Гироскоп-магнетрон с холодными электродами

Полезная модель относится к области приборостроения и предназначена как для использования в системах ориентации и навигации кораблей, самолетов и других подвижных объектов, так и в лабораторных и других стационарных условиях для измерения угловых скоростей и интегралов от них тренажеров, поворотных столов и других устройств.
Известен двухмагнетронный гироскоп [Патент изобретения №2 207511, БИ, №17, 2003 год]. Его недостаток - невозможность обеспечить высокую точность измерения угловой скорости прибором вследствие неидентичности их параметров и характеристик.
Известен резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона [Пат. на ПМ РФ №116999, 2012 г, авторы Мельников Л.А и др.], в состав которого входят два митрона, каждый из которых состоит из установленных в вакуумированной полости резонаторов в виде холодного катода и концентричного ему резонансного анода со штырями и впадинами, а также электронная пушка, содержащая нить накала, подогревной катод и конический анод, в состав митрона также входят источник постоянного магнитного поля и электрод вывода информации, причем ось симметрии митронов, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля так, что измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно. При этом два митрона размещены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно, каждый резонансный анод состоит из малого и большого секторов, при этом большой сектор холодного катода первого митрона является неполным круговым, второго - неполным кольцевым, при этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода до центральной зоны, где напротив друг друга расположены малые секторы холодного катода и резонансного анода, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенные с одинаковым угловым шагом.
Однако, т.к. имеются два резонатора, их полную идентичность обеспечить невозможно, и погрешность имеет место.
Наиболее близким техническим решением является полезная модель №163266 «Однорезонаторный гироскоп-магнетрон», кл. G01C 19/00 от 10.07. 2016 г., автор - П.К. Плотников.
Он характеризуется тем, что в однорезонаторном гироскопе-магнетроне, содержащем чувствительный элемент в виде магнетрона, представляющем собой герметичную замкнутую полость с расположенными в ней электродом для вывода информации, резонаторным анодом и холодным катодом, накальным эмитирующим катодом, управляющим коническим анодом электронной пушки; магнитную систему магнетрона, источники питающих напряжений, причем чувствительный элемент укреплен посредством кронштейна и регулируемых опор так, что ось холодного катода и резонаторного анода, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, согласно заявляемому техническому решению в его состав вместо второго магнетрона введен высокостабильный измеритель времени, электрод вывода информации магнетрона и выход высокостабильного измерителя времени соединены с соответствующими входами фазового компаратора, выходы которого соединены с входами микропроцессора, выполненного с возможностью определения по алгоритмам сравнения приращения частоты магнетрона по отношению к частоте эталонного генератора, пропорциональной измеряемой угловой скорости, а также приращения фазы от приращения частоты, являющейся выходным сигналом, пропорциональным приращению интеграла от указанной угловой скорости.
Недостатком прототипа является его сложность. Кроме того, из-за высокой частоты гироскопа-магнетрона трудно обеспечить измерение малых угловых скоростей. У эталонного измерителя времени и частоты максимальная измеряемая частота должна быть выше частоты гироскопа-магнетона на 6-7 порядков, что труднодостижимо.
Задачей данной полезной модели является существенное уменьшение этих недостатков, т.е. повышение точности измерения.
Техническим результатом является применение магнетрона, содержащего два холодных электрода, внешний из которых содержит резонаторы, применение реверсирования полярности напряжения между электродами, что стало возможным при исключении подогревного эмиттирующего катода, холодные электроды выполнены из одного и того же материала - из меди, цинка или другого с малой работой выхода электронов. Для определения разности частот, а также набегов фаз между выходными сигналами магнетрона в два одинаковых по длительности полупериода, длительностью по времени порядка (0.01-0.0005) с, применен микропроцессор, через посредство реверсивного счетчика или интегратора накапливающий разности сигналов между каждыми двумя полупериодами реверсирования знака напряжения в запоминающем устройстве - таймере, записывающий сигналы прибора в реальном времени, хранящий его в запоминающем устройстве, а также производящий определение угловой скорости и интеграла от угловой скорости подвижного объекта вокруг измерительной оси, коллинеарной вектору магнитной индукции. За счет возможности применения высокостабильного по частоте реверсивного счетчика и запоминающего устройства - таймера, что обеспечено развитием науки и техники в области бортовых компьютеров и приборов времени, удается резко повысить точность предлагаемого прибора по отношению к прототипу. Прибор потребляет мало энергии за счет малого тока эмиссии.
