ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП

Полезная модель относится к конструкции твердотельного волнового гироскопа (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений в составе блоков навигационных устройств наземной, морской, авиационной и космической техники.
Твердотельный волновой гироскоп является одним из наиболее перспективных приборов, предназначенных для определения угловой скорости вращения объекта, с точки зрения соотношения себестоимости изготовления к точности получаемой инерциальной информации.
Твердотельный волновой гироскоп является инструментом, используемым для измерения угла поворота и угловой скорости вращения объектов. В основе его функционирования лежат инертные свойства упругих волн в твердом теле.
Принцип действия заявленного гироскопа основан на эффекте стоячей волны, т.е. на эффекте независимости упругих волн колебаний резонаторов от среды колебаний. Эффект инерции упругих волн колебаний в системе резонаторов, при медленно меняющейся входной угловой скорости, являются главенствующим, в отличие от эффекта сил Кориолиса, когда есть два движения: линейные скорости пучностей стоячих волн и воздействие входной угловой скорости. Для каждой нормальной формы колебаний можно указать узловые точки с нулевой функцией нормального прогиба резонатора, а также пучностей, где функция нормального прогиба достигает максимального значения.
Источником инерциальной информации является стоячая волна упругих колебаний. При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний резонатора. Вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот волны на меньший, но известный угол, то есть упругая волна, как целое, прецессирует. Таким образом, твердотельные волновые гироскопы могут использоваться в качестве датчиков угла поворота объекта. Коэффициент пропорциональности скорости прецессии стоячей волны к проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора - «масштабный коэффициент» - наряду с собственной частотой колебаний резонатора входит в число наиболее важных для изготовителя параметров системы [7, с.8-9].
В общем случае конструкция ТВГ включает в себя чувствительный элемент (далее резонатор), систему возбуждения колебаний (далее - датчик раскачки), систему съема информации (далее - датчик угла), электронный узел обработки сигнала (далее - электроника), а также корпусные, опорные и вспомогательные детали [патенты на изобретения RU 2182312, RU 2185601].
Датчик раскачки может работать на электростатическом, электромагнитном и пьезоэлектрическом принципах. Выбор принципа возбуждения колебаний определяется, как правило, исходя из предполагаемых условий эксплуатации прибора.
Датчик угла может быть работать на электростатическом, электромагнитном, пьезоэлектрическом и фотоэлектронном принципах [патенты на изобретения RU 2182312, RU 2185601, RU 2362975].
Конструктивно, резонатор представляет из себя осесимметричное тело. В литературе известны конструкции полусферических, цилиндрических и кольцевых резонаторов. Полусферические изготавливаются из плавленого кварца или сапфира, цилиндрические из металла, а кольцевые из кремния.
При изготовлении механические и геометрические параметры (соосность, круглость, дислокации кристаллической решетки) резонаторов не постоянны вдоль боковых поверхностей. Это приводит к зависимости поведения стоячей волны от ее ориентации в резонаторе. Этот эффект, называемый динамической неоднородностью резонатора, влечет распад волновой картины и, как следствие, к увеличению погрешности измерения прибора в целом [2, с.509-513].
В рыночных условиях экономики наиболее оправданным по соотношению цена/качество (цена/тактико-технические характеристики ТТХ) является ТВГ с металлическим резонатором в виде цилиндра. Для дальнейшего развития таких ТВГ необходимо и дальше снижать себестоимости изготовления при одновременном повышении гарантированной точности измерений и других важных параметров таких, как, например, виброустойчивость. Подобное снижение стоимости возможно при уменьшении издержек производителей за счет серийного производства, которое эффективно, когда выполнение каждого изделия в отдельности облегчается, благодаря заранее известным, рассчитанным требованиям к резонатору (точности обработки его поверхности, физическим свойствам материала). Для решения таких вопросов направлено предлагаемое изобретение.
