КОЛЬЦЕВОЙ ГИРОСКОП РАДИОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к гироскопическим измерителям абсолютных угловых скоростей подвижных объектов: самолетов, вертолетов, ракет, автомобилей и элементов на них - колес, турбин, валов, площадок для использования в системах управления, как самих объектов, так и их элементов. Характерной особенностью данного прибора является отсутствие быстровращающегося ротатора, что объясняется принципом его действия, основанным на теории относительности.
Известны волоконно-оптические гироскопы, основанные на вихревом эффекте Саньяка (Brown R.B. NRL Memorandum report 1871, Navel Research Laboratory, Washington, D.C. 1968). В волоконно-оптическом гироскопе оптический замкнутый контур образован многовитковой катушкой оптического волокна. Он состоит из лазера, излучение которого подается на светоделитель, после которого оно разделяется на два встречных луча. Два луча, обошедшие контур в противоположных направлениях, рекомбинируют на светоделителе и смешиваются в фотодетекторе, который выделяет разность фаз двух встречных лучей. Она пропорциональна измеряемой абсолютной угловой скорости объекта.
Однако, практика применения данных волоконно-оптических гироскопов свидетельствует о том, что их производство является достаточно дорогим и сложным из-за трудностей обеспечения высокой точности оптического волокна, линз, модуляторов, поляризаторов и других элементов и прибора в целом. К тому же установлено, что прибор подвержен влиянию магнитного, теплового, деформационного и других эксплуатационных воздействий.
В значительной степени от этого недостатка свободен кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона (Бернштейн И.Л. Доклады АН СССР, 1950, т. 75, №5, с. 635; Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение. 1971. - С. 113-114). Указанный гироскоп содержит катушку из высокочастотного коаксиального кабеля, намотанного на цилиндрический каркас, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, измеритель фазы, устройство переключения направления распространения электромагнитных колебаний на «прямое» и «противоположное».
В данном устройстве невозможно обеспечить высокую чувствительность гироскопа к угловой скорости при малых его габаритах. Так, в опытах Бернштейна И.Л. был использован гироскоп с каркасом радиуса 1 м, при длине кабеля 244 м. При несущей частоте ν=30,3 МГц сдвиг фазы при скорости вращения гироскопа 1 об/с составил 3 угл.с. Эти данные свидетельствуют о больших габаритах и массе при низкой чувствительности устройства к угловым скоростям объекта.
Существенно повышена чувствительность в кольцевом гироскопе радиоволнового диапазона (Патент РФ №2090842, МПК G01C 19/64, опубл.: 20.09.1997, Бюл. №26), выбранном нами за прототип. В нем применена катушка многосекционной конструкции, каждая секция выполнена в виде полого цилиндра с каркасом из немагнитного изоляционного материала, на внутренней цилиндрической поверхности которого выполнен металлический (например, медный экран), а на наружной поверхности намотана катушка из провода малого диаметра. Секции катушки на полых цилиндрах установлены коаксиально, экраны их соединены между собой параллельно с помощью корпуса прибора, а конец предыдущей секции соединяется с началом следующей секции последовательно. Секции катушки с экраном играют роль коаксиального кабеля и позволяют снизить габариты. При этом каркас можно выполнять из материала с большими магнитными и диэлектрическими проницаемостями, способствуя повышению экранировки катушки от помех.
К недостаткам данной конструкции можно отнести проявление подверженности точности показаний к влиянию температурного изменения сопротивления катушки. Также использование провода малого диаметра снижает технологичность конструкции в сфере возможностей применения методов пленарной технологии, используемой в микроэлектронике.
Задачей полезной модели является повышение точности прибора при улучшении его технологичности.
Технический результат заключается в повышении чувствительности, помехозащищенности и технологичности прибора.
