ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА (ВАРИАНТЫ)
SENSITIVE ELEMENT OF SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE (VERSIONS)

Изобретение относится к конструкции чувствительных элементов (резонаторов) твердотельных волновых гироскопов (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений средней точности в составе блоков навигационных устройств наземной и авиационно-космической техники.
Твердотельный волновой гироскоп является одним из наиболее перспективных приборов, предназначенных для определения угловой скорости вращения объекта, с точки зрения потребительского соотношения цены к точности получаемой инерциальной информации.
В общем случае чувствительным элементом ТВГ является резонатор, закрепленный в приборе. Конструктивно, резонатор ТВГ представляет из себя металлическую оболочку. В литературе известны конструкции кольцевых, цилиндрических и полусферических резонаторов ТВГ. На практике в настоящее время большинство приборов имеют чувствительный элемент, выполненный в виде полусферы, сделанной из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь (высокой добротностью) при колебаниях, и находящейся на круглом стержне. Причем такой резонатор может быть полностью изготовлен из одного монокристалла или представлять собой составное изделие, соединение элементов которого (полусферической оболочки и ножки) осуществляется с помощью, например, клея [Например, патентные документы ЕР №1722193, G01C 19/56, 2006 г.; GB №2154739, G01C 19/58, 1995 г.; GB №2310284, G01C 19/56, 1996 г. RU №2251076, G01C 19/56, G01P 9/04, 2005 г.].
Источником инерциальной информации является изменение волновой картины колебаний осесимметричного резонатора (кольцевой, цилиндрический, полусферический). При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний резонатора. Вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот волновой картины (волны упругих колебаний) 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.
Известны способы закрепления резонатора: 1) оба края жестко заделаны; 2) один край жестко заделан, второй свободен [Меркурьев И.В. Динамика гироскопических чувствительных элементов систем ориентации и навигации малых космических аппаратов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 2008 г.].
Известна конструкция чувствительного элемента, содержащего резонатор, который имеет полусферическую оболочку и ножку. На торцевой поверхности полусферической оболочки имеется металлическое покрытие. Узел электродов выполнен в виде плоской пластины с электродами и расположен параллельно торцевой поверхности резонатора, причем между поверхностью пластины и торцевой поверхностью полусферической оболочки имеется зазор [Лунин Б.С. Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа [Патент РФ №2166734, G01C 19/56, 2000 г.].
Недостатками полусферических резонаторов являются влияние анизотропии материала на дрейф нуля гироскопа, сложность технологии изготовления резонатора, возникновение внутреннего трения между металлизированным покрытием и полусферической оболочкой.
Достижение высокой точности ТВГ возможно лишь в случае, если его чувствительный элемент - полусферический резонатор - имеет высокую добротность и изотропность. Такой резонатор изготавливается, например, из кварцевого стекла и требует использования ряда новых технологий для достижения необходимых параметров. Хотя для изготовления такого резонатора можно использовать различные способы обработки кварцевого стекла, хорошо известные в оптической технологии, для получения столь высокого уровня добротности необходимо уменьшить влияние всех факторов, приводящих к рассеиванию энергии упругих колебаний: потери в собственно кварцевом стекле, его поверхностном слое, металлическом покрытии, на межфазной границе металл/стекло, а также в местах крепления резонатора. Для этого необходимо использовать комплекс специальных технологий и методов: методы измерений характеристик высокодобротных полусферических резонаторов, специальные технологии обработки кварцевого стекла, технологию нанесения металлического покрытия с малой диссипацией, методику балансировки резонатора. Несовершенство указанных выше технологий и методов является основной причиной недостаточно высоких характеристик резонаторов, выпускаемых отечественными предприятиями.
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.
При выборе материала для изготовления резонатора ТВГ существенным критерием является добротность. Помимо широко известных, используются искусственно созданные материалы типа лейко-сапфиров, обладающие довольно высокой добротностью. Однако такие материалы, равно как и плавленый кварц, обладают анизотропными свойствами. Например, при малом отклонении фактической плоскости среза резонатора от главной плоскости кристалла кремния, имеющего кубическую структуру, возникает раздвоение частот колебаний и стоячая волна начинает прецессировать при неподвижном основании прибора, вызывая тем самым дрейф нуля гироскопа.