В качестве материала резонатора могут использоваться прецизионные сплавы со специальными физическими и физико-механическими свойствами, уровень которых определяется точными химическим составом, чистотой сплава от включений и вредных примесей, структурным состоянием и высокой точностью изготовления. Оптимальными прецизионными сплавами для металлического резонатора являются сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), которые отлично себя зарекомендовали при спаивании с различными стеклами, керамикой, слюдой и другими диэлектриками в радиолампах и электроннолучевых приборах, для деталей измерительных приборов с постоянными размерами. Также, данные сплавы отличаются достаточной прочностью и высокой пластичностью. Это позволяет изготовлять из них продукцию в широком ассортименте, в том числе и ответственные детали для измерительных приборов.
Известна конструкция ТВГ [патент на изобретение RU 2182312] с металлизированной внешней полусферической поверхностью резонатора, электродами датчиков и электродами управления, закрепленными на внутренней полусферической поверхности верхнего основании корпуса. ТВГ содержит верхнее основание корпуса с дискретными электродами, кольцевым электродом и электродами датчиков, полусферический кварцевый резонатор с металлизированной внешней поверхностью и ножкой, нижнее основание корпуса. При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн дискретным электродом, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется интегральная величина зазора емкостных преобразователей перемещения, образованных электродами датчиков и металлизированной поверхностью резонатора.
Главным недостатком ТВГ подобной конструкции является высокое соотношение цена/точность измерения. Это обуславливается сложностью изготовления полусферических резонаторов, сложностью металлизации поверхности данных резонаторов, сложностью обеспечения соосности между резонатором и системами съема/возбуждения его колебаний, сложностью балансировки резонатора, сложностью устранения погрешностей, обусловленных поверхностным трением между резонатором и металлизированным покрытием. Решение вышеуказанных проблем приводит к высокой стоимости изготовления подобных ТВГ.
Известна конструкция ТВГ [патент на полезную модель RU 109851], которая содержит жестко соединенные между собой корпус и основание. Внутри корпуса на основании жестко установлена система резонаторов изображенная. Система резонаторов состоит из базового резонатора и плоского резонатора стоячей волны. Резонаторы связаны между собой подвеской, при этом система резонаторов имеет цельную стакановидную форму со стенками разной толщины. Базовый резонатор и подвеска имеют цилиндрическую форму, причем базовый резонатор расположен в верхней части подвески, а плоский резонатор расположен в нижней части подвески в основании системы. На плоском резонаторе установлен блок электродов с датчиками, который должен обеспечивать точное направление создаваемых им измеряемых изгибных колебаний, а также определенную жесткость радиальных торсионов. Данный гироскоп использует систему из двух резонаторов. Плоский резонатор является резонатором возбуждения с частотой F2 и приема стоячей волны, имеющий частоту резонанса F1.
При использовании подобной схемы функционирования существенное влияние на результат измерения оказывает воздействие вибрации, что приводит к возникновению вибрации как в статическом режиме, так и в динамическом режимах работы. Также важным фактором, влияющим на точность измерения данного гироскопа, является несоосность при изготовлении сборочной единицы, состоящей из плоского и принимающего резонаторов, а также крепежных деталей. В результате возникают сторонние изменения частоты колебаний системы резонаторов и, как следствие, дрейф нулевого сигнала.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является конструкция ТВГ [патент US 4793195, Fig. 2 А]. В данной конструкции используется тонкостенный металлический резонатор в форме цилиндра. Прибор устанавливается на основании и включает в себя электромагнитные силовые элементы - электромагниты (датчик раскачки), расположенные за пределами резонатора и задающие ему колебания с помощью сил электромагнитного притяжения. Измерение волновой картины колебаний резонатора осуществляется с помощью электростатического датчика угла. В данной конструкции используются шестнадцать электромагнитов для раскачки и шестнадцать обкладок конденсатора для измерения отклонения колебаний резонатора. Информация с датчика угла поступает в блок электроники сервопривода, по результатам обработки сигнала, блок выборочно возбуждает электромагниты для корректировки волновой картины. Авторы закладывают жесткие требования в конструкторской документации на изготовление резонатора и применяют прецизионное оборудование, что в итоге исключает необходимость балансировки резонатора.
