Цилиндрический резонатор

Полезная модель относится к конструкции резонаторов волновых твердотельных гироскопов средней и низкой точности, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, кораблей, промышленных роботов.
6
Известен резонатор из кварцевого стекла применяемый в волновых твердотельных гироскопах [Loper E.D., Lynch D.D. Vibratory rotation sensor // Патент США G01C 19/56 №4951508 (1990)]. При вращении колеблющегося резонатора вокруг оси симметрии, из-за действия кориолисовых сил, угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость, с которой вращается резонатор. Известный резонатор вытачивается из куска кварцевого стекла на прецизионном механическом оборудовании. Известный резонатор характеризуется высокой добротностью (10-15)⋅10, высокой изотропностью и стабильностью характеристик. Применение такого резонатора в волновом твердотельном гироскопе позволяет достичь высокой точности волнового твердотельного гироскопа.
Недостатком известного резонатора является высокая трудоемкость его изготовления и высокая себестоимость, связанная с необходимостью применения прецизионного оборудования для механической обработки стекла. Из-за высокой себестоимости известные резонаторы используют только в волновых твердотельных гироскопах высокой точности. Волновые твердотельные гироскопы средней и низкой точности являются продукцией массового производства и требуют применения дешевых и простых в производстве резонаторов.
Известен резонатор волнового твердотельного гироскопа, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с дном. Резонатор скрепляется дном с другими частями чувствительного элемента, а его кромка на противоположном конце цилиндра служит рабочей частью резонатора и совершает изгибные колебания при работе резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. Известно, что максимальная скорость систематического дрейфа волнового твердотельного гироскопа обратно пропорциональна добротности резонатора и может быть определена по формуле [Журавлев В.Ф., Климов Д.М. Волновой твердотельный гироскоп М.: Наука, 1985.125 с.]:
где  - максимальная скорость систематического дрейфа; А - постоянный коэффициент; ƒ - частота изгибных колебаний кромки резонатора; Q - добротность резонатора; k - постоянный коэффициент, учитывающий неизотропность резонатора.
Известный цилиндрический резонатор имеет приемлемую трудоемкость и себестоимость для использования его в волновых твердотельных гироскопах средней и низкой точности. Однако добротность цилиндрических тонкостенных металлических резонаторов не превышает в килогерцовом диапазоне частот 60000-70000 из-за высокого внутреннего трения в металлах. Кроме того, металлическая структура имеет недостаточную однородность и стабильность [Зинер К. Упругость и неупругость металлов // Сб.: Упругость и неупругость металлов // Ред. Вонсовский СВ. М: ИЛ, 1954. С. 9-168.]. В результате максимальная скорость систематического дрейфа достигает в таких гироскопах 1000 град/час и имеет невысокую стабильность из-за временной нестабильности внутреннего трения в металлической структуре.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение в 10-15 раз добротности резонатора волнового твердотельного гироскопа и улучшение стабильности его характеристик.
Этот технический результат достигается за счет того, что цилиндрический резонатор волнового твердотельного гироскопа выполнен из кварцевого стекла в виде тонкостенного цилиндра (трубки), закрепляемого за один из его концов. Причем закрепляемый конец цилиндра отделен от рабочей части цилиндра перетяжкой диаметром от  до  диаметра цилиндра, а длина закрепляемого конца цилиндра составляет 10-30% от общей длины цилиндрического резонатора.
На Фиг. 1 приведена конструкция цилиндрического резонатора.
k
p
Цилиндрический резонатор выполняют из отрезка трубки из кварцевого стекла длиной L и диаметром D. Резонатор имеет закрепляемый конец 1 длиной L и рабочую часть 2 длиной L. Закрепляемый конец 1 цилиндра отделен от рабочей части 2 перетяжкой 3 диаметром d. Перетяжку 3 изготавливают, нагревая отрезок кварцевой трубки в пламени стеклодувной горелки до размягчения кварцевого стекла, и деформируя трубку для получения необходимой формы.
k
6
Предложенный цилиндрический резонатор работает следующим образом. Резонатор закрепляют в волновом твердотельном гироскопе за закрепляемый конец 1, например, с помощью клея. С помощью электрической системы волнового твердотельного гироскопа возбуждают изгибные колебания рабочей части 2 резонатора и измеряют эволюцию волновой картины. По этим измерениям определяют угловое перемещение гироскопа. Благодаря наличию перетяжки 3 диаметром  отделяющей закрепляемый конец длиной L=(0.1-0.3)⋅L от рабочей части цилиндра, колебания рабочей части не передаются в закрепляемый конец 1 и добротность резонатора не уменьшается. Благодаря тому, что в качестве материала в заявляемой полезной модели использовано кварцевое стекло, добротность резонатора оказывается высокой и по данным авторов превышает 10, а стабильность характеристик предложенного резонатора оказывается высокой, благодаря высокой стабильности свойств кварцевого стекла.
Предложенный резонатор изготавливают без использования прецизионного механического оборудования, поэтому себестоимость изготовления невелика, что позволяет использовать его в волновых гироскопах средней и низкой точности.
Таким образом, по сравнению с известным цилиндрическим резонатором, заявленная полезная модель позволяет увеличить добротность цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа средней и низкой точности в 10-15 раз и увеличить стабильность его характеристик без увеличения его себестоимости.