ТРУБЧАТЫЙ ПРОДОЛЬНО-ИЗГИБНЫЙ ПЬЕЗОГИРОСКОП
TUBULAR LONGITUDINAL-BENDING PIEZOGYROSCOPE

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления, и может найти применение при создании новых конструкций пьезогироскопов.
Пьезогироскопы составляют более 85% от числа гироскопов, используемых в аппаратуре гражданского применения. Значительное число их используется и в специальной аппаратуре военного назначения. Ряд крупных зарубежных фирм сегодня серийно выпускает пьезоэлектрические гироскопы высокой и средней точности на основе кварцевых технологий для систем ориентации, навигации и стабилизации различных объектов, в том числе интеллектуальных систем вооружения, спутниковых систем и беспилотных летательных аппаратов. Однако применение кварца влечет за собой повышение стоимости и снижение чувствительности гироскопов (из-за низких значений коэффициента электромеханической связи и малой величины диэлектрической проницаемости). Применение для изготовления гироскопов современной пьезокерамики позволяет не только существенно снизить стоимость, но и разрабатывать новые монолитные конструкции пьезогироскопов с качественно новыми характеристиками, принципиально не осуществимыми с применением пьезокристаллических монокристаллов. Одной из основных проблем при создании вибрационных гироскопов является их сравнительно слабая чувствительность к измеряемой угловой скорости. Известно, что наибольшая чувствительность вибрационного гироскопа достигается при совпадении резонансных частот первичных колебаний и вторичных (вызванных вращением) колебаний в ортогональной основным колебаниям плоскости. Поэтому перспективно использование монолитных пьезокерамических резонаторов в виде осесимметричных трубчатых конструкций, у которых собственные частоты в двух ортогональных плоскостях, параллельных оси симметрии принципиально одинаковы. Такие пьезокерамические гироскопы давно известны и описаны в патентах и научных статьях [1, 2]. Принцип действия такого гироскопа подробно описан в работе [2]: резонатор гироскопа представляет собой радиально поляризованную пьезокерамическую трубку с одним внутренним и четырьмя симметричными полосковыми электродами, занимающими одинаковые сектора во всех квадрантах центральной части трубки. Одна пара диаметрально расположенных электродов (называемых генераторными) соединяется с генератором резонансной частоты изгибных колебаний основной моды, а вторая пара электродов (приемных) соединена со входами операционного усилителя, выход которого соединен со входом синхронного детектора, связанного с генератором. На выходе синхронного детектора включен сглаживающий фильтр. В отсутствие вращения вокруг оси трубки сигналы на приемных электродах равны и на выходе операционного усилителя сигнала нет. При появлении вращения вокруг оси трубки вследствие сил Кориолиса, пропорциональных величине скорости вращения, появляется вынужденная вторичная деформация трубки, вызывающая напряжения той же резонансной частоты, но разных знаков на приемных электродах гироскопа. По величине и знаку напряжения на выходе сглаживающего фильтра можно судить о скорости и направлении вращения гироскопа вокруг его оси. В большинстве случаев практического применения гироскопов требуется информация о пространственном вращении объекта, на котором устанавливают гироскоп. Однако описанный выше гироскоп, выбранный в качестве прототипа, чувствует вращение только вокруг одной оси и приходится в одном объекте использовать сразу 3 таких одноосных гироскопа.
Предлагаемая в качестве изобретения конструкция свободна от этого недостатка, техническим результатом является способность гироскопа иметь одинаковую чувствительность к вращению вокруг двух осей.
