РЕЗОНАНСНЫЙ ГИРОСКОП СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Предлагаемая полезная модель предназначена для использования в системах навигации, контроля и управления подвижных объектов-самолетов, кораблей, автомобилей, а также в таких элементах, как валы, колеса и площадки, размещаемые на указанных выше подвижных объектах. Оно служит для определения одного компонента абсолютной угловой скорости подвижного объекта или интеграла от нее.
Известны приборы СВЧ-типа, например, микроволновый гироскоп (US 3861220, IPC G01P 15/08, publ. date 21.01.1975). Прибор содержит волноводный контур, на выходах которого наблюдаются два сигнала СВЧ, которым соответствуют две частоты электромагнитных колебаний микроволновых волн. Несущая частота прибора относится к микроволновому диапазону. Сигналы с выходов волноводного контура подаются на схему супергетеродинного типа, где с помощью схем радиоэлектроники в виде низкочастотных фильтров, усилителей, смесителей, и других элементов выделяется разность частот выходных сигналов волновода, пропорциональная измеряемой угловой скорости подвижного объекта.
Недостатком прибора являются большая сложность радиоэлектронной схемы супергетеродинного типа аппаратного исполнения и необходимость в ее периодических тестировании и регулировке на предмет определения и списания погрешностей.
Наиболее близким устройством является кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона (патент РФ №2207511, МПК G01C 19/64, опубл. 27.06.2003), в состав которого входят два чувствительных элемента в виде митронов, содержащих герметичную замкнутую полость с резонатором, анодом и катодами, расположенными внутри митрона, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений. Кроме того, устройство содержит кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну чувствительных элементов и два прецизионных переменных резистора. При этом один из митронов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора. Второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону, при этом прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.
Недостатком прототипа является то, что он состоит из двух отдельных сборочных единиц митронов, которые должны обладать одинаковыми параметрами. При наличии погрешностей в элементах митронов их частоты колебаний различны по величине, вследствие чего возникает ошибка в сигнале разностной частоты даже при отсутствии измеряемой абсолютной угловой скорости о подвижного объекта.
Задачей данной полезной модели является создание такой упрощенной конструкции резонансной системы, при которой она размещается в едином герметичном пространстве прибора. Два замкнутых почти кольцевых резонансных анодных и два катодных устройства конструктивно образуют взаимосвязанную систему, запитаны от единых источников напряжений и в центральной части электромагнитные потоки двух резонаторов пролетают внутри их общей, короткой по длине, системы возбуждения. Указанные меры направлены на обеспечение одинаковых частот генерации двух встречных потоков электронов, что способствует значительному повышению точности измерения угловой скорости подвижного объекта.
Технический результат полезной модели заключается в конструктивном и схемном обеспечении условий повышения точности измерения прибором абсолютной угловой скорости или интеграла от нее.
Поставленная задача решается тем, что в резонансном гироскопе сверхвысокочастотного диапазона, в состав которого входят два митрона, каждый из которых состоит из установленных в вакуумированной полости резонатора в виде холодного катода и концентричного ему резонансного анода со штырями и впадинами, а также из электронной пушки, содержащей нить накала, подогревной катод и конический анод, в состав митрона также входят источник постоянного магнитного поля и электрод вывода информации, причем ось симметрии митронов, являющаяся измерительной по абсолютной угловой скорости объекта, параллельна оси магнитной индукции источника постоянного магнитного поля так, что измерительные оси митронов направлены встречно-параллельно, согласно заявляемому техническому решению два митрона размещены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса прибора компланарно, каждый резонансный анод состоит из малого и большого секторов, и каждый холодный катод из малого и большого секторов, при этом большой сектор холодного катода первого митрона является неполным круговым, второго - неполным кольцевым. При этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода до центральной зоны, где друг против друга расположены малые секторы холодного катода и резонансного анода, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенных с одинаковым угловым шагом.
На фиг.1 представлена конструктивная схема резонансного гироскопа сверхвысокочастотного диапазона (РГ СВЧД). На фиг.2 дана плоская кинематическая схема его размещения на корпусе ПО. На фиг.3 представлена функциональная электрическая схема прибора.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - первый резонансный узел, 2 - второй резонансный узел, 3 - малый сектор холодного катода, 4 - малый сектор резонансного анода, 5, 6 - электроды вывода информации из резонансных узлов 1 и 2 соответственно, 7 - металлический герметичный корпус гироскопа, 8 - корпус подвижного объекта, 9 - «электронная пушка», 10 - источник постоянного магнитного поля, 11 - большой сектор катода узла 1, 12 - большой сектор анода узла 1, 14 - большой сектор катода узла 2, 13 - большой сектор анода узла 2, 15 - конический анод электронной пушки, 16 - подогревной катод, 17 - нить накала, 18 - блок источников питания, 19 -изоляционные прокладки; 20 - схема обработки сигналов РГ СВЧД.