Известны патенты [UA №22153, G01C 19/56, 2007 г., UA №79166, G01C 19/56, 2007 г.], в которых чувствительный элемент вибрационного гироскопа содержит цилиндрический резонатор из упругого материала, состоящий из 2-х частей - цилиндрического обода и цилиндрической гнутой части с днищем, которая выполняет роль упругого подвеса. Толщина стенки цилиндрического упругого подвеса меньше по сравнению с толщиной стенки цилиндрического обода, в результате основная частота упругого подвеса смещена в область низких частот. А это, в свою очередь, приводит к частотной развязке между резонатором и основанием, на котором он размещается. В торцевой стенке резонатора выполнены отверстия для предотвращения паразитных колебаний упругого подвеса. Упругий подвес в резонаторе выполняет роль амортизатора при действии на гироскоп инерциальных сил.
Недостатком такого чувствительного элемента является сложность его конструкции: выполнение выступа под крепление винтом и группы отверстий в основании резонатора.
Также недостатком конструкции являются разные температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) материалов резонатора и пьезоэлементов. При изменении температуры будут возникать температурные напряжения в местах их контакта, что негативно скажется на результатах измерения. Кроме того, повторяемость параметров пьезоэлементов (ТКЛР) в рамках одной партии невысока, что в значительной степени затрудняет корректировку выходного сигнала датчика программно-алгоритмическими методами, поскольку индивидуально регулировать каждый чувствительный элемент - нетехнологично.
Наиболее близким к предлагаемому является чувствительный элемент, содержащий резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с основанием. При помощи основания резонатор крепится к другим частям ТВГ. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. При повороте основания, на котором закреплен резонатор с возбужденными колебаниями, вокруг оси симметрии, под действием кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора.
Фактором, определяющим широкое внедрение ТВГ, является соотношение цена/качество при его производстве. Наибольшее затруднение при производстве ТВГ вызывает резонатор из кварцевого стекла. Себестоимость изготовления таких резонаторов ТВГ высока, что связано с использованием ряда прецизионных технологических операций, а также с высоким процентом брака резонаторов (до 90%). Поэтому второй важной проблемой является существенное снижение себестоимости резонатора. Эта проблема может быть решена за счет рациональной конструкции резонатора ТВГ.
Добротность резонаторов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, оказывается низкой, так как в этом случае энергия колебаний превращается в тепловую за счет переноса тепла между зонами с различной температурой. При изгибных колебаниях внешние и внутренние слои металла оболочки испытывают различные деформации: если внешние слои растягиваются, то внутренние сжимаются и наоборот. Локальная деформация материала приводит к изменению температуры, при сжатии материала локальная температура повышается, а при растяжении уменьшается. Так же как и деформация, эти температурные изменения будут различны для внешних и внутренних слоев материала: если в некоторый момент времени температура внешних слоев повышается, то при этом температура внутренних уменьшается и наоборот. Между областями оболочки резонатора, которые имеют разную локальную температуру, возникают тепловые потоки, которые и представляют собой потери энергии колебаний и которые приводят к низкой добротности резонатора и, как следствие, к снижению тактико-технических характеристик (ТТХ).
Недостатком также является необходимость балансировки дефектов резонатора и разработка системы виброзащиты прибора.
В рыночных условиях экономики наиболее оправданным по соотношению цена/качество (цена/ТТХ) является ТВГ средней точности с металлическим резонатором в виде цилиндра. Для дальнейшего развития таких ТВГ необходимо и дальше снижать себестоимость 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.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных выше недостатков. Это достигается за счет предложенной конструкции резонатора.
Так резонатор ТВГ можно рассматривать как тонкий упругий цилиндр, имеющий возможность совершать изгибные колебания в своей плоскости. Поведение цилиндрической оболочки в краевой области компенсируется использованием кольцевого цилиндрического элемента в резонаторе.
Применение кольцевого цилиндрического элемента в конструкции цилиндрического резонатора способствует увеличению стабильности волновой картины в зависимости от выбранного варианта его расположения.
В изобретении предложена конструкция дешевого резонатора для ТВГ.
Предлагаемое изобретение может быть выполнено в нескольких вариантах в зависимости от:
- способа закрепления резонатора и расположения измерительной части;
- способа выполнения кольцевого цилиндрического элемента.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-6). На фиг.1-3 показаны варианты конструкции предлагаемого изобретения в зависимости от способа закрепления резонатора и расположения измерительной части, где соответствующая измерительная часть - поз.1-3.
В предлагаемом изобретении резонатор может быть закреплен как с одной стороны (фиг.1, фиг.2 поз.1) резонатора, так и с обеих сторон (фиг.3 поз.1, поз.2). При закреплении резонатора с одной стороны измерительной частью может быть как кромка резонатора (фиг.1 поз.2), так и утолщение в виде кольцевого цилиндрического элемента (фиг.2 поз.3). В варианте закрепления резонатора с обеих сторон (фиг.3 поз.1, поз.2) измерительной частью является утолщение в виде кольцевого цилиндрического элемента (фиг.3 поз.3).
