ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП
SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах средней точности инерциального управления объектами бескарданного типа.
Известен датчик угловой скорости на базе металлического волнового гироскопа (см. патент на полезную модель Россия №109851 от 02.06.2011)
Здесь гироскоп включает цилиндрический резонатор, смонтированный в корпусе, и нижнюю пластину, прикрепленную к резонатору через буртик. На нижней пластине имеется восемь отверстий, расположенных по окружности под равными углами. Между отверстиями на нижней пластине расположено восемь пьезоэлементов (см. фиг.1).
Фигура 2 поясняет принцип работы. Пьезоэлементы действуют как для создания вибрации резонатора, так и как приемники вибрации, когда после механического воздействия на них с выхода идет электрический сигнал.
Гироскоп работает следующим образом. На пьезоэлементы 1-2 подается переменный сигнал с генератора порядка 6,0 кГц (резонанс гироскопа) напряжением от 1 до 5 В. Пьезоэлементы 3-4 снимают выходной сигнал, идущий на коррекцию генератора по амплитуде и фазе. Пьезоэлементы 5-6 используются как датчик угла, а пьезоэлементы 7-8 как датчик момента. То есть налицо датчик угловой скорости (ДУС), когда сигнал с датчика угла (ДУ) идет через усилитель на датчик момента (ДМ) (пластины 7-8 пьезоэлементов). Ток, текущий через усилитель и пьезоэлементы 7-8, является мерилом угловой скорости. Ось чувствительности такого ДУСа направлена перпендикулярно плоскости восьми пьезоэлементов.
Достоинство такого «простого» гироскопа в том, что в нем отсутствуют вращающиеся части, как в обыкновенном гироскопе. Кинетический момент заменен на вибрационный кинетический момент, когда резонатор участвует в двух движениях, см. фиг.3. Узлы колебаний 5, 6, 7, 8 во время такого движения остаются неподвижными в инерциальном пространстве некоторое время, а затем переходят в установившееся значение соответственно повороту изделия в инерциальном пространстве с постоянной времени «τ». Так гироскоп ведет себя в свободном режиме. Режим ДУСа описан выше и позволяет реализовать диапазон парируемых угловых скоростей от 1÷3°/час до ±700 °/с.
в
и
Введение буртика в конструкцию резонатора позволило уменьшить эффект колебаний узловых точек 5, 6, 7, 8 (см. фиг.3 нижний рисунок). При наличии входной угловой скорости картина еще более усугублялась эффектом сил Кориолиса, который растягивал точки 7, 8 вдоль оси Y и сжимал точки 5, 6 вдоль оси Y. Таким образом введение буртика в конструкцию резонатора не позволило пропускать колебания, идущие от узловых точек 5, 6, 7, 8 на пьезоэлементы. Буртик позволил существенно уменьшить этот недостаток и привел к увеличению соотношения «сигнал -шум», а значит и к увеличению точности самого ДУСа, особенно при наличии малой входной угловой скорости.
Однако наличие на нижней пластине резонатора восьми отверстий приводит к наличию анизотропии нижней пластины. Наличие электроэрозионной обработки восьми отверстий приводит к концентрации напряженного состояния на границах отверстий. Эти напряжения отклоняют ось колебаний пьезоэлемента от направления оси возбуждения самого резонатора. Хонингование (доводка) отверстий, а также проведение термоциклов не давало положительного эффекта - устранения анизотропии.
Целью изобретения является устранение анизотропии нижней пластины резонатора. Указанная цель достигнута исключением восьми отверстий с нижней пластины резонатора (см. фиг.4).
Испытания такого ДУСа, собранного с резонатором без восьми отверстий, показали, что точность такого гироскопа в шесть раз выше, чем точность гироскопа, имеющего восемь отверстий. Собственная же частота резонатора изменилась несущественно, порядка 600 Гц. К тому же упростилась процедура балансировки резонатора по нулевой, первой, второй, третьей и четвертой модам дефекта.