ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА

Настоящая полезная модель относится к области разработки гироскопических приборов и может быть использована в волновых твердотельных гироскопах, работающих в режиме датчика угловой скорости. Известен волновой твердотельный гироскоп (В.А. Матвеев, В.И. Липатников, А.В. Алехин "Проектирование волнового твердотельного гироскопа". М., издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 г., с. 11, рис. 1.4, [1]), в котором чувствительный элемент - резонатор выполнен в виде тонкостенной цилиндрической оболочки с днищем и узлом крепления оболочки к основанию по ее оси.
В описанной конструкции гироскопа на свободной кромке резонатора на его боковой поверхности по окружности расположены равномерно восемь пьезоэлектрических элементов. Эти пьезоэлектрические элементы предназначены для возбуждения упругих стоячих волн в резонаторе и съема полученной информации. Переменный сигнал возбуждения с частотой близкой до частоты основной собственной формы колебаний резонатора подается на два диаметрально противоположных пьезоэлектрических элемента. Их деформации изгиба вызывают радиальные колебания оболочки резонатора, что приводит к возникновению в резонаторе упругой стоячей волны по второй форме колебаний с четырьмя пучностями и узлами. При вращении резонатора вокруг центральной оси с угловой скоростью Ω появляются Кориолисовы силы, за счет чего в узлах возникают радиальные колебания, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости Ω. Кориолисовы силы смещают стоячую волну с ее пучностями и узлами по окружности, что ведет к изменению сигналов пьезоэлектрических элементов, размещенных в узлах, причем эти сигналы пропорциональны угловой скорости Ω.
К недостаткам описываемого резонатора относятся:
1) размещение пьезоэлектрических элементов возле свободной кромки резонатора, что способствует демпфированию стоячей волны, а это, в свою очередь, ведет к уменьшению его добротности, а, следовательно, к снижению масштабного коэффициента гироскопа и его чувствительности в целом;
2) использованная в этой конструкции схема приклеивания пьезоэлектрических элементов не обеспечивает совпадения оси упругой волны с осями расположения пьезоэлектрических элементов, использованная в этой конструкции схема приклеивания пьезоэлектрических элементов создает неравномерное распределение жесткости по окружности резонатора, вследствие чего оси упругой волны не совпадают с осями расположения пьезоэлектрических элементов, а это ведет к нелинейности масштабного коэффициента гироскопа и снижению его чувствительности, в особенности - к малым угловым скоростям вращения.
Известен волновой твердотельный гироскоп (№22153 UA кл. G01C 19/56 "Вибрационный гироскоп, чувствительный к Кориолисову ускорению"[2]), в котором чувствительный элемент - резонатор также выполнен в виде тонкостенной цилиндрической оболочки с днищем и узлом крепления оболочки к основанию по ее оси, при этом в днище резонатора выполнено множество отверстий, расположенных главным образом равномерно, симметрично относительно оси резонатора и главным образом по окружности с размещением множества пьезоэлектрических элементов на перемычках между отверстиями снаружи или внутри резонатора, который снабжен элементом его упругого крепления к основанию гироскопа.
Недостатками такой конструкции являются:
1) размещение пьезоэлектрических элементов на перемычках между отверстиями не позволяет достичь точного совпадения осей упругой волны с осями расположения пьезоэлектрических элементов (системой координат, связанной с ними);
2) механическая балансировка резонатора в данном случае будет более сложной.
Наиболее близким аналогом заявляемого чувствительного элемента гироскопа, выбранным в качестве прототипа, является чувствительный элемент вибрационного гироскопа (патент №2445575 RU кл. G01C 19/56 «Чувствительный универсальный элемент вибрационного кориолисова гироскопа» [3]), содержащий тонкостенный цилиндр с днищем, элемент его крепления к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема информации, цилиндр выполнен с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором, днище цилиндра разбито на сектора посредством множества пазов, расположенных главным образом симметрично и главным образом радиально по окружности от ее центра до периферийной части днища цилиндра, причем внутри каждого сектора выполнен паз с возможностью размещения в нем множества пьезоэлектрических элементов возбуждения и съема информации, пазы выполнены с наружной или внутренней стороны днища, и, помимо того, пазы, образующие сектора, частично расположены на теле боковой поверхности цилиндра.
