ОДНОРЕЗОНАТОРНЫЙ ГИРОСКОП-МАГНЕТРОН

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 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 к заявляемому техническому решению является кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона [Пат РФ №2207511, кл. G01C 19/64, опубликовано 27.06.2003 г., автор П.К. Плотников], содержащий два чувствительных элемента, в качестве которых использован митрон (т.е. магнетрон, настраиваемый напряжением), резонатор, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну чувствительных элементов и два прецизионных переменных резистора. Один из чувствительных элементов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы митрона, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора. Второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону. Прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.
Недостатком данного прибора является невысокая точность измерения, вызванная неидентичностью параметров двух магнетронов, настраиваемых напряжением.
Задачей данной полезной модели является существенное уменьшение этих недостатков, т.е. повышение точности измерения.
Техническим результатом является применение только одного магнетрона, вместо второго в прибор вводится генератор стабильной частоты (таймер) и устройство для определения разности частот между выходными сигналами магнетрона и генератора. За счет возможности применения высокостабильного по частоте таймера, что обеспечено развитием науки и техники в области определения приборов времени, удается резко повысить точность предлагаемого прибора по отношению к прототипу.
Поставленная задача решается тем, что в однорезонаторном гироскопе-магнетроне, содержащем чувствительный элемент в виде магнетрона-митрона, 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.
На фиг. 1 представлена функционально-электрическая схема однорезонаторного гироскоп-магнетрона.
Принятые обозначения: 1 - корпус магнетрона (митрона), соединенный с корпусом подвижного объекта (ПО); 2 - сверхвысокостабильный генератор эталонной (опорной) частоты (таймер); 3 - фазовый компаратор; 4 - бортовое микропроцессорное устройство, 5 - герметичный вакуумплотный магнетрон; 6 - резонаторный анод; 7 - управляющий конический анод электронной пушки; 8 - накальный эмитирующий катод, 9 - холодный катод магнетрона; 10 - электрод вывода информации, выполненный, например, в виде петли или коаксиально-полоскового перехода; 11 - корпус магнетрона, соединенный с корпусом ПО; 12 - магнитная система магнетрона; 13 - резистор анодной цепи; 14 - фазовый калибратор.
Однорезонаторный гироскоп магнетрон содержит чувствительный элемент в виде магнетрона-митрона 5, представляющем собой герметичную замкнутую полость с расположенными в ее корпусе 1 резонаторным анодом 6, электродом для вывода информации 10, холодным катодом 9, накальным эмитирующим катодом 8, управляющим коническим анодом электронной пушки 7. Кроме того, однорезонаторный гироскоп магнетрон содержит магнитную систему магнетрона 12, источники питающих напряжений, причем чувствительный элемент укреплен посредством кронштейна и регулируемых опор так, что ось холодного катода 9 и резонаторного анода 6, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы. В состав вместо второго магнетрона введен высокостабильный измеритель времени в виде сверхвысокочастоного генератора эталонной частоты 2, фазовый калибратор 14 выполнен с возможностью определения собственной частоты генерации магнетрона, при неподвижном объекте равный эталонной частоте генератора. Электрод вывода информации 10 и выход высокостабильного измерителя времени соединены с соответствующими входами фазового компаратора 3, подключенного двусторонними каналами связи к бортовому МПУ 4, выход которого связан с фазовым калибратором 14.
Магнетрон 5 может быть выполнен как в виде классического прибора малой мощности, так и в виде митрона [Лебедев И.А. Техника и приборы СВЧ. Том2-М.: «Высшая школа» - 376 с]. Конструкция крепления митрона, которая может быть применена и для одного магнетрона, описана в патенте №2207511 прототипа. Схема электрическая, заключенная в корпусе 1 фиг. 1, одинакова как для магнетрона, так и для митрона.
Фазовый калибратор 3 представляет собой также фазовый детектор, например, описанного выше типа.
