СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
METHOD AND DEVICE TO MEASURE ANGULAR SPEED

Изобретение относится к области ориентации, навигации и управления подвижными объектами и предназначено для измерения угловой скорости.
Известно, что колебания частиц в акустических волнах сопровождаются инерциальными эффектами, что делает возможным использование этих волн в гироскопии в целях измерения скорости вращения.
Известен способ измерения угловой скорости, реализуемый в устройствах на поверхностных акустических волнах [S.W.Lee A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect, Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], где информативный сигнал формируется за счет изменения скорости распространения поверхностной акустической волны в зависимости от скорости вращения звукопровода. Достоинством такого способа является технологичность конструкции, недостатком - низкая скорость перестройки, связанная с наличием в цепи обратной связи высокодобротной линии задержки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу измерения угловой скорости является способ [Патент РФ №2335739, МПК G01C 19/56, G01P 9/04], состоящий в том, что возбуждают в кристалле пьезодиэлектрика периодическим электрическим полем поверхностную акустическую волну и впоследствии ее регистрируют. После возбуждения первичной поверхностной акустической волны регистрируют вторичную поверхностную акустическую волну, возникающую при вращении, путем разделения колебаний за счет построения сложных поглощающих и отражающих структур. С помощью резонатора создают стоячие поверхностные акустические волны между электродными структурами драйвера, сформированного на одной из сторон пьезопластины. За пределами драйвера располагают отражающие структуры. Частицы в пучностях стоячей волны вибрируют в плоскости, ортогональной плоскости подложки, что является первичным перемещением. Под действием силы Кориолиса при вращении возникает вторичное перемещение, распространяющееся в плоскости, ортогональной плоскости первичного перемещения. Для увеличения амплитуды колебаний до пригодного к детектированию уровня на другой поверхности подложки формируют канавки, имеющие сквозные отверстия.
Достоинством способа является планарная конфигурация без колебательных элементов на торсионных подвесах. Основным недостатком является низкая эффективность способа за счет того, что информативный сигнал формируется вторичной волной, имеющей малую амплитуду, в то время как первичная волна является помехой, которую невозможно устранить техническими средствами, так как при этом происходит усиление не только полезного сигнала, но и акустической помехи, что приводит к ограничениям по выявлению информативного сигнала, нелинейности работы устройства и другим отрицательным эффектам, снижающим достоверность получаемой информации. Другим недостатком является технологическая сложность конструктивной реализации способа из-за наличия множества сложных отражающих и иных структур.
Известны устройства для измерения угловой скорости на поверхностных акустических волнах [S.W.Lee A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect, Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], где информативный сигнал формируется за счет изменения скорости распространения поверхностной акустической волны в зависимости от скорости вращения звукопровода. Достоинством такого устройства является технологичность конструкции, недостатком - низкая скорость перестройки, связанная с наличием в цепи обратной связи высокодобротной линии задержки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является чувствительный элемент гироскопа, выполненный на поверхностных акустических волнах [Патент РФ №2335738, МПК G01C 19/56], содержащий пьезокристаллический звукопровод, материал которого обеспечивает распространение поверхностных акустических волн, излучающий и приемный встречно-штыревые преобразователи. Чувствительный элемент представляет собой подложку, на одной стороне которой расположены излучающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП) - драйвер и приемный ВШП, а также отражающие структуры - канавки, расположенные вне преобразователей. ВШП чувствительного элемента колебаний расположены в непосредственной близости от области, в которой поверхностные волны, образовавшиеся под действием силы Кориолиса, имеют наибольшую амплитуду. Резонатор на поверхностных акустических волнах создает стоячие волны между ВШП драйвера. Частицы в пучностях стоячей волны вибрируют в плоскости, ортогональной плоскости подложки, что является первичным вибрационным перемещением. Возникающие под действием угловой скорости и силы Кориолиса волны определяют вторичное вибрационное перемещение и распространяются в плоскости, ортогональной плоскости первичного вибрационного перемещения. При этом скорости материальных точек первичной и вторичной волн перпендикулярны. Увеличение амплитуды колебаний поверхностных волн достигается формированием канавок на поверхности одной из сторон подложки. При этом ВШП чувствительного элемента колебаний волны и канавки расположены на противоположных поверхностях подложки, что позволяет формировать топологию ВШП, наиболее чувствительную к наличию угловой скорости без геометрических ограничений. Наличие канавок позволяет уменьшить жесткость в направлении распространения вторичной волны.