В состав резонансного гироскопа СВЧ диапазона входят (фиг.1) первый 1 и второй 2 резонансные узлы, малый сектор холодного катода 3 и концентричный ему малый сектор резонансного анода 4 вакуумированного пространства непосредственного взаимодействия указанных выше резонансных узлов 1 и 2, электроды 5 и 6 вывода информации из резонансных узлов 1 и 2 соответственно; металлический герметичный корпус 7 гироскопа, укрепленный на корпусе 8 подвижного объекта, «электронная пушка» 9, аналогичная описанной в патенте РФ №2207511, источник постоянного магнитного поля 10, вектор индукции которого направлен вдоль оси Oξ (фиг.2) подвижного объекта, являющейся измерительной для резонансного гироскопа.
1
2
Ось Oη (фиг.2) правой декартовой системы координат Oξηζ связана с корпусом 8 подвижного объекта, а также с металлическим герметичным корпусом 7 резонансного гироскопа СВЧ диапазона. Оси Oξ и Oξ проходят через центры резонансных узлов 1 и 2, ω - измеряемая абсолютная угловая скорость ПО. Ось инжектирования электронов в «электронной пушке» 9 направлена по оси Oξ в пространство непосредственного взаимодействия малых секторов холодного катода 3 и концентричного ему резонансного анода 4.
Первый резонансный узел 1, «электронная пушка» 9, источник постоянного магнитного поля 10 и электрод 5 вывода информации из резонансного узла 1 образуют первый митрон. Второй митрон состоит из тех же элементов, за исключением того, что в нем другими являются резонансный узел 2 и электрод 6 вывода информации. Митроны установлены внутри единой вакуумированной полости на единой установочной поверхности корпуса 7 гироскопа компланарно.
Резонансный узел 1 состоит из больших секторов катода 11, анода 12, а также из малых секторов катода 3 и анода 4, предназначенных для обеспечения левостороннего вращения электронного потока «электронной спицы». Резонансный узел 2 состоит из больших секторов катода 14, анода 13, а также малых секторов катода 3 и анода 4, предназначенных для обеспечения правостороннего вращения электронного потока электронов. Малое число штырей и впадин у малого сектора анода 4 необходимо для обеспечения отсутствия синхронизации двух встречных потоков электронов. Конструкция и материалы резонансного гироскопа СВЧ диапазона - обычные для магнетронов и митронов. Все электроэлементы должны быть изолированы друг от друга и от корпусных частей прибора.
a1
н
a
1
2
Конический анод 15 и подогревной катод 16 образуют электронную пушку 9 и соединены с положительным зажимом напряжения U и с минусовым зажимом (корпусом 7 гироскопа) соответственно. Нить накала 17 электронной пушки 9 подсоединена к источнику напряжения U блока источников питания 18. С этим зажимом соединены также большие секторы холодных катодов 11 и 14. Большие секторы анодов 12 и 13 соединены с положительным зажимом U источника анодного напряжения через резисторный делитель R-R для обеспечения подключения к ним пониженного напряжения (вплоть до нуля) по сравнению с напряжением малого сектора анода 4. С малым сектором катода 3 большой сектор катода 11 соединен электрически. Из оксидного материала выполняется малый сектор катода 3, обеспечивая более плотный поток электронов в сторону малого сектора анода 4. Возможно, в силу больших размеров, выполнение большого сектора катода 11 из другого, не оксидного сплава. Это объясняется тем, что прибор РГ СВЧД обладает малой мощностью потребления энергии, что позволяет в больших секторах катодов 11 и 14 применять не оксидные соединения металлов.
Полюсные наконечники источника магнитного поля 10 могут быть выполнены либо в виде постоянного магнита, либо в виде электромагнита.
