие технологических погрешностей при изготовлении цилиндрического тонкостенного резонатора 1 (асимметрия электродов относительно оси измерения, асимметрия цилиндрического тонкостенного резонатора 1) на сегментных электродах 3-3 образуются неодинаковые заряды. При этом на выходе пьезоэлектрического вибрационного гироскопа будет наблюдаться паразитный выходной сигнал в отсутствие вращения. В предлагаемом пьезоэлектрическом вибрационном гироскопе предусмотрена компенсация паразитного сигнала, для чего с помощью потенциометров 4 и 5 осуществляется регулировка сигнала возбуждения, поступающего с выхода автогенератора 6 на сегментные электроды 3 и 3, и сигналов обратной связи, поступающих с сегментных электродов 3 и 3. Это приводит к повороту плоскости первичных колебаний и совмещению плоскости первичных колебаний с плоскостью симметрии цилиндрического тонкостенного резонатора 1, уменьшению паразитного сигнала и, как следствие, способствует повышению точности измерения угловой скорости. При вращении пьезоэлектрического вибрационного гироскопа вокруг продольной оси цилиндрического тонкостенного резонатора 1 за счет кориолисовых сил инерции возникают поперечные колебания цилиндрического тонкостенного резонатора 1 в плоскости YZ, перпендикулярной плоскости первичных колебаний. В результате этих колебаний на сегментных электродах 3 и 3 возникают напряжения разного знака. Эти напряжения подаются на входы дифференциального усилителя 7. Таким образом, для возбуждения первичных колебаний и детектирования вторичных колебаний используются одни и те же сегментные электроды - 3 и 3, что позволяет добиться лучшей температурной стабильности и уменьшить дрейф выходного сигнала. Выходное напряжение автогенератора 6 используется в качестве опорного для синхронного детектора 8, который производит выпрямление напряжения, поступающего с выхода дифференциального усилителя 7. Далее выходное напряжение синхронного детектора 8 фильтруется с помощью сглаживающего фильтра 9 и усиливается усилителем напряжения 10. Сигнал на выходе усилителя напряжения 10 имеет величину, пропорциональную угловой скорости вращения, а его фаза определяется направлением вращения.
1
3
1
2
4
Во втором варианте исполнения пьезоэлектрического вибрационного гироскопа (фиг.2) возбуждение поперечных колебаний цилиндрического тонкостенного резонатора 1 в плоскости XZ осуществляют подачей переменного электрического сигнала с выхода автогенератора 6 на сегментный электрод 3. В то же время сигнал обратной связи с сегментного электрода 3 поступает на вход автогенератора 6. Возможность компенсации паразитного сигнала в данном варианте исполнения пьезоэлектрического вибрационного гироскопа достигается за счет того, что сегментный электрод 3 выполнен в виде двух изолированных друг от друга участков металлизации, соединенных через потенциометр 4, с помощью которого осуществляется регулировка сигнала возбуждения. В результате этой регулировки происходит поворот плоскости первичных колебаний и ее совмещение с плоскостью симметрии цилиндрического тонкостенного резонатора 1, что позволяет скомпенсировать паразитный сигнал и, тем самым, повысить точность измерения угловой скорости. При вращении пьезоэлектрического вибрационного гироскопа вокруг продольной оси цилиндрического тонкостенного резонатора 1 за счет кориолисовых сил инерции возникают поперечные колебания цилиндрического тонкостенного резонатора 1 в плоскости YZ. В результате этих колебаний на сегментных электродах 3 и 3 возникают напряжения разного знака. Эти напряжения подаются на входы дифференциального усилителя 7. Далее выходное напряжение дифференциального усилителя 7 выпрямляется с помощью синхронного детектора 8, фильтруется с помощью сглаживающего фильтра 9 и усиливается усилителем напряжения 10.
Таким образом, в предлагаемом изобретении достигается возможность управлять положением плоскости колебаний цилиндрического тонкостенного резонатора, что позволяет скомпенсировать влияние температуры и технологических погрешностей при изготовлении резонатора и электродов, что в свою очередь приводит к уменьшению дрейфа выходного сигнала. В целом, по сравнению с известными устройствами предлагаемый пьезоэлектрический вибрационный гироскоп позволяет повысить точность измерения угловой скорости.