Достоинством изобретения является планарная конфигурация без колебательных элементов на торсионных подвесах. Основным недостатком является низкая эффективность способа за счет того, что информативный сигнал формируется вторичной волной, имеющей малую амплитуду. Другим недостатком является технологическая сложность конструктивной реализации способа из-за наличия множества сложных отражающих и иных структур.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа для измерения угловой скорости, обеспечивающего высокую чувствительность, а также не требующего сложной технологической реализации.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, также как в известном, возбуждают в кристалле пьезодиэлектрика периодическим электрическим полем поверхностную акустическую волну и впоследствии ее регистрируют. Но, в отличие от известного, в предлагаемом способе выбирают такой кристалл пьезодиэлектрика, в котором существует непьезоэлектрическое направление (кристаллографическое направление, где распространение поверхностной акустической волны не связано с электрическим полем), возбужденную поверхностную акустическую волну переотражают в это направление и регистрируют амплитуду выходного сигнала, по величине которой судят об угловой скорости.
Техническим результатом является повышение чувствительности способа измерения угловой скорости за счет снижения уровня акустических помех.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для измерения скорости вращения с упрощенной конструктивной реализацией, снижающей влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность устройства, а также повышение его чувствительности.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый чувствительный элемент гироскопа, также как и известное устройство, содержит пьезокристаллический звукопровод, материал которого обеспечивает распространение поверхностных акустических волн, излучающие и приемный встречно-штыревые преобразователи. Но, в отличие от известного устройства, звукопровод выполнен из материала, обеспечивающего анизотропию свойств поверхностной акустической волны и ее связи с электрическим полем, а излучающий преобразователь расположен таким образом, что излученная поверхностная акустическая волна отражается от боковой грани звукопровода в непьезоэлектрическое направление, образуя стоячую волну с волной, отраженной от противоположной боковой грани, а приемный преобразователь расположен вдоль оси, совпадающей с этим направлением.
Техническим результатом является повышение чувствительности устройства для измерения угловой скорости, а также упрощение его конструктивной реализации, что снижает влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность работы устройства.
4
Технический результат достигается за счет того, что при наличии вращения на приемном встречно-штыревом преобразователе отсутствуют какие-либо сигналы, кроме сигнала, вырабатываемого излучающим встречно-штыревым преобразователем. Так, если звукопровод находится в состоянии покоя, то на приемном преобразователе существует только шумовой и другие фоновые случайные сигналы, имеющие сверхмалые амплитуды. Внешние электронные цепи при этом могут быть введены в режим высокой чувствительности. При появлении вращения звукопровода вырабатывается малый электрический сигнал, однако за счет высокой чувствительности внешних электрических цепей этот сигнал может быть усилен до необходимого для регистрации уровня, и даже незначительное изменение скорости вращения может быть выявлено приемным преобразователем. Увеличение скорости вращения приводит к увеличению уровня выходного сигнала, при этом устройство не выходит из линейного режима работы ввиду широкого динамического диапазона внешних электронных цепей порядка 60-80 дБ, таким образом, угловая скорость может меняться до 10. Это позволяет существенно снизить уровень акустических помех и увеличить чувствительность предлагаемого способа.
В результате проведенных теоретических и расчетных исследований авторами были найдены такие пьезоэлектрики, в которых существует непьезоэлектрическое направление. Для этого авторами был проведен численный анализ влияния пьезоэффекта на поверхностную акустическую волну. Критерием отсутствия этого влияния используют равенство нулю разности скоростей поверхностной акустической волны, рассчитанных с учетом и без учета пьезоэффекта, а также равенство нулю электрического потенциала, сопровождающего волну.
Как известно, в основу теории распространения поверхностных акустических волн в пьезоэлектрических кристаллах положены два фундаментальных закона механики сплошных сред: уравнение движения
и уравнение состояния (уравнение пьезоэффекта)
i
i
i
ik
ik
iklm
lm
lm
iklm
Здесь x и t - пространственные и временная координаты; ρ - плотность среды, ξ - смещение элемента среды от положения равновесия; F - сила, действующая на элемент среды, механическое напряжение σ определяется из закона Гука - σ=Cu; u - деформации, определяемые как , C - тензор модулей упругости.
i
С учетом вращения Ω получаем, при этом учитывается еще одна составляющая волны - электрический потенциал φ:
i
i0
m
m
i0
m
m
m
Решение уравнений (3) ищется в виде линейной комбинации плоских гармонических волн, описываемых выражениями вида ξ=ξ·cos(ωt-kx), где ξ - амплитуда волны, k=k·l - компоненты волнового вектора k, величина которого равна ω/V с направляющими косинусами l; V - фазовая скорость волны.
