СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ (ВАРИАНТЫ)
ANGULAR RATE MEASURING METHOD (VERSIONS)

Изобретение относится к измерению угловой скорости объектов и предназначено, например, для управления подвижными транспортными средствами с использованием систем ориентации и навигации.
Известен способ измерения угловой скорости с использованием информации о параметрах электромагнитных колебаний оптического диапазона. При этом используются волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Преимуществом этого способа является достаточно высокая точность. Недостатком этого способа измерения угловой скорости является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты волоконно-оптических и лазерных гироскопов.
Известен способ измерения одной компоненты входной угловой скорости с использованием двухстепенных гироскопов типа интерферометров. Этот способ является аналогом вышеуказанного способа - измерения угловой скорости с использованием кольцевых лазерных гироскопов (КЛГ), резонаторных волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), кольцевых и оболочечных резонаторных гироскопов и других широко известных гироскопических приборов интерферометрического типа [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах. / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283].
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения угловой скорости, основанный на измерении напряжения, зависящего от амплитуды вторичной поверхностной акустической волны, возникающей в результате рассеяния первичной поверхностной акустической волны двумерной структурой, в которой силы Кориолиса возникают вследствие вибрации масс, вращающихся в пространстве вместе с корпусом [патент US № 6516665. "Микроэлектромеханический гироскоп"./ Varadan V.K., Pascal B. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003]. Этот способ предусматривает использование пластины пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностной акустической волны, встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностной акустической волны. Недостатками способа получения информации с использованием для измерений вторичной поверхностной акустической волны являются низкая точность и, соответственно, невозможность использования его для высокоточных измерений вследствие того, что электроды встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностной акустической волны неизбирательно воспринимают изменения пьезоэлектрических потенциалов, возникающие при действии разнонаправленных сил Кориолиса, соответствующих разнонаправленным движениям частиц пьезоэлектрической пластины, участвующих в формировании поверхностной акустической волны. Вышеизложенные факты приводят к снижению чувствительности и точности оценивания угловой скорости, что и является недостатками прототипа.
Таким образом, способ измерения угловой скорости с использованием гироскопа-прототипа основан на измерении напряжения, создаваемого вторичной поверхностной акустической волной, возникающей в результате рассеяния первичной поверхностной акустической волной на инерционных элементах под действием сил Кориолиса, причем измерения производятся с использованием встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, расположенных за пределами встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн и характеризующихся расстояниями между измерительными электродами, равными четверти периода поверхностной акустической волны. Другими словами, измерения разности потенциалов производятся за пределами апертуры встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн под действием вторичных поверхностных акустических волн.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности при измерениях угловой скорости пьезоэлектрическими устройствами.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения угловой скорости предусматривают использование пластины пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры драйвера стоячих поверхностных волн, поглотители поверхностных акустических волн, а также электроды и контактные шины чувствительного элемента разности потенциалов, по величине которой судят о величине угловой скорости пластины пьезоэлектрика, с помощью электродов и контактных шин измеряют разности потенциалов, создаваемые в пределах апертуры встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн вдоль пучностей первичной стоячей поверхностной акустической волны при движении электронов проводимости, увлекаемых под действием сил Кориолиса частицами материала пьезоэлектрической пластины, причем одна пара электродов чувствительного элемента разности потенциалов размещается вдоль одной из пучностей на расстояниях между электродами, не меньших апертуры встречно-штыревых преобразователей драйвера поверхностных акустических волн, а параллельно основному направлению распространения поверхностной акустической волны - на расстояниях, не меньших половины периода поверхностной акустической волны, причем электроды и контактные шины размещены с противоположных краев поверхности пластины пьезоэлектрика, а те из указанных электродов, которые размещены со стороны одного края поверхности пластины пьезоэлектрика, под поглотителем поверхностных акустических волн электрически соединены только с той контактной шиной, которая находится у того же края, а длина одного электрода чувствительного элемента разности потенциалов, измеренная вдоль основного направления распространения первичной поверхностной акустической волны, не превышает половины периода поверхностной акустической волны.