-16
-13
Высокостабильный измеритель времени в виде сверхвысокостабильного генератора эталонной частоты 2 может быть выполнен в виде «Стандарта частоты и времени водородного 41-95», в случае применения прибора для корабля, подлодки, большого летательного аппарата и другого крупного транспортного средства [http://www.kvarz.com/general/ch1-76a.html]. Частоты выходных синусоидальных сигналов кварцевого генератора: 5, 10 и 100 МГц настраиваются по сигналу излучения квантового водородного генератора (КВГ) с частотой 1420, 405 МГц. Относительная нестабильность (погрешность) частоты: 5·10 за сутки и 1,5·10 за 1 с.
-11
-11
3
11
Для малоразмерных ПО и, соответственно, для приборов миниразмеров можно использовать малогабаритный рубидиевый стандарт частоты 41-1012, который применяется в ГЛОНАСС/GPS приемниках в качестве синхронизирующего генератора. Масса 0,65 кг, габариты 102×76×51,5 мм. Среднеквадратическое относительное отклонение частоты 3·10 за 1 с (10 за 10 с) от номинальной 5 МГц. Есть другие приборы частоты, в том числе зарубежные. Например, атомные часы Quantum, SA4SS, корпорация Microsemi, при объеме 17 см обеспечивает по девиации Аллана относительную нестабильность частоты ≤2,5·10- [http://www.joomla3-templates.html].
Выпускается большое количество микропроцессоров. Так, микропроцессоры IntelXenonL3403 характеризуются тактовой частотой 2 ГГц, разрядностью 64 bit и другими параметрами, которые обеспечивают функционирование прибора по данной полезной модели. Могут быть применены и микроконтроллеры, например, Texas Instrument СС2640 с тактовой частотой 2,4 ГГц и разрядностью 32 bit. В его состав входят также два компаратора.
Выпускаются промышленностью и сборки компараторов. Например, отечественная микросхема цифрового фазового генератора 5861 ДФ2У предназначена для измерения фазового рассогласования между двумя гармоническими сигналами. Содержит два делителя частоты и фазовый компаратор, формирователь сигналов рассогласования. Имеются и зарубежные компараторы.
Рассмотрим процесс работы однорезонаторного гироскопа-магнетрона.
Фазовый калибратор 3 включают в работу при неподвижном объекте и определяют собственные номинальные частоты генерации магнетрона.
После подключения питания прибор 8 готов к работе. Производят калибровку прибора путем установки магнетрона 5, например, осью чувствительности по линии Восток-Запад в плоскости горизонта. Определяют по выходным сигналам магнетрона 5  и генератора 2  номинальную (при ω=0) частоту магнетрона. В итоге частоты выходных сигналов магнетрона и генератора становятся одинаковыми.
После этого, например, с помощью поворотного стола, измерительную ось прибора направляют в плоскости горизонта на Север, т.е. вдоль северной составляющей угловой скорости вращения Земли и после обработки сигналов в микропроцессоре 4, определяют масштабный коэффициент прибора К.
В условиях движения, при появлении измеряемой угловой скорости со 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
На выходе микропроцессора наблюдают разность частот ν-ν,
0
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
K - 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°);
p - номер пространственной гармоники, знак при p характеризует направление бегущих волн;
c - скорость света; N - число резонаторов;
2
L, s - периметр и площадь средней в зазоре окружности (L=2πr; s=πr);
ω - измеряемая угловая скорость ПО.
Из (2) представляют выражение для масштабного коэффициента прибора:
Справедлива формула, аналогичная формуле (4)
Для получения интегральной информации проинтегрируют (4):
0
где φ, φ - начальная и текущая фазы сигнала от интеграла угловой скорости.
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;
n=2;
λ=2 см;
p=1.
Значит
Δν=3,82ω рад/с
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 прибора 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/ch1-76a.html
5 http://www.joomla3-templates.html
6 Шевчик B.H. Электронные приборы сверхвысоких частот. - Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 1980. - 416 с.