Важным недостатком данной конструкции является сложность обеспечения высокого уровня соосности между элементами съема/возбуждения колебаний и резонатором, что в конечном итоге приводит к появлению дрейфа нулевого сигнала при неподвижном основании. Дополнительным фактором, влияющим на точность измерения, является вариант исполнения конденсаторов датчика угла из слоистого материала. Разработчики подобным путем пытаются решить некоторые вопросы, связанные с балансировкой. Однако исполнение конденсаторов в несколько слоев приводит к изменению геометрии обкладок конденсатора: выпуклость, вогнутость, волнистость и т.д. Согласно формуле, по которой рассчитывают работу электростатического датчика угла, результаты измерения датчика угла в немалой степени зависят от площади пересечения обкладок конденсатора и зазора между ними. Соответственно изменение геометрических параметров приводит к возникновению дополнительной погрешности измерения.
Твердотельный волновой гироскоп является инструментом, используемым для измерения угла поворота и угловой скорости вращения объектов. В основе его функционирования лежат инертные свойства упругих волн в твердом теле.
Техническим результатом испытаний заявленной конструкции гироскопа является улучшение тактико-технических характеристик: точность измерения угла поворота и угловой скорости вращения объектов, стабильность характеристик, технологичность.
Этот технический результат достигается тем, что в твердотельном волновом гироскопе, включающем резонатор в форме цилиндра, электромагнитные силовые элементы системы возбуждения колебаний резонатора (датчик раскачки), систему съема информации (электростатический датчик угла) для измерения положения волновой картины колебаний резонатора, электронный узел обработки сигнала (электронику), корпус с опорной составляющей и гермовводами, элементы крепежа деталей и сборочных единиц, датчик раскачки, резонатор и датчик угла выполнены в виде отдельной компактной сборочной единицы - измерительного узла, в качестве силовых элементов датчика раскачки резонатора используются электромагниты или конденсаторы (электростатические преобразователи), при этом резонатор, датчик угла полностью не соприкасаются с корпусом прибора, а датчик раскачки не соприкасается с корпусом ТВГ измерительными частями, кроме того соосность позиционирования резонатора относительно ярма датчика угла обеспечивается за счет детали, расположенной в основании опорной части датчика угла, а соосность позиционирования резонатора относительно ярма стойки резонаторной обеспечивается за счет детали, расположенной в основании опорной части датчика раскачки
Гермовводы могут устанавливаться в опорной составляющей корпуса. Для компенсации влияния температурных погрешностей можно использовать термодатчик, для защиты от влияния внешних факторов используется защитный кожух, а для улучшения волновой картины колебаний резонатора во внутреннем пространстве прибора создают вакуум.
Опорная составляющая датчика угла и/или опорная часть датчика раскачки могут быть выполнены из диэлектрического неметаллического материала с низким ТКЛР.
В полезной модели предложена конструкция недорогого ТВГ средней точности.
Сущность предлагаемой конструкции ТВГ поясняется чертежами фиг.1-3.
На фиг.1 показана сборка ТВГ в состав которой входят: измерительный узел 1; корпус 2; гермоввод 3; электромагнит 4; втулка для крепления электроники 5; шайба под винт 6; винт для крепления электроники 7; платы электроники 8; защитный кожух 9.
На фиг.2 показана сборочная единица ТВГ - измерительный узел, в состав которой входят: стойка датчика угла 10; основание датчика угла 11; ярмо датчика угла 12; резонатор 13; стойка резонаторная 14; ярмо стойки резонаторной 15; кольцо основания 16; прокладка термодатчика 17; термодатчик 18.
На фиг.3 показаны элементы трехмерной модели (3D-модели) ТВГ: а, б - измерительный узел; в - датчик раскачки; г - датчик угла; д - измерительный узел в корпусе.
Описание конструкции предлагаемой полезной модели:
В корпусе 2 установлены гермовводы 3 и измерительный узел 1. К корпусу крепятся электромагниты 4 и последовательно установлены элементы конструкции: платы электроники 8, втулки 5, шайбы под винт 6 и винт 7, поверх которых установлен защитный кожух 9, предохраняющий прибор от воздействия внешних факторов. Во внутренней полости прибора создается вакуум.
