ПЬЕЗОГИРОСКОП
PIEZOGYROSCOPE

Решение относится к измерительной технике и может применяться в пилотажных системах летательных аппаратов малой авиации.
Известен пьезоэлектрический гироскоп, описанный в работе [1]. Пьезогироскоп содержит чувствительный элемент, выполненный в виде диска в котором возбуждаются колебания на эллиптической моде. При действии угловой скорости в диске локально наводятся механические напряжения, пропорциональные кориолисовым силам.
Недостатком известного решения является низкая чувствительность, вызываемая потерями энергии от диска к подложке через крепление.
В качестве прототипа выбран пьезоэлектрический гироскоп, описанный в патенте на изобретение [2].
Пьезогироскоп содержит чувствительный элемент, выполненный в виде пьезодиска, укрепленного по центру с помощью центрального штыревого электрода к неподвижному основанию, причем на одной из поверхностей диска нанесено восемь проводящих электродов-секторов, а на другой поверхности выполнен сплошной электрод, первый электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, а выход с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, размещенными крест на крест относительно первых, второй электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя измерительными электродами-секторами расположенными под углом 45° к возбуждающим, электродам-секторам а выход второго преобразователя соединен с оставшимися двумя электродами-секторами обратной связи и является выходом пьезогироскопа, центральный штыревой электрод, одним концом соединенный с неподвижным основанием (подложкой). На втором конце центрального штыревого электрода укреплен пьезодиск.
В пьезодиске возбуждаются резонансные колебания на эллиптической моде. При воздействии угловой скорости по оси диска, под секторами возбуждения возникают кориолисовы ускорения, приложенные к диску тангенциально, вызывая под секторами съема механические напряжения и соответственно пропорциональные им э.д.с.
Недостатком известного устройства является низкая добротность пьезодиска, обусловленная потерей колебательной энергии через центр крепления к неподвижной подложке. Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Задача изобретения - совершенствование конструкции пьезогироскопа.
Технический результат - повышение чувствительности пьезогироскопа в режиме изменения угловой скорости.
Этот технический результат достигается тем, что в пьезодиске выполнено N сквозных отверстий вокруг центрального штыревого электрода крепления пьезодиска к неподвижной подложке, причем, степень повышения добротности пьезодиска отвечает следующей зависимости:
,
где K - степень повышения добротности; N - число сквозных отверстий вокруг электрода крепления пьезодиска; r - радиус сквозного отверстия; R - расстояние от оси электрода крепления до оси сквозного отверстия.
На чертеже приведена электрическая структурная схема предлагаемого пьезогироскопа. Приняты следующие обозначения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - проводящие электроды-сектора. 1, 3, 5, 7 - возбуждения колебаний, 2, 6 - съема сигнала, 4, 8 - для создания отрицательной обратной связи - на одной стороне пьезодиска 9; 10 - первый электронный преобразователь, 11- второй электронный преобразователь, 12 - сквозное отверстие в пьезодиске 9; 13 - центральный штыревой электрод крепления пьезодиска 9 к неподвижной подложке, 14 - неподвижное основание (подложка), 15 - сплошной электрод на другой поверхности пьезодиска 9. Проводящие электроды-сектора 1, 3, 5, 7 предназначены для возбуждения резонансных колебаний в пьезодиске 9 на эллиптической моде. Электроды-сектора 3, 7 включены на вход первого электронного преобразователя 10, а электроды-сектора 1, 5 включены на его вход. Электроды-сектора 6, 8 предназначены для съема сигнала, пропорционального внешней угловой скорости. Электроды 2, 6 включены на вход второго электронного преобразователя 11, а электроды 4, 8 - к его выходу. В пьезодиске 9 выполнено восемь сквозных отверстий 12. и он присоединен сверху к центральному штыревому электроду 13, который снизу крепится к неподвижному основанию 14 и одновременно соединен с «землей». Электроды объединены попарно: 1 и 5, 3 и 7, 4 и 8, 2 и 6. Электроды 1 и 5, 3 и 7 предназначены для возбуждения колебаний эллиптической «главной» моды, электроды 2 и 6 - для съема сигнала, а электроды 4 и 8 - для образования отрицательной обратной связи. Последовательность смены направлений эллиптических осей колебаний задается расположением электродов на диске и обратными связями электрической схемы возбуждения.
1
2
Для описания работы предлагаемого устройства рассмотрим режим измерения угловой скорости. При приходе импульса напряжения на электроды 1; 5, диск деформируется на величину δ, растягиваясь по оси х и сжимаясь по оси y. Участки пьезоматериала под секторами 1,5 с линейной скоростью
перемещаются от центра к периферии. Величина скорости зависит от координат и частоты напряжения возбуждения. При действии внешней угловой скорости Ω в участках материала под сектором 1 (или 5) возникает кориолисова сила, приложенная тангенциально. На чертеже действие кориолисовой силы показано стрелкой от сектора 1 в направлении к сектору 2 (или от сектора 5 в направлении к сектору 4). Одновременно участки материала под сектором 3 перемещаются от периферии к центру на величину δ, а возникающая кориолисова сила направлена также в сторону сектора 2 (или 4), что приводит к его сжатию. Таким образом на электроде сектора 2 возникает э.д.с., пропорциональная действующей угловой скорости. При смене деформаций э.д.с меняет знак. Полезный сигнал далее выявляется электронным преобразователем ЭП2-11.
При непрерывном колебательном процессе часть энергии переходит от диска через центр крепления 13 к неподвижной подложке 14 и теряется (диссипирует). Это приводит к снижению добротности пьезорезонатора и соответственно к ухудшению всех характеристик пьезогироскопа. Для снижения потерь вокруг центра крепления выполнено N сквозных отверстий радиусом r, которые частично преграждают путь распространению волны, переносящей колебательную энергию в подложку. Отверстия должны быть расположены строго под проводящими секторами возбуждения и съема.
Количественно потерю диском энергии можно определить по мощности диссипации, определяемой в соответствии с обобщенным законом Ньютона
где µ - тензор вязкости; S - тензор скоростей деформации, в координатной форме записываемый в следующем виде
u, ν, w - составляющие вектора скорости деформации. Число компонент тензора вязкости определяется свойствами материала, например, для изотропного материала имеет место две компоненты. Мощность диссипация является величиной положительной. Величину энергии, теряемой за единицу времени можно определить посредством интегрирования мощности по объему dV=hdRdθ. Без отверстий потеря энергии составляет
А с отверстиями
где λ=Narctg(d/R), d - перешеек между отверстиями.
полн
дис
Считая в обоих случаях общую энергию колебаний одинаковой и разной только потерю, представим добротность диска как отношение общей энергии к потерянной Q=E/E. Сравнивая добротности без отверстий и с отверстиями, найдем величину показателя повышения добротности диска за счет выполнения отверстий
где
- степень повышения добротности;
Оценим численно показатель повышения добротности при N=8 и r/R в диапазоне 0,05-0,1 (см. табл.).
r/R
0,2
0.3
0,4
0,5
0,6
0,7
Q<sub>c отв</sub>/Q<sub>без отв</sub>
1,25
1,62
2,04
2,75
4,24
9,24
Повышение добротности пьезодиска связано с повышением чувствительности пьезогироскопа в режиме измерения угловой скорости. Таким образом цель изобретения достигнута.
Источники информации
1. Burdess J.S., Wren Т. The theory of a piezoelectric disc gyroscope // IEEE. 1995. №4. P.410-418.
2. Бюрдесс Ж.С. Гироскоп: Патент 4489609. Опубл. 20.10.1982 г.