ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП
SOLID STATE WAVE GYROSCOPE

Изобретение относится к измерительной технике, к области гироскопического приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления.
Известен твердотельный волновой гироскоп (патент RU 2541711 С1 от 21.08.2013), содержащий вакуумируемый корпус, во внутреннем объеме которого размещены твердотельный волновой инерциальный чувствительный модуль, включающий в себя изготовленный из кварцевого стекла полусферический резонатор с металлизированной рабочей поверхностью, с проходящим через полюс его полусферы двухсторонним держателем стержневого типа, с помощью которого он жестко скреплен с комбинированной платой возбудителя колебаний резонатора и съема электрических сигналов, геттерный насос, электронную систему измерения, управления колебаниями резонатора и герметизирующую крышку. Дополнительно вакуумируемый корпус имеет в полюсной области выступающую полость для размещения внешнего держателя стержневого типа, а на экваторе расположен кольцеобразный пояс, на внешней стороне которого размещены три установочно-закрепительных элемента гироскопа, разнесенных друг относительно друга на 120°, а на внутренней стороне расположены три конусных сегментных элемента для установки комбинированной информационно-возбудительной платы с применением кольцевой разрезной пружины, разнесенных относительно друг друга на 120° и на 60° относительно установочно-закрепительных элементов гироскопа. Комбинированная информационно-возбудительная плата образована фланцевым основанием с конусной кромкой со стороны, примыкающей к конусным установочным элементам корпуса, выступающей над ним шаровой зоной с малым и большим основанием. Над малым основанием по оси симметрии выступает цилиндрическая часть для установки резонатора. Во фланцевом основании и со стороны большого основания шаровой зоны выполнена расточка, образующая полость для размещения геттерного насоса, а по центральной части шаровой зоны и цилиндрической части выполнены две расточки с разными диаметрами, образующими установочное и крепежное отверстия для внутреннего держателя резонатора. На наружной поверхности шаровой зоны сформированы электроды управления и электроды съема информации, вырезанные лазерным лучом в напыленной на поверхности этой зоны хромовой пленке. Герметизирующая крышка состоит из металлического кольца и металлокерамической вакуумноплотной колодки с впаянными проходными штыревыми однопроводящими контактами, манжетой по наружному диаметру колодки для сварки с кольцом, кольца в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки с внутренней стороны для крепления геттерного насоса, втулки в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки с наружной стороны для сварки с откачным штенгелем.
У данного твердотельного волнового гироскопа можно выделить несколько недостатков.
1) Применение клеевого соединения для крепления резонатора к комбинированной плате:
- клеи при воздействии температур и с течением времени начинают выделять газ, вследствие чего в объеме прибора понижается степень вакуума, что приводит к ухудшениям точностных характеристик прибора;
- использование клеевого соединения обеспечивает жесткое неразборное соединение резонатора и комбинированной платы, что приводит к отсутствию возможности переборок изделия при производстве;
- жесткое крепление приводит к передаче на резонатор всех внешних воздействий с объекта, на котором закреплен твердотельный волновой гироскоп.
2) Балансировка резонатора достигается точностью изготовления деталей, что приводит к усложнению изготовления детали и повышении стоимости.
Задачей изобретения является создание волнового твердотельного гироскопа, а именно создание крепления резонатора без использования клея с развязкой резонатора от основания с возможностью дополнительной переборки и реализация возможности балансировки резонатора.
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-7.
На фиг. 1 представлено трехмерное изображение внешнего кожуха и мест крепления гироскопа.
На фиг. 2 изображен общий вид конструкции волнового твердотельного гироскопа.
На фиг. 3 представлено трехмерное изображение гермофланца с установленными гермовыводами и геттерным насосом.
На фиг. 4 представлено трехмерное изображение сборки основания с резонатором.
На фиг. 5 и 6 представлены изображения кварцевого основания.
На фиг. 7 представлено трехмерное изображение штенгельного узла.
Волновой твердотельный гироскоп содержит металлический гермофланец 1 (см. фиг. 1-3), имеющий установочно-присоединительные элементы 2. Гермофланец 1 закрывается кожухом 3.