Поставленная задача решается тем, что в кольцевом гироскопе радиоволнового диапазона, содержащем две многосекционные катушки из металлического материала, размещенные в виде секций на наружных поверхностях электроизоляционных каркасов, подключенный к катушкам генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, измеритель фазы, экран из магнитомягкого сплава, эталонный резистор, при этом все секции катушки расположены коаксиально внутри экрана с образованием замкнутого магнитопровода с последовательным соединением секций для обеспечения возможности сложения их сигналов, каждый каркас выполнен в виде цилиндра, на внутренней поверхности каждого каркаса изготовлен дополнительный экран, соединенный с корпусом, согласно заявляемому техническому решению содержится второй эталонный резистор, при этом вторая многосекционная идентичная первой катушка включена с ней встречно с помощью моста, образуя в нем два верхних плеча, свободный нижний зажим каждой катушки соединен с первым зажимом одного из эталонных резисторов, между точками соединений катушек и эталонных резистров подсоединен измеритель фазы, являющийся носителем выходной информации прибора, вторые зажимы эталонных резистров соединены с неподвижными контактами балансного резистора, а его подвижный контакт соединен с корпусом, каждая секция катушек выполнена в виде микрополоски, нанесенной на наружную поверхность каждого каркаса, при этом выходные зажимы генератора подсоединены к свободным общим началу и концу двух встречно соединенных первой и второй катушек, в первой катушке секции соединены так, что конец первой секции соединен с началом третьей секции, конец третьей секции соединен с началом пятой и, аналогичным образом, вплоть до n-ой нечетной секции, во второй катушке начало второй секции соединено с концом четвертой секции, начало четвертой секции соединено с концом шестой секции и, аналогичным образом, вплоть до (n+1)-ой секции, причем каждые нечетная и четная соседние секции, начиная с первой, размещены на каркасах одинакового диаметра.
Полезная модель поясняется чертежами на фиг. 1 - фиг. 4.
На фиг. 1. представлена функциональная схема кольцевого гироскопа радиоволнового диапазона. На фиг. 2. представлена конструктивная схема кольцевого гироскопа радиоволнового диапазона. На фиг. 3. изображена конструктивная схема выполнения микрополосковых секций катушек и каркасов. На фиг. 4. представлена функциональная электрическая схема соединения элементов гироскопа.
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(n)
δ
э
На чертежах приняты следующие условные обозначения: 1, 2 - катушки, 3 - экран, 4 - генератор электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона, 5 - балансный переменный резистор, 6 - эталонные резисторы, 7 - измеритель фазы, 8 - корпус, 9 - посадочная поверхность, 10 - крышка корпуса, 11, 11 - цилиндрические каркасы, 12, 12 - металлические цилиндрические части экрана, 13, 13 - плоские микрополосковые секции, 14, 14 - изоляционные наполнители между каркасами, ω - абсолютная угловая скорость, xx - измерительная ось вращения подвижного объекта, R - сопротивление балансного резистора, R - сопротивление эталонного резистора; а, а - начала секций; b, b - концы секций; клеммные платы на чертежах на показаны.
э
Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона (фиг. 1) состоит из двух катушек 1 и 2 с экраном 3. Зажимы входов катушек 1 и 2 электрически соединены с выходом генератора 4 электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона и с первыми зажимами эталонных резисторов. Выходы катушек 1 и 2 встречно подключены через сопротивления Rэталонных резисторов 6 к неподвижным контактам балансного переменного резистора 5, а также ко входу измерителя фазы 7. Выход подвижного контакта балансного переменного резистора 5 соединен с корпусом 8. Ось симметрии xx катушек 1 и 2 (фиг. 2, фиг. 3) является измерительной осью гироскопа. Экран 3 частично представляет собой конструкцию в виде корпуса 8, закрепленного на подвижном объекте с помощью винтов (на чертеже не показанных) по посадочной поверхности 9. На корпусе 8 закреплена крышка 10 с помощью винтов или клеевого соединения. Совокупность корпуса 8 и крышки 10 образует часть экрана 3, экранирующего катушки 1 и 2 от внешних электромагнитных полей, выполненного из магнитомягкого сплава.