В отличие от прототипа в способе измерения угловой скорости измеряется не разность потенциалов, создаваемая вторичной поверхностной волной, образованной под действием одновременно разнонаправленных сил Кориолиса и измеряемая парами электродов встречно-штыревого преобразователя, в каждой из которых электроды находятся на расстоянии, равном четверти длины волны вторичной ПАВ, а разность потенциалов, образованная смещением электронов проводимости, увлекаемых находящимися под действием одновременно однонаправленных сил Кориолиса частицами материала пластины пьезоэлектрика, участвующими в образовании первичной поверхностной стоячей волны, и измеряемая расположенными вдоль одних и тех же пучностей стоячей поверхностной акустической волны парами электродов, в каждой из которых электроды находятся на расстоянии, примерно равном апертуре драйвера поверхностных волн, что обеспечивает увеличение разности потенциалов, образующейся между электродами, находящимися в удаленных точках одной и той же пучности стоячей поверхностной акустической волны.
В отличие от прототипа в способе измерения угловой скорости измеряется разность потенциалов, которая образуется при движении частиц пьезоэлектрика и увлекаемых ими электронов проводимости только вдоль тех пучностей первичной поверхностной акустической волны, которые находятся на расстояниях, не меньших половины периода первичной поверхностной акустической волны, т.е. не менее чем через одну пучность, что позволяет повысить показатели чувствительности и точности при измерении угловой скорости пьезоэлектрической пластины и объекта, на котором указанная пластина закреплена.
В отличие от прототипа в способе измерения угловой скорости электроды чувствительного элемента разности потенциалов отделены от контактных шин поглотителями поверхностных акустических волн, поэтому контактные шины не реагируют на вибрации поверхности пластины пьезоэлектрика, вызванные как первичными, так и вторичными ПАВ, что приводит к уменьшению шумов.
В прототипе электроды измерительных встречно-штыревых преобразователей имеют длину, равную нескольким периодам стоячей поверхностной акустической волны, поэтому в формировании разности потенциалов на электродах встречно-штыревых преобразователей участвуют частицы материала, находящиеся под действием разнонаправленных сил Кориолиса, что приводит к уменьшению полезного сигнала, а в способе измерения угловой скорости электроды чувствительного элемента разности потенциалов имеют длину, измеренную вдоль основного направления распространения поверхностных волн, не превышающую половины периода первичных поверхностных акустических волн, что позволяет производить измерения разности потенциалов в пределах одного полупериода стоячей поверхностной акустической волны, формируемой частицами материала пьезоэлектрика, находящимися под действием сил Кориолиса одного направления.
Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения угловой скорости разности потенциалов вдоль находящихся на расстояниях, не меньших периода пучностей стоячей поверхностной акустической волны, выбранных для размещения электродов чувствительного элемента, образуются в каждый момент времени только под действием однонаправленных сил Кориолиса, а смещения потенциалов, возникшие синфазно на нескольких пучностях, суммарно передаются на контактные шины, изолированные от действия вибраций поглотителем поверхностных акустических волн, что обеспечивает увеличение совокупной разности потенциалов на контактных шинах и уменьшение шумов, и, тем самым, повышение точности и чувствительности измерений по сравнению с прототипом.
Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения угловой скорости образуются разности потенциалов при движении электронов проводимости вдоль пучностей стоячей поверхностной акустической волны поочередно в одном из направлений - то к одному, то к другому краю поверхности пластины пьезоэлектрика, создавая на контактных шинах высокочастотную разность потенциалов, амплитуда которой пропорциональна силе Кориолиса, действующей на вибрирующую частицу пластины пьезоэлектрика.
Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения угловой скорости электроды, которые размещаются со стороны одного края поверхности пластины пьезоэлектрика, электрически соединены с одной и той же контактной шиной, разность потенциалов между контактными шинами равна сумме разностей потенциалов между электродами, установленными на одной и той же стоячей волне, но у противоположных краев поверхности пластины пьезоэлектрика, что позволяет повышать амплитуду измеряемой разности потенциалов, увеличивая количество пар электродов и расстояния между электродами чувствительного элемента разности потенциалов вдоль стоячей поверхностной акустической волны.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа измерения угловой скорости, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
В настоящее время автору не известны способы измерения угловой скорости, которые обеспечивали бы такую высокую чувствительность и точность, которые обеспечивает предлагаемый способ измерения угловой скорости.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Изобретение основано на использовании поперечного акустоэлектрического эффекта для измерения угловых скоростей подвижных объектов (летательных аппаратов, автомобилей, роботов и их составных частей).
Поперечный акустоэлектрический эффект заключается в возникновении разности потенциалов на электродах чувствительного элемента, расположенных параллельно направлению распространения поверхностной акустической волны в кристалле под действием внешнего поля, создающего дрейф носителей заряда [2].
Поперечный акустоэлектрический эффект является одним из проявлений акустоэлектронного взаимодействия: появление ЭДС связано с передачей импульса (и соответствующей энергии) от поверхностной акустической волны электронам проводимости. Это приводит к направленному движению носителей и изменению потенциала в направлениях распространения поверхностной акустической волны и внешнего поля. Поперечный акустоэлектрический эффект является нелинейным эффектом и аналогичен некоторым другим нелинейным эффектам увлечения, например акустическим течениям. Локальные электрические поля, возникающие в проводящей среде под действием поверхностной акустической волны, захватывают носители заряда, что приводит к "увлечению" их волной.
ф
з
Интенсивность (I) поверхностных акустических волн характеризуется числом фононов (N) в единице объема материала, участвующего в образовании волн, круговой частотой (ω) и скоростью (с) поверхностной акустической волны (ПАВ)
где  h - квант действия (постоянная Планка).
При взаимодействии поверхностных акустических волн с электронами проводимости каждый фонон, взаимодействующий с электроном проводимости, передает ему импульс  вследствие чего электрон в направлении распространения ПАВ получает приращение скорости
e
e
2
где m - масса электрона; mc≈511 кэВ; с - скорость света; с=299792,5 км/с.
Движение электронов проводимости в замкнутой цепи приводит к появлению электрического тока с плотностью (соотношение Вайнрайха)
e
c
где е - заряд электрона; n - число электронов проводимости в единице объема; α - коэффициент электронного поглощения в проводящей среде;
e
e
τ - среднее время между столкновениями электронов; µ - подвижность электронов;
Если же цепь разомкнута, то между электродами возникает акустоэлектрическая разность потенциалов (акустоЭДС), напряженность поля которой
где σ - электропроводность материала.
2
В пьезополупроводниках акустоЭДС при интенсивности ПАВ 1 Вт/см достигает значений в несколько вольт на 1 см.
В качестве силового поля, вызывающего поперечный акустоэлектрический эффект, в изобретении - в способе измерения угловой скорости - используются силы Кориолиса, воздействующие на вибрирующие частицы материала таким образом, что возникает движение электронов проводимости в направлении, ортогональном к направлению распространения и вдоль пучностей первичной стоячей ПАВ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на представлена схема устройства для реализации способа измерения угловой скорости.
Введены следующие обозначения:
1 - пластина пьезоэлектрика;
2 - контактные шины;
3 - поглотители поверхностных акустических волн;
4 - отражающие структуры;
5 - встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера ПАВ;
6 - электроды чувствительного элемента разности потенциалов ПАВ.
Устройство для реализации способа измерения угловой скорости
состоит из основания и выполненных на нем встречно-штыревых преобразователей и отражающих структур.