Предлагаемая конструкция имеет недостатки. Пазы, сформированные с наружной или внутренней стороны днища резонатора, предназначенные для обеспечения одномодовости колебаний кромки, не позволяют с необходимой точностью поместить технологическую тяжелую ось колебаний резонатора, относительно которой собственная частота колебаний меньше, строго между пазами днища. Это связано с тем, что тяжелая и легкая оси возникают определяющим образом вследствие неточности изготовления утолщенной части резонатора, ведь изгибная жесткость утолщенной части пропорциональна 3-ей степени его толщины. Поскольку донная часть много тоньше утолщенной части, то модификация данной части дает в такой же степени малое влияние на стоячую волну утолщенной кромки. Вместе с тем, организация пазами выделенных масс в днище резонатора ведет к таким же проблемам при балансировке резонатора, как и в случае использования для построения вибрационных гироскопов других типов резонаторов с условно сосредоточенными параметрами, например камертонных резонаторов. Резонаторы с сосредоточенными параметрами никогда не удастся сбалансировать с той же точностью, что и резонатор с распределенными параметрами. А значит, шум волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) с резонатором с сосредоточенными параметрами и его сигнал всегда будут существенно больше, чем с резонатором с распределенными параметрами, соответственно и классность последних будет намного выше.
В предложенных в патенте пазах для размещения пьезоэлектрических элементов невозможно достичь такой же чистоты поверхности, как и на плоской части. Пьезоэлектрические элементы, расположенные в пазах на поверхности с низкой чистотой, будут иметь меньшую стабильность параметров и устойчивость к внешним воздействиям, чем ВТГ с пьезоэлектрическими элементами на плоской (более чистой) поверхности.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача повышения чувствительности и точности гироскопа путем создания чувствительного элемента и определения геометрических параметров пьезоэлектрических элементов в нем, создания необходимой газовой среды в чувствительном элементе, оптимизацией механической балансировки этого чувствительного элемента.
Поставленная задача находится в причинно-следственной связи с результатом, состоящем в том, что в чувствительном элементе волнового твердотельного гироскопа, содержащем стакан, цилиндр с днищем (резонатор), элемент крепления резонатора к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема информации, новым является то, что резонатор имеет сплошное равнотолщинное днище, на котором расплоложено множество пьезоэлектрических элементов, резонатор установлен в стакане, закрытом основанием гироскопа, обеспечивающим вакуумно-герметичную камеру, цилиндр резонатора выполнен с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором при соотношении утолщенной и тонкой его части 1:0,50÷0,67, а переход от утолщенной верхней к тонкой части резонатора выполнен в виде фаски. Кроме того, отверстие консольного элемента крепления резонатора к основанию гироскопа выполнено коническим, а пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема информации могут иметь форму прямоугольного параллелепипеда с соотношением длины к ширине 2,5:1, их длина соотноситься с внешним диаметром кольцевого резонатора как 1:5,4÷5,6.
Предлагаемая конструкция чувствительного элемента позволяет достичь более точного совпадения осей упругой волны с осями расположения пьезоэлектрических элементов (системой координат, связанной с пьезоэлектрическими элементами) в сравнении с конструкцией, защищенной патентом, принятым в качестве прототипа, что ведет к упрощению контура коррекции стоячей волны и уменьшению энергопотребления, к повышению чувствительности и точности гироскопа. Важным является также и то, что в предлагаемой конструкции чувствительного элемента упрощается механическая балансировка его резонатора за счет совмещения тяжелой оси с осью пьезоэлементов путем определения указанных осей акустическим способом. Установление определенной геометрии пьезоэлектрических элементов и их соотношения с диаметром резонатора оказывают существенное влияние на добротность резонатора, амплитуду колебаний пучности стоячей изгибной волны утолщенной части резонатора и шумовые характеристики ВТГ. Применение фаски между утолщенной и тонкой частями резонатора, создание вакуума внутри стакана ведут к увеличению добротности резонатора, что, в свою очередь, ведет к увеличению чувствительности и точности ВТГ.
Конструкция заявляемого чувствительного элемента поясняется следующими рисунками:
на фиг. 1 показана конструкция чувствительного элемента;
на фиг. 2 показана схема сопряжения боковой стенки резонатора
на фиг. 3 представлена схема совмещения осей установки пьезоэлектрических элементов с осями формы колебаний резонатора;
на фиг. 4 показана схема расположения пьезоэлектрического элемента на днище резонатора
на фиг. 5 показана схема определения величины механических напряжений при колебаниях в резонаторе без фаски;
на фиг. 6 показана схема определения величины механических напряжений при колебаниях в резонаторе с фаской.
1
1
1
Чувствительный элемент (фиг. 1) состоит из стакана 1, тонкостенного цилиндра с кольцевым резонатором 2, выполненного в виде цилиндрического обода длиной H (фиг. 2), диаметром D=2a и толщиной стенок h, с цилиндрическим упругим подвесом 3 с более тонкой стенкой, толщиной h, с днищем 4 той же толщины h. Толщина стенок h упругого подвеса 3 и днища 4 меньше толщины стенок кольцевого резонатора 2. На днище 4 размещены пьезоэлектрические элементы 5 для возбуждения резонатора либо съема с него информации (фиг. 3). На днище внутри цилиндра 2 и соосно с ним располагается консольный элемент крепления 6 чувствительного элемента к основанию 7 гироскопа. Ось чувствительности ВТГ определяется осью посадки резонатора на основание 7 гироскопа.