Число впадин как и выступов (N) в резонансных узлах 1 и 2 с учетом промежутков между ними должно быть четным для обеспечения резонанса и вращения «электронных спиц». Аналогичные требования идентичности относятся и к угловому расстоянию между штырями и промежутками. Это должно учитываться и для переходов от элемента 3 к элементу 14 и от элемента 4 к элементу 12. Каждый резонансный анод состоит из малого 3 и больших 12, 13 секторов, и каждый холодный катод - из малого 4 и больших 11, 14 секторов. При этом большой сектор холодного катода 11 первого митрона является неполным круговым, второго 14 - неполным кольцевым, при этом первый из них охватывается соответствующим большим сектором резонансного анода 12 по окружности, а второй охватывает по окружности второй большой сектор резонансного анода 13 до центральной зоны, где друг против друга расположены малые секторы холодного катода 3 и резонансного анода 4, содержащего по длине несколько штырей и впадин, образованные при этом совокупные резонансные аноды, состоящие из малых и больших соответствующих секторов анодов первого и второго митронов, содержат четные одинаковые количества штырей и впадин, расположенных с одинаковым угловым шагом.
a1
Работает РГ СВЧД следующим образом. При включении питающих напряжений от источника питания 18 в герметичной вакуумированной полости, заключенной в металлическом корпусе 7 гироскопа, резонансные узлы 1 и 2 обеспечивают возбуждение электромагнитных волн. Это происходит за счет нагревания нитью накала 17 подогревного катода 16 электронной пушки 9, который эмитирует электронное облако, активизируемое нитью накала 17 и устремляющееся благодаря положительному анодному напряжению U конического анода 15 в пространство непосредственного взаимодействия малых секторов катода 3 и анода 4, составляющих части резонаторов 1 и 2. Под влиянием магнитной индукции, создаваемой источником постоянного магнитного поля 10, т.е. в скрещенных электрическом и магнитном полях, траектории электронных потоков искривляются и приобретают две почти круговые траектории, одна из них располагается между большими секторами катода 11 и анода 12 резонансного узла 1, другая, выходя из промежутка между малыми секторами катода 3 и анода 4, располагается между, большими секторами катода 14 и анода 13 резонансного узла 2. Соответствующие двум траекториям два электронных потока образуют в областях больших секторов 11-12 и 13-14 вращающиеся в противоположных направлениях электронные спицы. В меньшей по протяженности области между малыми секторами катода 3 и анода 4 непосредственного взаимодействия имеют место параллельные однонаправленные электронные потоки от взаимодействия скрещенных электрического и магнитного полей.
При невращающемся ПО, а, значит, и корпусе 8 (ω=0) частоты встречных электронных потоков одинаковы. Поэтому на электродах вывода информации 5 и 6 наблюдаются СВЧ сигналы одинаковой частоты ν [Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот, т.2. М.: ВШ. 1972 с.270-271]:
где λ - длина электромагнитной волны в свободном пространстве (вакууме); c - скорость света; ν,Ω - частоты колебаний в свободном пространстве и в РГСВЧД; N - число штырей (впадин); n - число определяющее сдвиг фаз в соседних впадинах; p=0; ±1; ±2… - число, кратное периоду (времени) пробега волны между соседними щелями, «+» соответствует положительному, «-» - отрицательному направлению вращения «электронных спиц». Обеспечению условий их наличия способствуют блок источников питания 18
При появлении угловой скорости ω ПО частота колебаний в резонаторе 1, например, уменьшится, а в резонаторе 2 увеличится так, что их разность будет равна:
s
где r - радиус больших секторов катода 11 и анода 13; V - замедленная резонаторами 1 и 2 скорость электромагнитной волны [См. патент RU №2207511]. Эта разность частот, пропорциональная измеряемой угловой скорости ПО, выделяется в схеме обработки сигналов прибора 20, выполненной (например, по патенту РФ №2207511 или по заявке на ПМ №2011135233 от 03.10.2011). С выхода схемы обработки сигналов 20, при появлении сигналов от электродов вывода информации 5 и 6 резонаторов 1 и 2, в систему ориентации, стабилизации или в другую поступает информация в виде оценки  измеряемой угловой скорости ПО. Она определяется из выражений:
Может также определяться интеграл от угловой скорости, что широко используется на практике, например, в лазерных гироскопах:
где ψ - фаза резонансного сигнала.
Технико-экономический эффект достигнут тем, что точность РГ СВЧД заявленной модели гораздо выше, чем точность по прототипу. Эффект достигнут за счет того, что вместо двух митронов применен один двухрезонаторный практически с единой системой возбуждения. У них при одной общей электронной пушке применены конструктивно связанные холодные катоды и резонансные аноды, помещенные в единую герметичную полость с высоким вакуумом. Область непосредственного взаимодействия - общая для двух резонаторов, которые выполнены в виде коротких (малых) секторов анода и катода, они могут быть запитаны более высоким анодным напряжением, чем более длинные (большие) секторы анода и катода. Разность длин малых и больших секторов катодов и анодов нужна для обеспечения условия вычитания из угловой скорости бегущих волн одного резонатора угловой скорости ω ПО и для сложения такой же угловой скорости бегущих в обратном направлении волн с угловой скоростью ПО.
Таким образом, поставленная задача в полезной модели достигнута.