o
o
Технический результат достигается тем, что резонатор колебательной системы вибрационного гироскопа продольно-изгибного типа выполняется из монолитной радиально поляризованной пьезокерамики с девятью наружными и одним внутренним электродом, причем размеры резонатора выбираются из условия совпадения частот f основного продольного резонанса и второй моды изгибного резонанса, генераторный кольцевой электрод шириной порядка 0,3 длины резонатора располагается в средней части наружной поверхности, а на каждом конце резонатора симметрично по квадрантам располагаются по две пары приемных электродов, крепление резонатора осуществляется по наружной окружности в середине генераторного электрода и через него подводят возбуждающий сигнал с частотой f, а о наличии вращения в двух ортогональных оси трубки плоскостях судят по возникающим вследствие сил Кориолиса разностям напряжений на противоположных от оси парах электродов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фигуре 1. Резонатор Р колебательной системы вибрационного гироскопа продольно-изгибного типа представляет собой кольцевой радиально поляризованный пьезокерамический цилиндр с одним внутренним электродом В, одним кольцевым внешним электродом К шириной примерно 0,3 длины резонатора, располагаемым в его средней части, и симметрично располагаемыми на каждом конце резонатора по двум парам полосковыми электродами 1-8. Крепление резонатора Р осуществляется посередине внешнего кольцевого электрода К, при помощи тонкостенной металлической шайбы Ш, внутренний диаметр которой совпадает с наружным диаметром резонатора. Эта шайба, кроме функции крепления резонатора в герметизирующем корпусе, может служить для подвода напряжения к генераторному электроду. Все приемные электроды соединяются при помощи тонких гибких проводников со входами соответствующих восьми подстраиваемых предварительных усилителей П1-П8. Выходы подстраиваемых предварительных усилителей П1 и П7, П3 и П5, П2 и П8, П4 и П6 попарно соединяются со входами соответствующих сумматоров С1-С4, удваивающих подводимое к ним напряжение. Выходы сумматоров С1, С2 и СЗ, С4 попарно соединяются со входами операционных усилителей, выходы которых соединяются с соответствующими синхронными детекторами СД1 и СД2 (на них также поступает опорный сигнал от генератора) и выходы которых, в свою очередь, соединены со сглаживающими фильтрами СФ1 и СФ2, на выходах которых вырабатываются информационные сигналы гироскопа.
o
o
o
o
Принцип работа гироскопа заявляемого в качестве изобретения осуществляется следующим образом и поясняется графиками на фигурах 2-3. Где на фиг.2 - изображена форма деформаций резонатора на основной продольной моде, на фиг.3 - изображена форма деформаций второй изгибной моды. На кольцевой электрод К подается от автогенератора напряжение с частотой f, вызывающее продольные колебания резонатора Р, форма деформаций резонатора изображена на фигуре 2. Видно, что концы резонатора на этой моде движутся в противофазе в разные стороны вдоль оси Z. В отсутствие вращения по осям Х и Y сигналы с частотой f на всех восьми приемных электродах (наведенные вследствие продольной деформации) и соответствующих выходах предварительных усилителей должны быть одинаковые. Если теперь приложить вращение вокруг оси X, то на половины пьезоэлемента будут действовать силы Кориолиса, направленные в плоскости ZY вдоль оси Y в противоположных направлениях для разных половин, таким образом эти половины будут деформироваться в плоскости ZY в разных направлениях с той же частотой f. Модой колебаний, наиболее близкой по форме деформации с индуцированной вращением деформацией пьезоэлемента, является вторая изгибная мода, показанная на фиг.3. Эти деформации вызывают на электродах нечетных номеров 1, 3, 5 и 7 одинаковые по величине и пропорциональные угловой скорости Ω дополнительные сигналы той же частоты f. Из-за формы изгибных деформаций видно, что фазы этих сигналов на парах электродов и выходах соответствующих предварительных усилителей 1 и 7, 3 и 5 будут сдвинуты на 180°. На электродах четных номеров дополнительные сигналы от вращения вокруг оси Х не возникают. При вращении резонатора с угловой скоростью Ω вокруг оси Y возбуждаются вынужденные колебания второй изгибной моды в ортогональной плоскости и дополнительные сигналы теперь появятся на электродах четных номеров. Таким образом, используя один предлагаемый трубчатый резонатор продольно-изгибного типа можно осуществить пьезогироскоп, чувствительный к угловой скорости сразу по двум осям.
Источники информации
1. US 6457358, Application №09/659624, Tubular coriolis force driven piezoelectric gyroscope system, and method of use. Oct.1, 2002.
2. Исследование режимов работы пьезоэлектрического вибрационного гироскопа осцилляторного типа. А.А.Левицкий, П.С.Маринушкин. Датчики и системы. №3, 2011 г., стр.55-59.