Поставленная задача решается тем, что в однорезонаторном гироскопе-магнетроне, содержащем чувствительный элемент в виде магнетрона, представляющего собой герметичную вакуумированную замкнутую полость с электродами, источниками магнитной индукции, источником высокостабильного напряжения, устройства съема сигнала, микропроцессора, причем чувствительный элемент укреплен посредством кронштейна и регулируемых опор так, что ось холодных электродов, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, согласно заявляемому техническому решению, в герметичной полости расположены холодные электроды, выполненные из одинакового материала с низкой работой выхода электронов, причем наружный электрод содержит четное количество цилиндрических резонаторов, имеется электрод-петля для вывода информации, источник реверсируемых высокостабильных по амплитуде и времени прямоугольных питающих напряжений, в его состав введен высокоточный измеритель импульсов времени, электрод вывода информации магнетрона и измерителя времени соединены с соответствующими входами микропроцессора, который имеет возможность через посредство реверсивного счетчика или интегратора накапливать разность сигналов между каждыми двумя полупериодами реверсирования знака напряжения в запоминающем устройстве - таймере, записывать сигналы прибора в реальном времени с сохранением его в запоминающем устройстве, с целью обеспечения условий определения угловой скорости и интеграла от угловой скорости подвижного объекта вокруг измерительной оси.
На фиг. 1 представлена конструктивная схем в прибора, на фиг. 2 -функциональная электрическая схема прибора.
На фиг. 1-2 приняты следующие обозначения:
1 - внешний резонаторный электрод,
2 - внутренний электрод,
3 - пластиковый, например, керамический корпус прибора,
4 - резонансная полость,
5 - электрод вывода выходной информации прибора
6 - магнит,
7 - герметичный металлический корпус прибора,
8 - корпус (фюзеляж) подвижного объекта,
9 - балластный резистор,
10 - стабилизаторы тока и напряжения,
11 - устройство переключения полярности напряжения,
12 - интерфейс,
13 - источник эталонной счетной частоты и времени,
14 - микропроцессор.
ζ
Конструкция по фиг 1 по сравнению с аналогами и прототипом существенно проще: устранены электронная пушка с накальным катодом, значительно снижено энергопотребление, т.к. прибор индикаторный. Электроды выполнены из одного и того же материала (железа, меди, кадмия или другого с низким выходом энергии электронов). Их обращенные друг к другу поверхности желательно покрывать активирующими материалами и иметь определенную шероховатость с целью улучшения выхода электронов. Напряжение порядка 80-100 В и ток порядка 1 - 5 мА стабилизируются с помощью стабилизаторов 10 для обеспечения высокой точности прибора. На фиг. 1 провода, элементы крепления прибора не показаны. Электроды электроизолированы и крепятся к металлическому кожуху прибора 8 с помощью электроизолирующего стакана 3. Герметичный кожух 8 крепится с заданной точностью к фюзеляжу подвижного объекта 7. Северный и южный полюсы магнита 6 закреплены внутри кожуха прибора 8, а он, в свою очередь, установлен в корпусе (фюзеляже) ПО 7. При этом его измерительная ось ох с высокой точностью совпадет с одной из трех взаимно - перпендикулярных осей ПО. Обозначено: ω - измеряемая абсолютная угловая скорость ПО; В - вектор индукции, создаваемой магнитом 6. Резонансный электрод 1 содержит 8 цилиндрических резонаторов (может быть другое число резонаторов [3]). Для съема СВЧ - информации предназначен виток 5. Нетрудно видеть, что предложенная конструкция намного проще, чем у прототипа. Блок электроники предназначен для переключения полярности через периоды 0.005-0.01 с высокостабильных периодических импульсов напряжения, подаваемого на холодные электроды. Для стабилизации импульсов тока и напряжения предназначен блок 10, а для их формирования - блок 11. Интерфейс 12 предназначен для отсечки сигналов от 5 при положительных и отрицательном напряжениях на электродах 1 и 2. Эта информация запоминается в микропроцессоре 14, где информация обрабатывается по приведенным ниже алгоритмам и выводится в виде оценок угловой скорости ПО и интеграла от этой скорости. Процесс работы прибора.