Консольный элемент крепления 6 имеет целью уменьшение связи вибрирующих частей днища 4 с основанием, что способствует уменьшению отбора энергии от кольцевого резонатора 2 и передачи ее основанию, а также совмещению центра масс резонатора с местом крепления. Соединение тонкостенного цилиндра с днищем с основанием гироскопа производится с помощью консольного элемента по конусной посадке, что позволяет центрировать тонкостенный цилиндр с днищем относительно основания гироскопа и увеличить площадь посадки, тем самым увеличить устойчивость конструкции к механическим нагрузкам и увеличить долговечность гироскопа.
Чувствительный элемент может быть изготовлен из различных материалов, однако для обеспечения высокой стабильности колебаний он изготовляется из материалов с низкими внутренними потерями энергии, что обеспечивает его высокую добротность, и помимо того, эти материалы должны иметь постоянные упругие свойства для обеспечения стабильности частоты колебаний резонатора в интервале рабочих температур (к таким материалам относятся, например, прецизионный немагнитный сплав с заданными упругими свойствами Н18К9М5Т или 21НКТМ-ВИ, а также другие высококачественные немагнитные и слабомагнитные материалы).
Работа предлагаемого чувствительного элемента описывается следующим образом.
Возбуждение упругих стоячих волн в резонаторе и съем сигнала производятся пьезоэлектрическими элементами, приклеенными на дно резонатора. Переменный сигнал возбуждения подается на пару диаметрально противоположных пьезоэлектрических элементов на частоте близкой к частоте второй изгибной моды колебаний резонатора. Изгибные деформации пьезоэлектрических элементов вызывают радиальные колебания цилиндрической оболочки. Порядок возбуждения колебаний пьезоэлектрическими элементами - против часовой стрелки, при виде со стороны пьезоэлектрических элементов. В результате в резонаторе возникает упругая стоячая волна (фиг. 3) по второй моде упругих колебаний с четырьмя пучностями, точками максимальной амплитуды колебаний, (1, 3, 5, 7), и узлами, точками минимальной (в идеале нулевой) амплитуды колебаний, (2, 4, 6, 8). Таким образом, в предлагаемой конструкции чувствительного элемента обеспечено максимально точное совпадение осей упругой волны с осями расположения пьезоэлектрических элементов 6.
При вращении гироскопа с колеблющимся чувствительным элементом вокруг его центральной оси с постоянной угловой скоростью Ω возникают Кориолисовы силы, которые способствуют смещению узловых областей стоячей волны по окружности, в результате чего на пьезоэлектрических элементах 2, 4, 6, 8, расположенных в узлах, появляется сигнал, пропорциональный угловой скорости Ω. Этот сигнал поступает в блок электроники (в чертежах не показан) для выработки сигнала компенсации инерциального смещения стоячей волны. Сигнал компенсации выводится из блока электроники в качестве выходного сигнала пропорционального измеряемой угловой скорости Ω.
Применение фаски от утолщенной части на кромке резонатора к более тонкой части (фиг. 2) позволяет уменьшить концентрацию напряжений в области перехода. Как показывает моделирование методом конечных элементов, при воздействии одинакового усилия на кромку резонатора, внутренние механические напряжения в резонаторе без фаски в области перехода (фиг. 5) будут на 10% больше, чем в резонаторе с фаской (фиг. 6). Резонатору при колебаниях не будет необходимости в каждом полупериоде рассеивать энергию на создание указанной концентрации напряжений. Таким образом, потери колебательной энергии уменьшатся, а добротность увеличится настолько же, насколько уменьшается концентрация напряжений. Кроме того, к уменьшению концентрации напряжений также приводит отказ от неоднородностей в днище резонатора (имеющихся в [2] и [3]). Увеличение добротности резонатора приведет к увеличению чувствительности и точности ВТГ.
Газовая среда влияет на собственную частоту колебаний резонатора в соответствии с зависимостью:
экв
р
гс
где с=с+с - эквивалентная жесткость,
р
с - жесткость формы колебания резонатора,
гс
гс
р
с - жесткость газовой среды (с<<с при больших газовых зазорах, больших 0,1 мм),
экв
р
гс
m=m+m - эквивалентная масса колебательной системы;
р
m - эквивалентная масса колеблющегося участка резонатора;
гс
x
г
m=k·ρ·V - присоединенная масса газа;
x
k - коэффициент массы газа, участвующей в колебаниях;
г
V - объем имеющегося газа в зазоре;
д
ξ - декремент затухания колебаний,
b - коэффициент пропорциональности между силой демпфирования колебаний и скоростью колебаний,
вп
газа
b=b+b,
вп
b - внутреннее демпфирование,
газа
b - газовое демпфирование.
