РЕЗОНАТОР ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА
RESONATOR OF SOLID STATE WAVE GYROSCOPE

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к конструкции чувствительного элемента (далее - резонатор) твердотельных волновых гироскопов с металлическим резонатором (далее - ВТГ), которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах на подвижных объектах различных классов.
ВТГ является сложной системой, в состав которой входят резонатор, измерительная, вычислительная и управляющая компоненты.
В настоящее время известны следующие формы резонаторов с осевой симметрией: полусферические, тороидальные (полусферические с плоским торцем), кольцевые и цилиндрические.
Полусферическая и, отчасти, тороидальная формы резонаторов обладают важным свойством краевой локализации колебаний вблизи свободной кромки резонатора. Именно изменение амплитуды колебаний свободной кромки резонатора является источником первичной инерциальной информации в ВТГ.
Цилиндрическая или кольцевая форма рабочей поверхности чувствительного элемента используется в ВТГ с металлическим резонатором. Цилиндрический или кольцевой резонатор более прост в изготовлении, но в цилиндрической оболочке наблюдается, так называемый, вырожденный краевой эффект, который проявляется в уменьшении колебаний при удалении от свободной кромки резонатора (Распопов В.Я., Волчихин И.А., Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. «Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором»/Под ред. В.Я. Распопова. Тула. Издательство ТулГУ, 2018. - стр. 83).
Из уровня техники известен твердотельный волновой гироскоп с цилиндрическим резонатором, смонтированным в корпусе, в котором нижняя пластина с закрепленными на ней пьезоэлементами, прикреплена к резонатору через буртик (RU №2544870, МПК G01C 19/56, дата подачи заявки: 21.05.2013).
Пьезоэлектрические элементы детектирования сигнала колебаний кромки находятся на донной части резонатора и детектируют затухающую амплитуду сигнала, искаженную конструкционными концентраторами механических напряжений (кромками, фасками, буртиком).
Наличие буртика в месте перехода подвеса цилиндрического резонатора в днище в указанном выше техническом решении, конструктивно создает торсионное кольцо с жесткостью большей жесткости подвеса кольцевого резонатора, что не позволяет пропускать полную амплитуду колебаний узловых точек кромки резонатора на пьезоэлектрические элементы, детектирующие сигнал. Данное конструкторское решение, приводит к рассеиванию части энергии упругих колебаний и изменению колебательной картины резонатора, соответственно к искажению получаемого сигнала, ухудшению чувствительности и отношения «сигнал-шум», усложняет механическую балансировку резонатора.
Из уровня техники известен также чувствительный элемент вибрационного (кориолисова) гироскопа, содержащий тонкостенный цилиндр с днищем, элемент его крепления к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема информации, в котором цилиндр выполнен с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором, днище цилиндра разбито на сектора посредством множества пазов, при этом внутри каждого сектора выполнен паз с возможностью размещения пьезоэлектрических элементов возбуждения и съема сигнала (Патент РФ №2445575, МПК G01C 19/56, дата подачи заявки: 24.06.2008).
Предлагаемая конструкция имеет следующие недостатки. Наличие на днище резонатора пропилов, пазов и отверстий нарушает анизотропию нижней донной пластины резонатора, приводит к наличию концентраторов напряжения на границах отверстий и пропилов. Напряжения приводят к диссипации энергии упругих колебаний резонатора и отклоняют ось колебаний рабочей кромки резонатора от осей пьезоэлектрических элементов возбуждения и детектирования колебаний резонатора. При такой конструкции ухудшается точность и чувствительность резонатора, усложняется процедура балансировки резонатора по первым четырем формам дефекта масс.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является резонатор твердотельного волнового гироскопа, содержащий рабочую часть в форме усеченного конуса с цилиндрической внутренней частью, меньшее основание которого сопряжено с подвесом, а со стороны большего основания по всему диаметру, выполнен торец-кромка, образованный внутренней и наружной поверхностями рабочей части, на котором возникает прецессия стоячей волны при воздействии на гироскоп измеряемой угловой скорости или угла поворота, днище, узел крепления резонатора к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения стоячей волны и детектирования сигнала с внешней стороны днища (Р.В. Алалуев, И.А. Волчихин и др. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором и его применение в системах ориентации, стабилизации и навигации. Известия ТугГУ Технические науки. 2019. Вып. 8. Дата выхода в свет 30.08.19. Стр. 7-21).