ζ
В условиях движения, при появлении измеряемой угловой скорости ω ПО вокруг измерительной оси прибора, частота магнетрона изменяется и становится равной:
0
Частоту магнетрона ν определяют, например, по книге [Шевчик В.Н. Электронные приборы сверхвысоких частот.- Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1980. -416 с.]
0
0
На выходе микропроцессора наблюдают разность частот ν-ν, где ν - частота генератора. Имеют [Патент РФ №116999]:
где
r - средний радиус окружности в зазоре между резонаторными анодом и катодом;
λ - длина волны магнетрона в свободном пространстве;
з
К- коэффициент замедления [Лебедев И.А. Техника и приборы СВЧ. Том2-М.: «Высшая школа» -376 с.],
n - целое число, характеризующее сдвиг фаз электромагнитных колебаний в соседних резонаторах (основной сдвиг фаз 180°);
р - номер пространственной гармоники, знак при р характеризует направление бегущих волн;
с - скорость света;
N - число резонаторов;
2
L, s - периметр и площадь средней в зазоре окружности {L=2πr; s=πr);
ζ
ω - измеряемая угловая скорость ПО.
Из (2) представляют выражение для масштабного коэффициента прибора:
Справедлива формула, аналогичная формуле (4)
Для получения интегральной информации интегрируют (4):
Для первого полупериода времени (0, …, Т/2) переключения знака напряжения электродов имеем:
Включение реверсивного счетчика (интегратора) целесообразно произвести при t=0 и Φ(0)=0. Поэтому для первого полупериода получаем:
01
Во второй полупериод переключения знака напряжения на электродах (172, …, Т), когда вследствие этого направление движения электромагнитных волн и электронных «спиц» сменилось на обратное, как и фазовый угол Φ, так что будет иметь место
В итоге имеем приращение фазового угла за первый период переключения напряжения между электродами:
На 2, 3, 4, 5 … периодах формулы повторяются со сменой индексов, так что будем иметь после n-го периода соотношения:
Или, в развернутой форме:
Угловая скорость подвижного объекта определяется с учетом того, что период переключения знака напряжения Т на 1-2 порядка меньше периода качки подвижного объекта (ПО). Считая на периоде Т угловую скорость ПО постоянной, имеем из (6) и (7) формулу:
Из этого выражения получаем формулу для оценки угловой скорости ПО:
Формула означает, что угловая скорость подвижного объекта может быть определена на каждом периоде смены знака напряжения, подводимого к холодным электродам.
Приращение фазы измеряют через приращения Δτ времени, задаваемое генератором 2 в микропроцессоре 4:
Рассмотрим пример.
Разработан однорезонаторный гироскоп-магнетрон со следующими параметрами: r=3.82 см,
N=4; к=12 - условие резонанса
n=2 - это означает, что обеспечен π - вид колебаний в магнетроне;
λ=2 см;
r
λ
p=1, где k=2π/=12-условие резонанса.
ζ
Значит Δν=3,82ω рад/с, где Δν выражается в рад/с.
ζ
0
Δφ=3,82ω (t-t) рад.
4
5
Сравнив масштабный коэффициент (3) с аналогичным коэффициентом двухрезонаторного гироскопа ПМ №116999, получили, что в данном случае он в 2 раза меньше. Но в то же время погрешность измерения прибора может быть снижена в 10…10 раз по отношению к прототипу в зависимости от точности эталонного генератора.
Источники информации
1. Пат РФ №2 207511, кл. G01C 19/64, опубликовано 27.06.2003 г, автор П.К. Плотников.
2. Пат. на ПМ РФ №116999, 2012 г, авторы Мельников Л.А и др.
3. Лебедев И.А. Техника и приборы СВЧ. Том 2-М.: «Высшая школа» - 376 с.
4. http://www.kvarz.com/general/chl-76a.html
5. http://www.joomla3-templates.html
6. Шевчик В.Н. Электронные приборы сверхвысоких частот. - Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1980. - 416 с.