В соответствии с выражением (1) видим, что наличие газа несколько уменьшает собственную частоту колебаний.
д
Это позволяет параметрически контролировать наличие вакуума в ЧЭ во все время работы ВТГ без дополнительного дорогостоящего оборудования. Декремент затухания ξ связан обратной пропорциональной зависимостью с добротностью Q резонатора в газовой среде:
откуда следует, что
вп
газа
газа
газа
, где b=b+b, b=η·S.
газа
где η - коэффициент динамической вязкости газа, S площадь участка поверхности резонатора, участвующего в колебаниях.
вн
газа
При достаточно малом внутреннем демпфировании b<<1, которое получается путем подбора материала резонатора, режимов его термообработки, совершенствованием технологии изготовления и конструкции резонатора, определяющим для величины добротности становится газовое демпфирование b. Откачивание воздуха из полости чувствительного элемента позволяет уменьшить величину газового демпфирования материала резонатора и приклеенных пьезоэлектрических элементов.
Геометрические соотношения между размерами пьезоэлектрических элементов и диаметром резонатора оказывают существенное влияние на добротность резонатора, амплитуду колебаний пучности стоячей изгибной волны утолщенной части резонатора и шумовые характеристики ВТГ.
Влияние технологических параметров резонатора на выходной сигнал ВТГ компенсационного типа (в режиме ДУС) описывается выражением [4]:
где
- масштабный коэффициент гироскопа;
- смещение нуля гироскопа,
, шум гироскопа, который определяется разночастотностью wΔw
- шум, который определяется разностью добротности.
где k - коэффициент кориолисового гироскопа;
Δw - разность частот колебаний по осям пьезоэлементов возбуждения и компенсации;
w
Θ - угол формы разночастотности;
w частота колебаний резонатора;
- разнодобротность;
Θτ - угол разнодобростности;
y
f - компенсационная сила, действующая в узле колебаний резонатора.
Размеры пьезоэлектрических элементов должны быть минимальны, чтобы как можно меньшим было их влияние на разночастотность и добротность колебаний.
Вместе с тем, они должны эффективно возбуждать колебания резонатора. Единичное усилие за период колебаний резонатора должно быть достаточным для их поддержания. Амплитуда колебаний резонатора δ должна составлять не менее 0,01% от величины диаметра резонатора. Для поддержания указанных колебаний за один период колебаний должен задаваться прирост амплитуды величиной не менее δ/Q. Для задания такого прироста необходимо усилие в пьезоэлементе [5]:
D - цилиндрическая жесткость;
H - высота утолщенной кромки резонатора;
a - радиус резонатора.
Сила в пьезоэлементе пропорциональна его геометрии:
b - ширина пьезоэлемента;
x
U - напряжение, подаваемое на электрод;
12
d - пьезоэлектрический коэффициент;
0
ε - диэлектрическая постоянная;
ε - коэффициент относительной диэлектрической проницаемости пьезокерамики.
Для достижения заданной выражениями (5) и (6) силы оптимальное соотношение утолщенной и тонкой частей составляет 1:0,5÷0,67, оптимально подобраны геометрические размеры: у пьезоэлектрических элементов длина соотносится с шириной 1/b=2.5:1, длина пьезоэлектрического элемента соотносится с внешним диаметром резонатора l/2a=1:5.4…5.6. Указанные соотношения подобраны эмпирически.
В предлагаемом чувствительном элементе волнового твердотельного гироскопа совмещение тяжелой оси с осью пьезоэлектрических элементов производится путем определения указанных осей акустическим способом (фиг. 3).
Все технологические циклы изготовления резонатора осуществляются с одной установки. Совмещение осей производится уже в сборочной технологической операции, по предопределенным результатам акустического анализа положения осей пьезоэлектрических элементов.
1 В.А. Матвеев, В.И. Липатников, А.В. Алехин "Проектирование волнового твердотельного гироскопа". М., издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998, с. 11, рис. 1.4;,
2 Патент №22153 UA кл. G01C 19/56 "Вибрационный гироскоп, чувствительный к Кориолисову ускорению"
3 Патент №2445575 RU кл. G01C 19/56 «Чувствительный универсальный элемент вибрационного кориолисова гироскопа»
4 Д.Д. Линч. Кориолисовый вибрационный гироскоп. / Симпозиум по гиротехнологии, 1998, Штуттгарт, Германия.
5 С.П. Тимошенко, С. Войновский-Кригер «Пластинки и оболочки» М., Наука, 1966