Технический результат заявляемого технического решения заключается в обеспечении высокой чувствительности резонатора за счет увеличения его механической добротности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном резонаторе твердотельного волнового гироскопа, содержащий рабочую часть в форме усеченного конуса с цилиндрической внутренней частью, меньшее основание которого сопряжено с подвесом, а со стороны большего основания по всему диаметру, выполнен торец-кромка, образованный внутренней и наружной поверхностями рабочей части, на котором возникает прецессия стоячей волны при воздействии на гироскоп измеряемой угловой скорости или угла поворота, днище, узел крепления резонатора к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения стоячей волны и детектирования сигнала с внешней стороны днища, угол конуса рабочей части резонатора составляет 6,45°-6,7°, при этом подвес выполнен цилиндрическим, соотношение толщины стенки рабочей части со стороны торца-кромки Н и толщины стенки подвеса h составляет 2,3-2,6, а соотношение длины рабочей части резонатора L и длины подвеса l составляет 1,8-2,2.
Изобретение поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана конструкция резонатора во фронтальном разрезе; на фигуре 2 - фронтальный разрез резонатора с указанием переходных радиусов сопряжения элементов конструкции; на фигуре 3 - равнотолщинное и плоскопараллельное днище резонатора с приклеенными пьезоэлектрическими элементами; на фигуре 4 - схема расположения первичных и вторичных вибраций кромки резонатора и вибрационные эллиптические моды.
Резонатор твердотельного волнового гироскопа (фигура 1) состоит из рабочей части, плоского днища 6 и тонкостенного цилиндрического подвеса 3 с узлом крепления 7 к основанию 1 гироскопа по оси чувствительности z.
Рабочая часть резонатора твердотельного волнового гироскопа (фигура 1) выполнена в виде полого усеченного конуса 2 с цилиндрической внутренней частью 8 осесимметричной формы, меньшее основание которого сопряжено с подвесом 3, а со стороны большего основания по всему диаметру, выполнен торец-кромка 10, образованный внутренней и наружной поверхностями рабочей части, на котором возникает прецессия стоячей волны, при воздействии на гироскоп, и соответственно, на резонатор измеряемой угловой скорости или угла поворота.
Толщина стенки рабочей части резонатора выполнена увеличивающейся к ее торцу-кромке, при этом толщина стенки рабочей части Н больше толщины стенки цилиндрического подвеса h и находятся в соотношении (2,3-2,6):1. Угол конуса рабочей части резонатора составляет 6,45°-6,7°. Длина подвеса l и длина рабочей части L находятся в соотношении 1:(1,8-2,2). При соотношении H/h>3, угле конуса больше 7° и соотношении 1/L<1,6 запасаемой энергии пьезоэлектрических датчиков, используемой в системе возбуждения и поддержания колебаний, оказывается недостаточно для формирования стоячей волны оптимальной амплитуды в торце-кромке резонатора.
Днище 6 резонатора выполнено равнотолщинным, с внешней стороны которого с помощью, например, эпоксидного компаунда приклеены восемь пьезоэлектрических элементов 4, равномерно разнесенных по окружности на угол 45° (фигура 3).
Пьезоэлектрические элементы возбуждения и детектирования сигнала имеют в конструкции ВТГ определенное соотношение собственных геометрических размеров и соотношение размеров пьезоэлектрического элемента к сектору его позиционирования на днище резонатора, следовательно, лимитированные размером электромеханические параметры. Толщина/ширина/длина пьезоэлектрического элемента возбуждения и детектирования информации имеет соотношение: 0,1/1/2,2-2,35. Пьезоэлектрический элемент может занимать не более 15% площади своего сектора позиционирования, ограниченного углом 45°, от окружности днища резонатора. Превышение этих параметров ведет к увеличению перекрестного взаимного влияния пьезоэлектрических элементов возбуждения и детектирования сигнала, к ухудшению соотношения «сигнал-шум» и, как следствие, чувствительности резонатора.
Для того, чтобы избежать концентраторов напряжения в виде острых кромок, фасок, буртиков, которые увеличивают диссипацию энергии упругих колебаний резонатора и являются источниками термоупругих потерь, в местах сопряжения рабочей части с подвесом и подвеса с днищем выполнены переходные радиусы R1 и R2, соответственно, в местах сопряжения днища с узлом крепления выполнены переходные радиусы R3, R4, R5, R6, R8, на узле крепления выполнен переходной радиус R7, а на торце-кромке выполнены переходные радиусы R9 и R10 (фигура 2).
Отсутствие пропилов и отверстий в днище (фигура 3) позволяет уменьшить величину анизотропии физико-механических свойств днища резонатора, которая приводит к дополнительной диссипации энергии упругих колебаний резонатора. Данные конструктивные решения позволяют повысить механическую добротность и чувствительность резонатора ВТГ.
Пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема информации, расположенные диаметрально противоположно, образуют 4 пары (C-G; B-F; А-Е; N-D) (фигура 3), электрическая цепь которых параллельна в электронном блоке вычислителя ВТГ. Днище имеет как минимум одно отверстие 9, служащее для соединения резонатора с основанием 1 гироскопа через узел крепления 7 резонатора на основании 1 при помощи резьбового соединения основания и винта 5 (фигура 1). Переменный сигнал возбуждения, поступающий на одну из пар пьезоэлектрических элементов возбуждения (C-G), с частотой, близкой к частоте собственных колебаний резонатора, вызывает деформацию изгиба пьезоэлектрических элементов, что приводит к деформации днища и появлению радиальных колебаний оболочки резонатора и возникновению в торце-кромке стоячей волны (фигура 4). Стоячая волна имеет четыре пучности a, g, е, с, расположенные на осях х, у (соответствующих расположению пар пьезоэлектрических элементов C-G и А-Е) и четыре узла b, h, f, d на осях x1 и y1 (соответствующих расположению пар пьезоэлектрических элементов B-F и N-D), в которых амплитуды колебаний максимальны и минимальны, соответственно, образуя эллиптические моды колебаний Т1, Т2, Т3, Т4.
Предлагаемый резонатор используется в твердотельных волновых гироскопах. Работа резонатора осуществляется следующим образом. В резонаторе возбуждается переменный сигнал с частотой, близкой к частоте основной собственной формы колебаний резонатора, путем подачи электрического сигнала на два диаметрально противоположных пьезоэлектрических элемента, деформации изгиба которых вызывают радиальные колебания торца-кромки рабочей части резонатора и приводят к возникновению на торце-кромки резонатора упругой стоячей волны. При вращении резонатора вокруг оси z с угловой скоростью Ω появляются Кориолисовы силы, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости Ω. Кориолисовы силы смещают стоячую волну с ее пучностями и узлами по окружности торца-кромки резонатора, что вызывает изменение сигналов пьезоэлектрических элементов детектирования сигнала, размещенных на днище резонатора. При этом изменение сигнала пропорционально угловой скорости После программной математической обработки сигнала в электронном блоке вычислителя определяется угол поворота/угловая скорость объекта, на котором установлен ВТГ.
Для того, чтобы уменьшить интенсивность термоупругих потерь и повысить механическую добротность резонатора, для его изготовления используются металлы и сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и высокой механической добротностью (Q). Для изготовления резонатора целесообразно использовать специальные сплавы - элинвары, которые используются для изготовления упругих элементов колебательных систем и датчиков частоты. Элинвары обладают высокой температурной стабильностью частоты, низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) и температурным коэффициентом модуля упругости (ТКМУ), высокой механической добротностью (Q). Для изготовления высокодобротного металлического резонатора ВТГ может быть использован, например, прецизионный элинварный сплав 21НКМТ-ВИ (ТУ 14-1-5366-98). (Распопов В.Я., Волчихин И.А., Волчихин А.И., Ладонкин А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. «Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором»/Под ред. В.Я. Распопова. Тула. Издательство ТулГУ, 2018. - стр. 91).
Сплав 21НКМТ-ВИ для изготовления резонатора относится к категории дисперсионно-твердеющих элинваров, упрочняющихся при термическом старении и получаемых вакуумно-индукционным переплавом. Является аналогом сплавов: NIMARK Alloy 300, VASCOMAX С300ТМ, Maraging 300, соответствующих стандартам UNS К93120, SAEAMS 6514J. Химический состав 21 НКМТ-ВИ приведен в таблице:
Мартенситно-стареющий сплав 21НКМТ-ВИ представляет собой металлическую многокомпонентную систему, на основе тройной системы (Fe-Ni-Co), легированную (Mo, Cr, Ti, Al), обладающую специфическими физико-механическими свойствами за счет поддержания особо точного химического состава. Относится к группе материалов, обладающих заданными температурно-стабильными параметрами упругости. Особенностью 21НКМТ-ВИ является низкое содержание углерода (С<0,01%). Важной особенностью 21НКМТ-ВИ является отсутствие коробления и малое изменение геометрических размеров в процессе механической и термической обработки, неограниченная прокаливаемость, возможность упрочняющей обработки операциями закалки и отжига. У сплава 21НКМТ-ВИ пониженная обрабатываемость резанием. Высокая твердость и прочность предъявляют особые требования к технологии и точности механической обработки изделий из этого сплава, механические характеристики которого приведены в таблице:
Предлагаемый резонатор изготовлен методом токарной обработки, способом прецизионного токарного точения.
Принцип предлагаемого изобретения, основан на использовании конструкции чувствительного элемента (резонатора), оптимизированной для ослабления эффекта вырождения краевых колебаний и уменьшения интенсивности термоупругих потерь энергии колебаний.
Данная конструкция обеспечивает оптимальную передачу энергии пьезоэлектрических элементов возбуждения, формирующих стоячую волну, в энергию радиальных колебаний торца-кромки резонатора и обратную передачу энергии радиальных колебаний торца-кромки к пьезоэлектрическим элементам детектирования сигнала без рассеяния в концентраторах напряжений, образуемых острыми кромками, углами, буртиками, пропилами, отверстиями.
Оптимизация конструкции в совокупности с применением элинварного сплава, например, 21НКМТ-ВИ обеспечивает повышение механической добротности и чувствительности резонатора ВТГ.