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(n)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
Внутри этой части экрана размещены катушки 1, 2. Конструктивно обе катушки 1, 2 выполнены на наружных поверхностях цилиндрических каркасов 11, 11 в виде плоских микрополосковых секций 13, 13. Начала секций 13, 13, а также металлические цилиндрические части экрана 12, 12 соединены электрически с корпусом 8 и, следовательно, с экраном 3. Отдельная секция 13, согласно фиг. 3, представляет собой каркас 11, на внутренней поверхности которого нанесены металлическая цилиндрическая часть 12 экрана 3, а на наружной его поверхности - спиралевидная микрополосковая секция 13 катушки 1, например, медная. В совокупности с металлической цилиндрической частью 12 экрана 3 она образует микрополосковый волновод, аналогичный коаксиальному кабелю, но обладающему меньшими габаритами. Витки микрополосковой секции 13, а также металлическая цилиндрическая часть 12 могут быть нанесены на цилиндрический электроизоляционный каркас 11 гальваническим путем или напылением в вакууме. Известно, что для обеспечения условий распространения электромагнитных волн толщина каркаса должна быть в 1,4-1,5 раза больше ширины витка катушки, а расстояния между витками не менее чем, вдвое больше ширины полоски. Примерно в такой же пропорции выбирается величина зазора между двумя соседними секциями катушек в радиальном направлении.
(1)
(3)
n
(2)
(4)
Схема соединения секций катушек 1 и 2 показана на фиг. 4. Для катушки 1 соединения секций выполнены так, что конец b первой секции соединен с началом а третьей секции и таким же способом до n-ой секции, конец которой b соединен с левым по схеме фиг. 4 концом одного из резисторов 6. Для катушки 2 секции соединены последовательно навстречу 1-й катушке, так что начало а второй секции соединено с концом b четвертой секции и точно так же соединены все остальные секции до n+1-ой включительно. Конец n+1-ой секции подсоединен к правому верхнему второго эталонного резистора 6, которые служат для создания двух нижних плеч моста. Вторые концы эталонных резисторов 6 соединены с неподвижными контактами балансного резистора 5. Он служит в вертикальной диагонали моста для балансировки сопротивлений катушек при невращающемся объекте, путем установки его подвижной щетки в такое положение, при котором сдвиг фаз между катушками 1 и 2 в горизонтальной диагонали моста отсутствует.
Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона работает следующим образом. При его включении на невращающемся объекте сигнал с выхода генератора электромагнитных колебаний 4 подают на свободные зажимы катушек 1 и 2. Волны в катушках распространяются встречно. Сигналы, в силу неравенства сдвигов фаз, накопленных по мере прохождения радиоволн через катушки 1 и 2, имеющие погрешности изготовления, уравновешивают путем перемещения щетки балансного резистора 5 таким образом, чтобы разностный сигнал на резисторе 6 отсутствовал.
С началом вращения объекта вокруг оси xx с абсолютной угловой скоростью ω по фиг. 2. абсолютный путь прохождения радиоволн в катушке 1 уменьшается, а в катушке 2 увеличивается точно так же, как и в волоконно-оптическом гироскопе. В результате в катушке 1 приращение фазы уменьшается, а в катушке 2 - увеличивается так, что будет иметь место разностный сдвиг фаз Саньяка:
где S - площадь, охваченная витком со средним для катушек 1 и 2 радиусом r; c - скорость света; λ - длина волны электромагнитных колебаний при не вращающемся объекте; N - число витков в катушке 1, равное числу витков для катушки 2. Нетрудно видеть, что при одинаковом с прототипом числе витков чувствительность прибора возросла в 2 раза.
Выполнение металлических цилиндрических частей экрана из магнитомягкого сплава обеспечивает экранировку катушек от внешних электромагнитных полей, что способствует повышению точности. Поэтому, при выполнении прибора со следующими параметрами
9
ν=2,7·10 Гц, λ=c/ν=0,1 м, ω=10 рад/с,
(1)
(n)
ширина микрополоски составила 100 мкм, толщина 10 мкм. Такую же толщину имеют металлические части 12, …, 12 экрана на каркасе. Шаг микрополосковой катушки 400 мкм. Толщина стенки каркаса 0,2 мм, радиальное расстояние между секциями 0,5 мм. Наружный диаметр двух катушек 120 мм, внутренний 10 мм, высота 60 мм. Секции попарно размещены на каркасах одинаковых диаметров, следовательно, средний радиус витка r=27,5 мм.
3
-3
Таким образом, число витков N=5·10, площадь, охваченная витком, S=2,38·10 м. Подставив эти данные в формулу для разностного сдвига фаз Саньяка, получили
При увеличении частоты ν чувствительность, т.е. коэффициент передачи прибора, увеличивается. Пример показывает, что применение микрополоскового волновода существенно повышает чувствительность, помехозащищенность и технологичность прибора.