i
i
Для учета вращения вводим параметр W=Ω/ω - относительная частота вращения, получим:
2
0i
ink
n
0k
i
k
0k
k
k
0i
iklm
k
l
0m
jik
j
k
ρ·V(ξ+2j(∈W)ξ+(WWξ-WWξ))=Cllξ+ellφ
prs
p
r
0s
pq
p
q
0
elkξ-εllφ=0
i
i
k
0k
k
k
0i
Так как для гироскопов на основе акустических волн величина W<<1, то величина (WWξ-WWξ) пренебрежимо мала. В результате получаем систему уравнений:
2
0i
ink
n
0k
iklm
k
l
0m
jik
j
k
0
ρ·V(ξ+2j(∈W)ξ)= Cllξ+ellφ
prs
p
r
0s
pq
p
q
0
elkξ-εllφ=0
Используя формулу
iklm
jik
и симметрию тензоров C, e, можно записать полученные выражения в следующем виде:
im
iklm
k
l
i
jik
j
k
4
pq
p
q
где Г=Cll, γ=ell, γ=-εll (i, m=1, 2, 3). Это система уравнений типа Грина-Кристоффеля для вращающихся сред.
При этом решение системы уравнений (4) нетривиально, если:
Относительные величины смещений и электрического потенциала находятся из уравнения (4).
Уравнение (4) определяет связь направления распространения поверхностной акустической волны и ее скорости.
В результате проведенного авторами расчета и анализа квазистатического электрического поля, сопровождающего поверхностную волну, и условий изменения этого поля путем сравнения скорости волны, полученной в расчетах с учетом пьезоэлектрических свойств и без него, а также путем оценки их разности, в пьезокварце были найдены срезы и направления распространения волны, при которых поле с электрической волной отсутствует (непьезоэлектрические направления).
Если звукопровод, в котором распространяется поверхностная волна, не создающая электрического поля, подвергнуть вращению, то возникают дополнительные колебания, обязанные силам Кориолиса, которые создают отличные от первоначальных деформации, в результате чего возникает электрический потенциал, пропорциональный скорости вращения.
Предложенный способ реализуется следующим образом: в качестве материала звукопровода выбирают материал, обеспечивающий анизотропию свойств поверхностной волны, а также ее связи с электрическим полем. Далее выбирают такие кристаллографический срез и направление, где распространение поверхностной акустической волны не связано с электрическим полем (непьезоэлектрическое направление). Затем на выбранную подложку наносят излучающий и приемный встречно-штыревые преобразователи, располагая излучающий преобразователь вдоль бокового торца подложки, а приемный - вдоль непьезоэлектрического направления. Шаг между электродами выбирают равным половине длины поверхностной волны. Далее к излучающему преобразователю прикладывают переменное напряжение высокой частоты, в результате чего в некотором произвольном направлении возбуждается поверхностная акустическая волна. Затем возбужденная волна переотражается в непьезоэлектрическое направление за счет отражения от боковой грани подложки, угол скоса которой при изготовлении звукопровода выбирается таким образом, чтобы обеспечить отражение в заданном направлении, и образует стоячую поверхностную волну с поверхностной волной, отраженной от противоположной боковой грани звукопровода. При отсутствии вращения возникающие за счет распространения в непьезоэлектрическом направлении волны колебания не связаны с электрическим полем, поэтому сигнал на приемном преобразователе отсутствует. Однако при появлении вращения возникает связь механических колебаний, создаваемых поверхностной волной, и электрического поля, которое и принимается приемным встречно-штыревым преобразователем за счет обратного пьезоэффекта, таким образом, формируется информативный выходной сигнал. При этом степень возникающего взаимодействия линейно зависит от величины вращения, то есть уровень принимаемого сигнала пропорционален угловой скорости.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы изобретения, характеризует устройство для измерения угловой скорости, в котором длина геометрического пути поверхностной акустической волны в звукопроводе между боковыми гранями кратна половине длины волны, возбуждаемой излучающим преобразователем. Это позволяет создать условия для формирования в непьезоэлектрическом направлении стоячей волны и увеличить чувствительность предложенного чувствительного элемента гироскопа.