На фиг.4-6 показаны варианты конструкции предлагаемого резонатора в зависимости от способа выполнения кольцевого цилиндрического элемента. Резонатор выполнен в виде металлического цилиндра 4 (далее - цилиндр) с утолщением в виде кольцевого цилиндрического элемента 5 (далее - кольцо). Кольцо относительно стенки цилиндра 4 может быть выполнено как с внешней стороны 6 или с внутренней стороны 7, так и с обеих сторон цилиндра.
На фиг.4-6 используются следующие обозначения:
Н - высота цилиндра,
h - толщина стенки цилиндра,
1
Y - высота кольца с внешней стороны цилиндра,
2
Y - высота кольца с внутренней стороны цилиндра,
1
В - толщина кольца с внешней стороны цилиндра,
2
В - толщина кольца с внутренней стороны цилиндра,
1
Z - расстояние до центра кольца с внешней стороны цилиндра,
2
Z - расстояние до центра кольца с внутренней стороны цилиндра,
х - некоторая величина.
Примечание: на фиг.1-3 утолщение в виде кольцевого цилиндрического элемента (фиг.1 поз.3-а, поз.3-б, поз.3-в) возможно в трех вариантах, как показано на фиг.4-6.
1. Закрепление резонатора осуществляется с одной стороны п.4, 5 формулы (фиг.1, фиг.2).
Возможные варианты:
1.1. Резонатор закрепляется с одной стороны и измерительной частью с другой стороны (п.4 формулы);
1.2. Резонатор закрепляется с одной стороны и измерительной частью в виде кольцевого цилиндрического элемента (п.5 формулы).
2. Закрепление резонатора осуществляется с двух сторон п.6 формулы (фиг.3).
Возможен 1 вариант:
2.1. Резонатор закрепляется с двух сторон и измерительной частью является кольцевой цилиндрический элемент (п.6 формулы).
Вариант с закреплением резонатора с двух сторон обладает дополнительным преимуществом. При работе такого ЧЭ в составе конструкции ТВГ практически исключаются влияния перекрестных ускорений на измерительную часть (кольцевой цилиндрический элемент), что существенно улучшает его динамические характеристики (волновую картину).
Предложенный резонатор работает следующим образом.
Резонатор закрепляется с другими конструктивными частями ТВГ одним из способов, указанных на фиг.1-3. При работе в резонаторе возбуждают изгибные колебания в измерительной части, которые указаны на фиг.1-3, например с помощью электростатического датчика. Резонатор, введенный в режим вибрации, обеспечивает наличие переменной линейной скорости v с частотой, равной резонансной. В качестве рабочей используется эллиптическая мода колебаний (n=2) с частотой собственных колебаний резонатора. При вращении резонатора вокруг оси симметрии относительно инерциального пространства, каждый индивидуально резонирующий элемент массы стоячей волны дает дополнительную силу, вызывающую смещение волны относительно резонатора.
Закрепление резонатора с двух сторон (фиг.3) позволяет минимизировать влияние негативных явлений, связанных с влиянием перекрестных ускорений. При закреплении резонатора с одной стороны (фиг.1, фиг.2) за счет вариации положения утолщения в виде кольца, возможно улучшить стабильность волновой картины измерительной части резонатора.
Добавление в цилиндрический резонатор утолщения в виде кольца вносит дополнительную жесткость конструкции. Эффектом от данного конструктивного решения является улучшение стабильности (повторяемости) волновой картины, что в свою очередь улучшает полезный сигнал. Также, утолщение в виде кольца позволяет снизить влияние погрешностей, связанных с погрешностью изготовления резонатора (состояние производственного оборудования и его точность, качество и состояние технологической оснастки, режимы обработки, неоднородность материала заготовок и неодинаковость припуска на обработку).
Кольцевой цилиндрический элемент, вне зависимости от способа закрепления резонатора, может быть выполнен в трех вариантах:
3. Кольцевой цилиндрический элемент выполняется на внешней стороне цилиндра п.1 формулы (фиг.4).
Возможные варианты исполнения:
1
3.1. По толщине кольца с внешней стороны цилиндра (B).
1
3.1.1. Толщина кольца с внешней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра B=h (п.7 формулы).
1
3.1.2. Толщина кольца с внешней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра B=h±x (п.8 формулы).