Гермофланец 1 (см. фиг. 2) имеет внутреннюю полость, в которой размещена кварцевая сборка (см. фиг. 4), включающая в себя изготовленный из кварцевого стекла, полусфероцилиндрический (полусфера, переходящая в цилиндр) резонатор 4 с металлизированной рабочей поверхностью. Резонатор 4 крепится через упоры 5, закрепленные на цанге 6, сваренной с коронкой 7, которая устанавливается на кварцевое основание 8. Упоры 5 прижимаются разрезным кольцом 9.
Использование бесклеевого соединения позволяет достичь большей глубины вакуума в герметичной области конструкции, что положительно сказывается на точностных характеристиках прибора.
Во внутренней полости также размещен геттерный насос 10 (см. фиг. 2, 3).
Гермофланец 1 на внутренней стороне имеет три установочных площадки 11 и три прижимных упругих элемента 12, разнесенных относительно друг друга на 60°, для установки основания 8 с помощью прижимного кольца 13 (см. фиг. 2, 3).
Точная установка и закрепление сборки основания с резонатором на гермофланце 1 обеспечивается с помощью рисок и прижимного кольца 13. Такая установка кварцевой сборки позволяет создать разборную конструкцию ВТГ, что позволяет в процессе его изготовления, при необходимости, производить снятие с гермофланца 1 сборки основания с резонатором.
Кварцевое основание 8 (см. фиг. 4, 5, 6) имеет сфероцилиндрическую поверхность, с нанесенным токопроводящим покрытием, на которой вырезаны восемь локальных электродов измерения 14, четыре электрода балансировки 15 и восемь электродов управления 16. Электроды управления 16 вырезаны лазерным лучом с шагом 45° на токопроводящем покрытии. Электроды измерения 14 расположены под электродами управления 16, а электроды балансировки 15 расположены между ними. Между электродами измерения 14, электродами балансировки 15 и электродами управления 16 нанесены два экрана 17 и 18. Разнесение групп электродов измерения 14, электродов балансировки 15 и электродов управления 16, а также наличие экранов 17 и 18 позволяет повысить качество управления вибрационным состоянием резонатора, а также уменьшить влияние канала управления на каналы измерения, тем самым уменьшить уровень помех в электронных трактах. На основании 8 нанесены токопроводящие дорожки 19 идущие от электродов управления 16 через проходные отверстия 20 к контактным площадкам 21.
Для измерительных электродов (см. фиг. 5, 6) нанесены токопроводящие дорожки 22, проходящие через проходные отверстия 23 и идущие к контактным площадкам 24.
Для обеспечения электрической связи металлизированной поверхности резонатора на основании 8 (см. фиг. 4, 5) сформирована контактная площадка 25, обеспечивающая электрическую связь с резонатором 4 через коронку 7, цангу 6 и упоры 5.
Для электрической связи экрана 17 (см. фиг. 5, 6) в области электродов измерения 14 на основании 8 нанесена токопроводящая дорожка 26, идущая от экрана 17 через проходное отверстие 27 к контактной площадке 28
Для электрической связи экрана 18 (см. фиг. 5, 6) в области электродов управления на основании 8 нанесена токопроводящая дорожка 29, идущая от экрана 18 через проходное отверстие 30 к контактной площадке 31.
В гермофланец 1 (см. фиг. 1, 3) установлены гермовыводы 32, обеспечивающие электрическую связь с электродами 14-16, геттерным насосом 10, экранами 17 и 18, резонатором 4.
Для откачки воздуха в гермофланец 1 установлен штенгельный узел (см. фиг. 2, 7), состоящий из трубки 33, втулки 34 и фланца 35. После откачки воздуха трубка 33 герметизируется методом холодной сварки и покрывается герметиком для обеспечения длительной герметичности прибора. При размещении геттерного насоса 10 не используется специальное пространство - он расположен в полости основания 8. Данное решение позволяет уменьшить габариты прибора.
Для соединения гермофланца 1 и кожуха 3 на гермофланце выполнена сварная кромка 36 (см. фиг. 2, фиг. 3).
Для установки электронной монтажной платы 37 (см. фиг. 2), расположенной в негерметичной части прибора используются закрепляемые на гермофланце 1 стойки 38, шайбы 39 и гайки 40. Осуществляется электрическая связь между корпусом прибора и платой через фланец 35. Волновой твердотельный гироскоп работает следующим образом. Принцип работы волнового твердотельного гироскопа основан на прецессии стоячей волны кромки резонатора при вращении резонатора вокруг оси ножки резонатора и последующего вычисления накопленного угла прецессии. Эффект прецессии возникает при запуске резонатора на частоте собственных колебаний по второй форме.