Совокупность признаков, сформулированная в п.4 формулы изобретения, характеризует устройство для измерения угловой скорости, в котором звукопровод выполнен из пьезоэлектрического кварца Y-среза, имеющего непьезоэлектрическое направление, описывающееся углами Эйлера λ=0°, µ=90°, θ=90°. Это позволяет обеспечить воспроизводимость характеристик чувствительного элемента гироскопа за счет стабильности характеристик материала, а также высокую стабильность по отношению к внешним воздействиям за счет высокой механической прочности.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 показан пример реализации предлагаемого способа в виде конструкции устройства для измерения угловой скорости, на фиг.2 - схема изменения эллипса смещения частиц в поверхностной акустической волне, распространяющейся поперек Y-среза пьезокварца при появлении вращения, на фиг.3 - график зависимости разности скоростей поверхностной акустической волны с учетом и без учета пьезоэффекта от направления распространения для Y-среза пьезокварца, на фиг.4 - график зависимости электрического потенциала от направления распространения поверхностной акустической волны для Y-среза пьезокварца, на фиг.5 - зависимость величины электрического потенциала φ от относительной скорости вращения пьезоматериала вокруг направления распространения для Y-среза пьезокварца в найденном непьезоэлектрическом направлении.
На фиг.1 показана конструкция устройства для измерения угловой скорости, состоящая из пьезокристаллического звукопровода 1, излучающего 2 и приемного 3 встречно-штыревых преобразователей поверхностной акустической волны. Излучающий преобразователь, расположенный на одной из сторон звукопровода, генерирует в звукопроводе поверхностную акустическую волну в некотором направлении. Далее волна с помощью изменения геометрии звукопровода переотражается на его торцах в непьезоэлектрическое направление АВ. При отсутствии вращения сигнал электрического напряжения на приемном преобразователе, расположенный вдоль непьезоэлектрического направления, равен нулю. При наличии вращения звукопровода, в результате действия силы Кориолиса, в распространяющейся волне возникают иные смещения, вызывающие изменение поляризации волны, в результате чего приемным преобразователем детектируется электрическое поле.
На фиг.2 показаны результаты графического моделирования колебания частицы с учетом и без учета вращения пьезоматериала в виде изменения эллипса смещения частиц в поверхностной акустической волне, распространяющейся поперек Y-среза пьезокварца при появлении вращения.
Как показано на фиг.3, в кристалле пьезокварца существует направление, в котором разность скоростей с учетом и без учета пьезоэффекта Δν равна нулю, что говорит о наличии в пьезокварце непьезоэлектрического направления, где распространение поверхностной акустической волны не сопровождается электрическим полем.
Фиг.4 подтверждает результаты расчета, показанные на фиг.3. Значение электрического потенциала φ равно нулю для направления, найденного на фиг.3, что подтверждает наличие в пьезокварце непьезоэлектрического направления и делает возможным реализацию предложенного способа.
На фиг.5 показан результат численного расчета возникающего электрического потенциала φ в зависимости от относительной угловой скорости вращения W. Из рисунка видно, что при увеличении относительной угловой скорости вращения W степень влияния силы Кориолиса на распространяющуюся поверхностную акустическую волну возрастает, что приводит к увеличению электрического потенциала φ. Причем увеличение φ является линейным при любых экспериментально реализуемых угловых скоростях вращения.
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложены новый способ и устройство для измерения угловой скорости, в основе которых лежит иной принцип измерения угловой скорости путем регистрации поверхностной акустической волны, возбуждаемой в кристалле пьезодиэлектрика периодическим электрическим полем, отличающийся тем, что выбирают такой кристалл пьезодиэлектрика, в котором существует непьезоэлектрическое направление, возбужденную поверхностную акустическую волну переотражают в это направление и регистрируют амплитуду выходного сигнала, по величине которой судят об угловой скорости. Это доказывает, что достигнут технический результат - повышение чувствительности способа, а также упрощение его конструктивной реализации. При этом высокая чувствительность достигается за счет того, что в предлагаемом способе измерения угловой скорости для увеличения чувствительности используют распространение поверхностной волны в непьезоэлектрическом направлении, поэтому в отсутствии вращения электрическое напряжение, связанное с ее распространением, отсутствует. Однако при наличии вращения его влияние приводит к появлению электрического поля, связанного с распространяющейся волной. По величине этого сигнала можно судить о скорости вращения. Кроме того, предложенная реализация способа существенно упрощает конструкцию чувствительного элемента, так как в ней отсутствуют сложные многослойные отражательные структуры, а также распределенные массы, что снижает влияние технологических погрешностей на точность измерения угловой скорости и увеличивает чувствительность способа.