СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ЧУВСТВИТЕЛЬНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR GENERATION OF VIBRATIONS IN SENSOR OF SOLID STATE WAVE GYROSCOPE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к конструкции твердотельного волнового гироскопа (ТВГ), который используется для определения угловых перемещений в составе блоков навигационных устройств наземной, морской, авиационной и космической техники.
Твердотельный волновой гироскоп является одним из наиболее перспективных приборов, предназначенных для определения угловой скорости вращения объекта, с точки зрения соотношения себестоимости изготовления к точности получаемой инерциальной информации.
В общем случае конструкция ТВГ включает в себя чувствительный элемент (резонатор), систему возбуждения колебаний (далее - датчик раскачки), систему съема информации (далее - датчик угла), электронный узел обработки сигнала (далее - электроника), а также корпусные, опорные и вспомогательные детали [патенты на изобретения RU 2182312, RU 2185601 и др.].
В датчиках раскачки ТВГ могут использоваться следующие способы возбуждения колебаний: электростатический, электромагнитный, индукционный и пьезоэлектрический. Выбор принципа возбуждения колебаний определяется, как правило, исходя из предполагаемых условий эксплуатации прибора и тактико-технических характеристик (ТТХ), предъявляемых к нему.
Конструктивно, чувствительный элемент представляет собой осесимметричное тело. В литературе известны конструкции полусферических, цилиндрических и кольцевых чувствительных элементов.
В качестве материала чувствительного элемента могут использоваться прецизионные сплавы со специальными физическими и физико-механическими свойствами (прецизионные сплавы с низким ТКЛР). Также он может быть изготовлен из диэлектрического материала с высокой добротностью (например, плавленого кварца, сапфира) - в этом случае на поверхности чувствительного элемента формируется металлизированное покрытие [1, 2].
Известен емкостной способ и устройство для возбуждения колебаний в составе конструкций ТВГ [ЕР 1722193 А2]. Действие данного способа базируется на применении электростатических преобразователей. На полусферическом чувствительном элементе из плавленого кварца в определенных местах осуществлено нанесение металлизированного покрытия - электродов конденсаторов и токопроводящих дорожек. На противоположной детали сформированы ответные электроды конденсатора (или ответный кольцевой электрод). Под действием сил Кулона (сил электростатического притяжения) осуществляется возбуждение колебаний в чувствительном элементе. Данный способ позволяет воздействовать на чувствительный элемент с высокой точностью. Высокая точность возбуждения колебаний достигается при использовании нескольких ответных электродов, однако данное конструктивное решение имеет негативные последствия: сложность сборки измерительного узла ТВГ, неоднородность ответных электродов и высокая трудоемкость при их изготовлении. Одно из решений данной проблемы - применение ответного электрода конденсатора в виде кольца (кольцевой электрод). При этом конструктивном решении обеспечивается хорошая равномерная сила электростатического притяжения, однако возникают проблемы с точностью возбуждения колебаний в чувствительном элементе. Такие параметры, как стабильность и повторяемость волновой картины колебаний чувствительного элемента, в большей степени зависят от точности его изготовления. В случае, когда сформированы электроды конденсатора по отдельности, есть возможность применения корректирующего воздействия с помощью каждого электрода. Подобный способ возбуждения реализован в составе большинства конструкций ТВГ [RU 2182312, RU 2207510, RU 2196964, FR 2805039, US 3656354, US 4157041, US 4951508, US 5712427, US 5760304 и др.].
Известен пьезоэлектрический способ и устройство для возбуждения колебаний в составе конструкций ТВГ [US 5081391, US 4525645, US 4759220, ПМ 109851, UA 22153 U, UA 79166 C2 и др.]. Действие данного способа базируется на применении пьезоэлектрических преобразователей (прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты). Данный способ применяется с чувствительными элементами в виде цилиндра, которые могут быть выполнены из прецизионного сплава с низким ТКЛР или неметаллических материалов (плавленый кварц, сапфир). Пьезоэлементы устанавливаются по периметру боковой поверхности (с внешней или внутренней стороны) чувствительного элемента и/или в его основании. В определенной последовательности на них подается электрический сигнал и за счет обратного пьезоэлектрического эффекта элементы деформируются и, как следствие, вызывают деформацию чувствительного элемента, что приводит к колебанию его стенок. Зависимость колебаний чувствительного элемента от деформации пьезоэлементов осуществляется на основе сложных математических расчетов. Стабильность волновой картины зависит от точности позиционирования пьезоэлементов на поверхности чувствительного элемента. Повторяемость характеристик пьезоэлементов от партии к партии варьируется, вследствие чего необходимо осуществлять ряд трудоемких балансировочных операций. В местах крепления пьезоэлементов к чувствительному элементу возникает поверхностное трение - напряжение и, как следствие, возникает дополнительная погрешность. Также крепление пьезоэлементов с помощью клея к поверхности резонатора приводит к разнице в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) и в граничных слоях возникают напряжения, что также приводит к возникновению дополнительных ошибок.