На резонатор 4 (см. фиг. 3, 4, 5) от гермовывода 32 через контактную площадку 25, коронку 7, цангу 6 и упоры 5 подается высоковольтное постоянное напряжение. Резонатор 4 раскачивают до рабочей амплитуды колебания с помощью переменной электростатической силы. Данная сила возникает в зазоре между металлизированным покрытием резонатора 4 и электродами управления 16 установленными на основании 8 при подаче на электроды управления 16 синусоидального сигнала с электронной монтажной платы 37. Для формирования второй формы колебания оболочки резонатора 4 электроды управления 16 располагаются на основании напротив друг друга под углом 180°. Таким образом реализуется позиционное возбуждение колебаний оболочки резонатора 4.
Для определения текущего положения стоячей волны применяются электроды измерения 14, вырезанные на основании 8 с шагом 45° (см. фиг. 5). Данные электроды измеряют амплитуду колебания оболочки резонатора 4 и преобразуют переменную емкость в ток. Полученные аналоговые сигналы поступают в электронную монтажную плату 37, где усиливаются и преобразуются в цифровой сигнал. Также электронная монтажная плата 37 выполняет четыре основные задачи: поддержание амплитуды колебания, поддержание синфазности сигналов, расчет положения стоячей волны колебания оболочки резонатора 4 и выдача информации по накопленному углу потребителю.
Для поддержания амплитуды колебания оболочки резонатора 4 (см. фиг. 3, 4, 5, 6) электронная монтажная плата 37 обрабатывает информацию с электродов измерения 14 и вычисляет текущее значение амплитуды колебаний резонатора 4. Далее сформированный цифровой сигнал преобразуется в аналоговый для формирования поддерживающего воздействия, и далее поступает на электроды управления 16 на основании 8 через гермовывод 32, контактную площадку 21 и токопроводящие дорожки 19.
Для поддержания синфазности сигналов электронная монтажная плата 37 вычисляет значение разности фаз сигналов, формирует цифровой сигнал для формирования воздействия для сведения фаз. Далее цифровой сигнал преобразуется в аналоговый и передается на электроды управления 16 расположенные на основании 8 (см. фиг. 5).
В качестве измерительной информации для потребителя по результатам вычисления положения стоячей волны кромки резонатора, из сигналов с электродов измерения 14 (фиг. 5), формируется значение угла отставания стоячей волны при повороте основания.
Техническим результатом изобретения является создание волнового твердотельного гироскопа, имеющего крепления резонатора без использования клея, с развязкой резонатора от основания, с возможностью дополнительной переборки и реализация возможности балансировки резонатора, что повышает его точностные характеристики, технологичность сборки, а также уменьшает влияние внешних воздействий.
Таким образом, заявлен волновой твердотельный гироскоп содержащий в герметичном объеме прибора кварцевую сборку, включающую в себя кварцевый полусфероцилиндрический резонатор с металлизированным покрытием на внутренней поверхности, через полюс которого проходит стержень, прикрепленный к кварцевому основанию со сфероцилиндрической поверхностью, при этом на внешней части кварцевое основание имеет токопроводящее покрытие, на котором вырезаны электроды измерения, электроды управления и созданы два экрана для которых сформированы токопроводящие дорожки, идущие к контактным площадкам, во внутренней полости прибора также размещен геттерный насос, штенгельный узел, а в негерметичной полости прибора - электронная монтажная плата, отличающийся тем, что кварцевая сборка устанавливается на гермофланец закрывающийся кожухом, на внутренней стороне гермофланца расположены установочные площадки и прижимные упругие элементы для установки кварцевого основания; резонатор крепится к кварцевому основанию через прижимающиеся разрезным кольцом упоры, закрепленные на цанге, сваренной с коронкой, на кварцевом основании образованы дополнительные электроды балансировки, в гермофланец установлены гермовыводы, соединяющие соответствующие контактные площадки электродов управления, электродов измерения, электродов балансировки, экранов, резонатора, а также выводы геттерного насоса с электронной монтажной платой, закрепленной на гермофланце в негерметичной части прибора.