СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГИРОСКОПА НА ЕГО ОСНОВЕ
METHOD OF MEASUREMENT OF ANGULAR RATE AND SENSITIVE ELEMENT OF GYROSCOPE BASED ON IT

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами, и предназначено для измерения угловой скорости.
Известен способ измерения угловой скорости, реализуемый в устройствах на поверхностных акустических волнах [S.W.Lee «А micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect», Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], где информативный сигнал формируется за счет изменения скорости распространения поверхностной акустической волны в зависимости от скорости вращения звукопровода. Достоинством такого способа является технологичность конструкции, недостатком - низкая скорость перестройки, связанная с наличием в цепи обратной связи высоко добротной линии задержки.
Известен чувствительный элемент гироскопа, выполненный на поверхностных акустических волнах [Патент РФ №2329466 «Гироскоп на поверхностных акустических волнах»], содержащий твердотельный звукопровод, излучающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи. Достоинством такого чувствительного элемента является устойчивость к нагрузкам, недостатком - чувствительность к механическим воздействиям на звукопровод.
Ближайшим аналогом являются способ измерения угловой скорости с помощью объемных акустических волн [патент №2392625 «Способ измерения угловой скорости», опубл. 20.06.2010] и чувствительный элемент на его основе [патент №2397445 «Чувствительный элемент гироскопа», опубл. 28.08.2010]. Способ основан на регистрации ортогональной компоненты излученной линейно-поляризованной поперечной волны, возникающей в результате действия силы Кориолиса и пропорциональной скорости вращения. Чувствительный элемент содержит твердотельный звукопровод, на одном из плоскопараллельных торцов которого расположен пьезоэлектрический преобразователь, излучающий поперечные волны, а на другом - приемный преобразователь поперечной волны, угол поляризации которого выбирается близким к 90° относительно излучаемой поперечной волны. Таким образом, приемный преобразователь принимает ортогональные компоненты, возникающие в излученной волне по мере распространения в звукопроводе в условиях вращения. Достоинством способа является устойчивость к механическим нагрузкам. Недостатком способа является использование амплитудного метода выделения информативного сигнала, который характеризуется слабой помехозащищенностью.
Общим недостатком описанных способов и устройств является чувствительность к внешним воздействиям, например механическим, магнитным и прочим, вызывающим амплитудные помехи.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и чувствительного элемента гироскопа на его основе, не чувствительного к внешним воздействиям.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ измерения угловой скорости, так же как и известный, основан на возбуждении и приеме в звукопроводе объемной акустической волны. В отличие от известного, способ измерения угловой скорости основан на оценке разности фаз, возникающей из-за различия времен распространения двух волн круговой поляризации, имеющих круговую поляризацию с противоположными направлениями движения частиц. То есть решение сводится к использованию в качестве информативного параметра не абсолютных величин, а их разности.
Техническим результатом является пониженная чувствительность способа измерения скорости вращения к внешним факторам.
Технический результат достигается за счет того, что для выделения информативной составляющей используются не амплитудный метод, а фазовый, являющийся более помехоустойчивым. Две объемные волны круговой поляризации распространяются вдоль оси, вокруг которой происходит вращение, но в противоположных направлениях. Эти волны имеют круговую поляризацию с противоположными направлениями движения частиц. То есть в одной волне направление движения частиц совпадает с направлением вращения, а в другой - нет. При совпадении направления вращения и движения частиц скорость волны уменьшается, так как среда становится менее жесткой, а при движении в противоположных направлениях скорость увеличивается за счет жесткости среды. Это следует из того, что в более жестких средах скорость волны больше, чем в менее жестких. Из разности скоростей следует, что время прохождения волнами одинакового пути будет различно.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой схематически показано движение частиц в двух волнах круговой поляризации, распространяющихся в противоположных направлениях. В волне 1 частицы колеблются в направлении по часовой стрелке со скоростью V, а сама волна распространяется в направлении против оси Y. В волне 2 частицы колеблются в направлении против часовой стрелки, а волна распространяется в направлении оси Y. При вращении среды, в которой распространяются волны, с угловой скоростью Ω, в волне 1 направление колебания частиц совпадает с направлением вращения и скорость волны становится V(1-W). А в волне 2 колебания частиц и вращение направлены противоположно, в результате чего скорость волны составит V(1+W).
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый чувствительный элемент гироскопа, как и известный, содержит излучающий и приемный пьезоэлектрический преобразователи и твердотельный звукопровод и работает на основе объемных акустических волн. Но, в отличие от известного устройства, обе поверхности пьезоэлектрического преобразователя, являющегося преобразователем волн круговой поляризации, состоящего из двух поперечно-поляризованных пьезоэлектрических пластин, поляризации которых ортогональны друг другу, находятся в акустическом контакте с двумя идентичными симметрично установленными на пьезоэлектрический преобразователь изотропными звукопроводами, содержащими на свободных концах приемные преобразователи акустических волн. В таком устройстве информативным является не абсолютное значение параметра волны, а разница параметров - разность фаз двух волн, распространяющихся в одинаковых условиях, возникающая из-за различия времен распространения волн от излучающего до приемного преобразователей.