1
3.2. По высоте кольца с внешней стороны цилиндра (Y).
1
3.2.1. Высота кольца с внешней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра Y=h (п.9 формулы).
1
3.2.2. Высота кольца с внешней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра Y=h±x (п.10 формулы).
1
3.3. По расстоянию до центра кольца с внешней стороны цилиндра (Z).
1
3.3.1. Расстояние до центра кольца может быть равно половине высоты цилиндра Z=H/2 (п.11 формулы).
1
3.3.2. Расстояние до центра кольца может быть больше или меньше половины высоты цилиндра Z=H/2±x (п.12 формулы).
4. Кольцевой цилиндрический элемент выполняется на внутренней стороне цилиндра п.2 формулы (фиг.5).
Возможные варианты исполнения:
2
4.1. По толщине кольца с внутренней стороны цилиндра (B).
2
4.1.1. Толщина кольца с внутренней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра B=h (п.7 формулы).
2
4.1.2. Толщина кольца с внутренней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра B=h±x (п.8 формулы).
2
4.2. По высоте кольца с внутренней стороны цилиндра (Y).
2
4.2.1. Высота кольца с внутренней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра Y=h (п.9 формулы).
2
4.2.2. Высота кольца с внутренней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра Y=h±x (п.10 формулы).
2
4.3. По расстоянию до центра кольца с внутренней стороны цилиндра (Z).
1
4.3.1. Расстояние до центра кольца может быть равно половине высоты цилиндра Z=H/2 (п.11 формулы).
1
4.3.2. Расстояние до центра кольца может быть больше или меньше половины высоты цилиндра Z=H/2±x (п.12 формулы).
5. Кольцевой цилиндрический элемент выполняется на внутренней и на внешней сторонах цилиндра по п.3 формулы (фиг.6).
Возможные варианты исполнения:
1
2
5.1. По толщине кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра (В, В).
1
2
5.1.1. Толщина кольца с внешней и внутренней сторон может быть равна толщине стенки цилиндра B=B=h (п.7 формулы).
1
2
5.1.2. Толщина кольца с внешней стороны может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом толщина кольца с внутренней стороны равна толщине стенки цилиндра B=h±x, В=h (п.13 формулы).
2
1
5.1.3. Толщина кольца с внутренней стороны может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом толщина кольца с внешней стороны равна толщине стенки цилиндра B=h±x, B=h (п.14 формулы).
1
2
5.1.4. Толщина кольца с внешней и внутренней сторон может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра В=h±x, B=h±x (п.8 формулы).
1
2
5.2. По высоте кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра (Y, Y).
1
2
5.2.1. Высота кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра может быть равна толщине стенки цилиндра Y=Y=h (п.9 формулы).
1
2
5.2.2. Высота кольца с внешней стороны цилиндра может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом высота кольца с внутренней стороны равна толщине стенки цилиндра Y=h±x, Y=h (п.15 формулы).
2
1
5.2.3. Высота кольца с внутренней стороны цилиндра может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом высота кольца с внешней стороны равна толщине стенки цилиндра Y=h±x, Y=h (п.16 формулы).
1
2
5.2.4. Высота кольца с внешней и внутренней сторон может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра Y=h±x, Y=h±x (п.10 формулы).
1
2
5.3. По расстояниям до центра кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра (Z, Z).
1
2
5.3.1. Расстояния до центра кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра могут быть равны половине высоты цилиндра Z=Z=H/2 (п.11 формулы).
1
2
5.3.2. Расстояние до центра кольца с внешней стороны цилиндра может быть больше или меньше половины высоты цилиндра, при этом расстояние до центра кольца с внутренней стороны цилиндра равно половине высоты цилиндра Z=H/2±x, Z=H/2 (п.17 формулы).
2
1
5.3.3. Расстояние до центра кольца с внутренней стороны цилиндра может быть больше или меньше половины высоты цилиндра, при этом расстояние до центра кольца с внешней стороны цилиндра равно половине высоты цилиндра Z=H/2±x, Z=H/2 (п.18 формулы).
1
2
5.3.4. Расстояния до центра кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра могут быть больше или меньше половины высоты цилиндра Z=H/2±x, Z=H/2±x (п.12 формулы).
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 электронно-лучевых 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.
-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 [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.].
Опытные образцы ТВГ с предлагаемыми резонаторами с утолщением в виде кольца разработаны на ОАО "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина". Анализ основных параметров опытной партии приборов показал, что они не уступают по тактико-техническим характеристикам приборам аналогичного класса.