Известен индукционный способ и устройство для возбуждения колебаний в составе конструкций ТВГ [US 6272925 (fig.11-17), 3, 4]. Действие данного способа базируется на применении индукционных преобразователей (изменение магнитного поля). Чувствительный элемент в виде кольца находится в постоянном магнитном поле, перпендикулярном его плоскости. Его создает постоянный магнит, например, из кобальт-самария, расположенный над чувствительным элементом. Сущность способа заключается в том, что при обтекании незаземленного контура переменным током вокруг него создается переменное магнитное поле, которое вызывает появление в проводящих частях разреза вторичных (вихревых) токов. Вторичные токи создают вторичное магнитное поле, направленное в основном противоположно к первичному. Колебания возбуждаются за счет изменения течения электрического тока в проводниках. Питание электрической цепи осуществляется, как правило, переменным низкочастотным гармоническим или ступенчато меняющимся током. Использование данного способа подразумевает наличие на предприятии-производителе хорошего технического оборудования из области микроэлектромеханических систем (МЭМС), а также владения технологическими процессами. Также необходимо осуществлять экранирование измерительного узла от внешних магнитных полей и осуществлять серьезный контроль параметров материала магнита.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является электромагнитный способ и устройство колебаний в составе конструкций ТВГ [US 4793195, G01C 19/56; G01C 19/28; 1988 г.]. Действие данного способа базируется на применении электромагнитных преобразователей (электромагнитов). В данной конструкции используется тонкостенный чувствительный элемент в форме цилиндра. Возбуждение колебаний осуществляется с помощью электромагнитных преобразователей - электромагнитов, расположенных с внешней или внутренней стороны чувствительного элемента. Воздействие происходит с помощью сил электромагнитного притяжения. Электромагниты обеспечивают достаточное усилие для раскачки чувствительного элемента. При применении данного конструктивного решения возможна реализация точечного воздействия каждым отдельным электромагнитом или парой противоположных электромагнитов на чувствительный элемент.
Важными недостатками данного способа и устройства являются сложность обеспечения высокого уровня повторяемости характеристик электромагнитов и воздействие внешних электромагнитных полей, что в конечном итоге приводит к появлению дрейфа нулевого сигнала при неподвижном основании прибора (при отсутствии действия угловой скорости). Используя данный способ, можно возбудить колебания в чувствительном элементе на рабочей частоте, однако сложно их поддерживать (стабильность колебаний) в заданном режиме.
Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение волновой картины колебаний чувствительного элемента, уменьшение дрейфа нулевого сигнала и, как следствие, повышение точности измерения угла поворота и угловой скорости объектов.
Это достигается тем, что в способе возбуждения колебаний в чувствительном элементе твердотельного волнового гироскопа, заключающемся в том, что возбуждение колебаний осуществляют с помощью электромагнитов, для первоначального возбуждения и/или корректировки колебаний на рабочей и/или околорабочей частоте чувствительного элемента используются электромагниты (электромагнитные преобразователи), а для поддержания и/или корректировки колебаний на рабочей частоте используют электроды конденсаторов (электростатические преобразователи).
В устройстве для возбуждения колебаний в чувствительном элементе твердотельного волнового гироскопа, содержащем электромагниты (электромагнитные преобразователи), расположенные с внешней и/или внутренней стороны чувствительного элемента, дополнительно в устройство введены электроды конденсаторов (электростатические преобразователи), расположенные с внешней и/или внутренней стороны чувствительного элемента.
П
-/+
+/-
-/+
+/-
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображено предлагаемое устройство. Устройство содержит электромагнит 1, электроды конденсаторов (электростатических преобразователей) 2, чувствительный элемент 3. На чертеже имеются следующие обозначения: U - напряжение питания электромагнита; U - напряжение питания электродов конденсатора; U - напряжение питания чувствительного элемента. Напряжение питания обкладок конденсатора (U) и чувствительного элемента (U) имеют противоположные знаки.