Техническим результатом является повышение помехоустойчивости чувствительного элемента.
Технический результат достигается за счет того, что конструкция позволяет определять скорость вращения по разности фаз двух волн. Движение частиц в волнах, излученных в обе стороны от преобразователя, происходит по круговым траекториям в противоположных направлениях. В условиях отсутствия вращения волны в идентичных звукопроводах будут приниматься приемным преобразователем одновременно. При вращении в одном из звукопроводов вращение волны совпадает с вращением звукопровода, а во втором нет. При совпадении направления вращения звукопровода с направлением движения частиц скорость волны уменьшается, так как среда становится менее жесткой, а при движении в противоположных направлениях скорость увеличивается за счет жесткости среды. Это обусловлено тем, что в более жестких средах скорость волны больше, чем в менее жестких. Из разности скоростей следует, что времена распространения волн в звукопроводах в условиях вращения будут различны. Так как оба звукопровода находятся в одних и тех же внешних условиях, эта разница времен не зависит от изменения внешних воздействий и несет информацию о скорости вращения.
Использование в качестве информативного параметра разности времен, а не абсолютных значений, позволяет добиться точности и при воздействии внешних факторов, а также получить максимальный информативный сигнал.
Совокупность признаков, описанных в пп.3 и 4 формулы изобретения, характеризуют чувствительный элемент гироскопа по п.2, отличающийся тем, что в качестве приемного преобразователя используют поперечно-поляризованный пьезоэлектрический преобразователь или пьезоэлектрический преобразователь волн круговой поляризации. Авторами было установлено, что оба указанных типа пьезоэлектрических преобразователей можно использовать в качестве приемных, однако эффективность приема преобразователя волн круговой поляризации в 1,4 раза больше, чем линейно поляризованного преобразователя.
Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена конструкция чувствительного элемента гироскопа с использованием объемных волн круговой поляризации, состоящего из двух твердотельных изотропных звукопроводов 1 и 3, например цилиндрической формы, и излучающего пьезоэлектрического преобразователя 2. Преобразователь состоит из двух поперчено-поляризованных пьезоэлектрических пластин, поляризации которых ортогональны друг другу. Звукопроводы установлены на обеих поверхностях излучающего преобразователя, генерирующего в них объемную волну круговой поляризации. Акустические волны принимаются пьезоэлектрическими преобразователями 4 и 5 на свободных концах звукопроводов. При отсутствии вращения волны приходят на преобразователь одновременно, а при наличии вращения время прихода волн различно.
Приведем расчеты, показывающие различие времен распространения волн в случаях совпадения направления колебания частиц волны с направлением вращения и их отличия.
Было показано [патент №2392625 «Способ измерения угловой скорости»], что скорость движения частиц в волне меняется в условиях вращения. Время распространения волны при совпадении направлений вращения частиц в волне и звукопровода
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>V</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>W</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
,
1
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Ω</mi><mi>ω</mi></mfrac></mrow>
где L - длина звукопровода, V - скорость движения частиц в волне в состоянии покоя,
- относительная частота вращения, Ω - угловая частота вращения, ω - угловая частота ультразвуковой волны.
Для случая вращения в противоположных направлениях время распространения будет равно
<mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>V</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>W</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
Тогда разница по времени:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>V</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>W</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>V</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>W</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
1
2
2
Так как пути, пройденные волной, одинаковы (L=L=L), а величина W мала и W→0, после преобразований получаем:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>L</mi></mrow><mi>V</mi></mfrac><mi>W</mi></mrow>
,
Из полученного выражения следует, что разница времени распространения волн в звукопроводе, вызывающая сдвиг фаз волн, зависит от скорости вращения частиц в волне и скорости вращения звукопровода.
Была экспериментально подтверждена возможность использования такого устройства для измерения скорости вращения на конструкции, в которой один пьезоэлектрический преобразователь работает как излучающий и как приемный. Для изготовления макета использовались пластины кварца Y-среза и звукопроводы, изготовленные из стекла в виде цилиндров. Были получены качественные результаты зависимости информативного параметра от скорости вращения, подтверждающие их линейную связь.
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложен новый чувствительный элемент гироскопа на объемных акустических волнах, в основе которого лежит новый принцип измерения угловой скорости, основанный на особенности распространения волн круговой поляризации. Достигнут технический результат - повышение точности измерения скорости вращения и стабильность работы в условиях изменяющихся внешних воздействий. При этом повышение точности измерения достигается за счет получения информативного параметра фазовым методом, что приводит к независимости результата от внешних факторов, например механических, магнитных и прочих, вызывающих амплитудные помехи.