Основанием устройства для реализации способа измерения угловой скорости служит пластина пьезоэлектрика 1, выполненная, например, из кварца или из ниобата лития [1].
На краях поверхности пластины пьезоэлектрика 1 в направлении распространения первичной ПАВ сформированы отражающие структуры 4 и ВШП 5 драйвера ПАВ, а в ортогональном направлении по обе стороны от апертуры драйвера ПАВ вдоль направления распространения первичной ПАВ сформированы электроды 6 чувствительного элемента разности потенциалов, поглотители поверхностных акустических волн 3 с контактными шинами 2 в соответствующей последовательности от области существования стоячих поверхностных акустических волн с достаточно большой амплитудой к краям поверхности пластины пьезоэлектрика 1.
Отражающие структуры 4 расположены между двумя противоположными краями пластины пьезоэлектрика 1 и ВШП 5 драйвера ПАВ, а электроды 6 чувствительного элемента разности потенциалов, поглотители поверхностных акустических волн 3 и контактные шины 2 расположены между другими двумя противоположными краями пластины пьезоэлектрика 1 вдоль основной области распространения первичной ПАВ. Поглотители поверхностных акустических волн 3 выполняются так, чтобы контактные шины 2 были нечувствительны к ПАВ, создаваемым ВШП 5 драйвера ПАВ, что позволяет аккумулировать на одной контактной шине потенциалы, одновременно сформированные на электродах 6 чувствительного элемента разности потенциалов в разных пучностях стоячей ПАВ, но находящихся под действием сил Кориолиса одного направления.
Устройство работает следующим образом. На ВШП 5 драйвера ПАВ от внешнего генератора (на чертеже не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. Если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.
Первичные ПАВ создаются на пластине пьезоэлектрика 1 встречно-штыревыми преобразователями 5 драйвера ПАВ и отражающими структурами 4. Поверхностные акустические волны распространяются по пластине пьезоэлектрика 1 в области, ограниченной поглотителями поверхностных волн 3. Распространяясь дальше, первичная ПАВ взаимодействует с отражающими структурами 4. Взаимное расположение ВШП 5 драйвера ПАВ и отражающих структур 4 выбрано таким образом, чтобы образовалась стоячая поверхностная акустическая волна.
При появлении внешнего вращения основания гироскопа к вибрирующим частицам материала пластины пьезоэлектрика 1, участвующим в формировании стоячей первичной поверхностной акустической волны, прикладываются силы Кориолиса.
В результате действия сил Кориолиса вибрирующие частицы материала пластины пьезоэлектрика 1 смещаются в направлении действия силы Кориолиса и, увлекая за собой электроны проводимости, изменяют распределение электрических потенциалов вдоль пучностей стоячей ПАВ.
Так возникает разность потенциалов между электродами 6 чувствительного элемента разности потенциалов, размещенными у противоположных краев поверхности пластины пьезоэлектрика в пучностях стоячей поверхностной акустической волны, образованных синфазно колеблющимися частицами материала пьезоэлектрической пластины.
Потенциалы, измененные вследствие действия сил Кориолиса, от электродов под поглотителями поверхностных акустических волн передаются на контактные шины 3. Разность потенциалов между контактными шинами 2 является высокочастотным сигналом и может быть измерена, например, анализатором спектра [1].
По разности потенциалов между контактными шинами 2 судят о величине угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике устройства.
При отсутствии внешнего вращения основания устройства силы Кориолиса не возникают, поэтому не возникает и разности потенциалов между контактными шинами 2, т.е. разность потенциалов между контактными шинами 2 в этом случае будет равна нулю.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены следующие условия:
- устройство, воплощающее способ-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных и других известных до даты подачи заявки средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990.
2. Кмита A.M., Медведь А.В. Поперечный акустоэлектрический эффект в слоистой структуре LiNbO3-Si. "Письма ЖТФ″б, 1971, т.14, в.8, с.455.