Измерительный узел 1 состоит из датчика угла, резонатора в форме цилиндра, датчика раскачки и термодатчика. Датчик угла (фиг.3, г) состоит из стойки датчика угла 10 на которое насажено ярмо датчика угла 12 и основание датчика угла 11. Датчик раскачки (фиг.3, в) состоит из стойки резонаторной 14 на которую насажено ярмо стойки резонаторной 15 и крепится кольцо основания 16 во внутренней части. Датчик угла крепится внутри резонатора 13, далее поверх резонатора насаживается датчик раскачки. Соосность позиционирования резонатора относительно ярма датчика угла обеспечивается за счет детали 11, расположенной в основании опорной части датчика угла, а соосность позиционирования резонатора относительно ярма стойки резонаторной обеспечивается за счет детали 16, расположенной в основании опорной части датчика раскачки. При этом датчик угла полностью не соприкасаются с корпусом прибора, а датчик раскачки не соприкасается с корпусом ТВГ измерительными частями. На выступающую часть основания датчика угла 11 крепится прокладка термодатчика 17 и сам термодатчик 18.
С целью увеличения точности измерения детали 11, 12, 13, 15, 16 предпочтительно выполнять из одного материала с низким ТКЛР.
С целью обеспечения функционирования гироскопа детали 10, 14 предпочтительно выполнять из диэлектрического материала (кристаллического, поликристаллического) с низким ТКЛР.
Устройство работает следующим образом:
В измерительном узле 1 (фиг.1) формируется волновая картина. Электромагниты 4 формируют колебания резонатора. Электростатический датчик угла фиксирует колебания резонатора, посредством изменения величины зазора между ярмом датчика угла 12 и резонатором. При достижении определенного уровня колебаний резонатора, электроника обработки сигнала 8 формирует управляющий сигнал для электромагнитов 4.
В качестве материала резонатора могут использоваться прецизионные сплавы со специальными физическими и физико-механическими свойствами, уровень которых определяется точными химическим составом, чистотой сплава от включений и вредных примесей, структурным состоянием и высокой точностью изготовления. Оптимальными прецизионными сплавами для металлического резонатора являются сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), которые отлично себя зарекомендовали при спаивании с различными стеклами, керамикой, слюдой и другими диэлектриками в радиолампах и электроннолучевых приборах, для деталей измерительных приборов с постоянными размерами. Также, данные сплавы отличаются достаточной прочностью и высокой пластичностью. Это позволяет изготовлять из них продукцию в широком ассортименте, в том числе и ответственные детали для измерительных приборов. Также, резонатор может быть изготовлен из диэлектрического материала с высокой добротностью (например: плавленого кварца, сапфира).
-6
-1
Предлагаемый металлический резонатор может быть изготовлен из прецизионных сплавов с низким ТКЛР: 36Н, 36Н-ВИ, 36НХ, 32НКД, 32НК-ВИ, 35НКТ, 39Н, 54К9Х которые имеют ТКЛР ниже 3,5·10 град при верхнем пределе температурного интервала не выше 100°С. Сплавы на основе системы Fe-Ni инварного состава содержат 30-40% Ni. Для получения определенных сочетаний тепловых, механических и технологических свойств их легируют хромом, кобальтом, медью, титаном и марганцем. Выбор конкретного сплава производится с учетом его ТКЛР, механических свойств, устойчивости к фазовым превращениям в интервале рабочих температур и нагрузок [3].
Заявленная конструкция ТВГ может быть изготовлена на приборостроительном предприятии, имеющем соответствующее оборудование. ТВГ предназначен для применения в системах навигации движущихся объектов, в системах управления наземной, морской, авиационной, ракетно-космической техникой.
Список используемой литературы
1. Меркурьев И.В., Подалков В.В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 228 с. - ISBN 978-5-9221-1125-6.
2. Денисов Р.А. Неоднородность распределения массы резонатора твердотельного волнового гироскопа (ТВГ). Инновационные технологии организации обучения на пути к новому качеству образования: Сборник материалов VIII Всероссийской научно-практической конференции. Арзамас, 2011 г. М.: Изд-во СГУ, 2011. 524 с.ISBN 978-5-8323-0804-3.
3. Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б.Н.Арзамасов, Т.В.Соловьева, С.А.Герасимов и др.; Под ред. Б.Н.Арзамасова, Т.В.Соловьевой. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - 640 с: ил. ISBN: 5-7038-2651-9.