Способ осуществляют следующим образом.
В предлагаемом способе используется комплексный подход для возбуждения колебаний в чувствительном элементе 3: электромагниты 1 (электромагнитные преобразователи) и электроды конденсаторов 2 (электростатические преобразователи). При этом используются лучшие стороны каждого из способов для получения наилучшего результата.
Электромагниты 1 используются для возбуждения колебаний в чувствительном элементе из режима покоя в рабочий или околорабочий режимы, т.к. они обеспечивают достаточное силовое воздействие на стенки резонатора 3. В процессе функционирования прибора при значительном изменении колебаний (значительном отклонении от рабочего режима) чувствительного элемента 3 электромагниты 1 могут осуществлять корректирующее воздействие.
Электроды конденсатора 2 используются для поддержания колебаний в рабочем режиме (на рабочей частоте) и/или корректировки колебаний чувствительного элемента 3.
Комплексный подход при использовании грубых (электромагниты) и точных (электроды конденсатора) силовых элементов обеспечивает увеличение стабильности колебаний чувствительного элемента в рабочем режиме и, как следствие, снижение дрейфа нулевого сигнала.
Описание конструкции предлагаемого изобретения.
В состав предлагаемого устройства для возбуждения колебаний входят электромагниты (электромагнитные преобразователи), электроды конденсатора (электростатические преобразователи) и чувствительный элемент.
В данной конструкции первичное (околорабочее) возбуждение колебаний осуществляется с помощью электромагнитных преобразователей - электромагнитов, расположенных с внешней или внутренней стороны. Воздействие происходит с помощью сил электромагнитного притяжения. Электромагнит представляет собой металлический сердечник, на который наматывается катушка. При подаче электрического тока в обмотку создается магнитное поле определенного номинала, но достаточное для притяжения (или отталкивания) стенок металлического (или с металлизированным покрытием в случае применения неметалла) чувствительного элемента.
Формирование и/или корректировка волновой картины колебаний чувствительного элемента на рабочей частоте осуществляется под действием сил Кулона (сил электростатического притяжения) и реализуется с помощью электродов конденсаторов (электростатических преобразователей), что позволяет воздействовать на чувствительный элемент с высокой точностью и поддерживать колебания в нем на рабочей частоте.
Предпочтительное расположение электромагнитных и электростатических преобразователей с внешней стороны чувствительного элемента, т.к. при этом возможно создание наибольшего силового воздействия на чувствительный элемент. Также возможны варианты исполнения, когда
- электромагнитные преобразователи расположены с внешней стороны чувствительного элемента, а электростатические преобразователи - с внутренней стороны;
- электростатические преобразователи расположены с внешней стороны чувствительного элемента, а электромагнитные преобразователи - с внутренней стороны;
- электростатические и электромагнитные преобразователи расположены с внешней стороны чувствительного элемента;
- электростатические и электромагнитные преобразователи расположены с внутренней стороны чувствительного элемента.
Устройство работает следующим образом.
П
На катушку электромагнита 1 подается кратковременное напряжение питания U, под действием которого возникает магнитное поле. Под действием временного магнитного поля чувствительный элемент притягивается или отталкивается. Таким образом, в чувствительном элементе возбуждаются колебания на рабочей или околорабочей частоте.
-/+
+/-
После первичного воздействия на чувствительный элемент с помощью электромагнитов на электроды подается питание U (на чувствительный элемент подается питание с противоположным знаком U). Подача питания на электроды конденсаторов осуществляется по определенным алгоритмам.
Предлагаемое устройство изготовлено и испытано на приборостроительном предприятии, имеющем соответствующее оборудование.
Список используемой литературы
1. Лунин Б.С. Научно-технологические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов: Дис. … д-ра техн. наук: 05.11.03, 05.11.14. - М.: РГБ, 2006. (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).
2. Донник А.С. Влияние геометрической однородности и упругой анизотропии материала на точностные характеристики волнового твердотельного гироскопа: Дис. … канд. техн. наук: 01.02.01. - М.: РГБ, 2006. (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).
3. Precision Navigation and pointing Gyroscope. CRM100 Technical Datasheet. - Selicon Sensing, page 31. Адрес в интернет: http://www.pinpoint-gyro.com/wp-content/uploads/2011/05/PinPoint-CRM100-00-0100-132_Rev-6.pdf
4. Шахнови И. МЭМС-гироскопы - единство выбора. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 1/2007, с.82-83.