УДАРОПРОЧНЫЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
SHOCK PROOF VIBRATION TRANSDUCER OF ANGULAR SPEED

Изобретение относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости (ДУС). В частности, оно касается вибрационных ДУС, обладающих высокой ударопрочностью и применяемых в системах управления движением объектов, подверженных ударам до 10000g.
Известен вибрационный ДУС (патент ЕР 0664439 В1), чувствительный элемент которого выполнен из металлического материала в виде балки с треугольным сечением, к одному из ребер которой прикреплены U-образные упругие подвесы.
В этом решении упругие подвесы являются также и электрическими токоподводами к общим электродам пьезоэлектрических пластин, закрепленных на гранях балки.
Недостаток данного решения состоит в недостаточной прочности чувствительного элемента с U-образными подвесами.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент US 5505085 А.
В этом изобретении упругие подвесы для балочного чувствительного элемента представляют собой U-образные упругие рамки, которые могут прикрепляться к одному из ребер или к одной из граней.
Недостаток прототипа заключается в незащищенности чувствительного элемента и ДУС в целом от воздействий продольных и поперечных ударов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении ударопрочности ДУС.
Указанный технический результат достигается тем, что ударопрочный вибрационный ДУС содержит корпус, электрическую схему возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов, закрепленный на упругих подвесах чувствительный элемент в форме балки треугольного сечения из металлического материала с пьезоэлектрическими пластинами на гранях, причем упругие подвесы выполнены в виде двух колец, внутри которых сформировано по три пружинных элемента, на ребрах балки выполнены прорези, в которых крепятся пружинные элементы упругих подвесов, чувствительный элемент с упругими подвесами помещен в капсулу, состоящую из втулки, в торцевых углублениях которой закреплены упомянутые упругие подвесы, и двух опорных узлов с элементами защиты чувствительного элемента от продольных и поперечных ударов, содержащих два расположенных на продольной оси балки по обе ее стороны упора с возможностью регулировки величины зазора относительно торцов балки и шесть упоров, установленных перпендикулярно боковым граням балки, симметрично относительно ее поперечной оси, также с возможностью регулировки величины зазора относительно граней балки, причем упоры выполнены из мягкого металла, например из свинца.
Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что упругие подвесы выполнены в виде двух колец, внутри которых сформировано по три пружинных элемента, на ребрах балки выполнены прорези, в которых крепятся пружинные элементы упругих подвесов, чувствительный элемент с упругими подвесами помещен в капсулу, состоящую из втулки, в торцевых углублениях которой закреплены упомянутые упругие подвесы, и двух опорных узлов с элементами защиты чувствительного элемента от продольных и поперечных ударов, содержащих два расположенных на продольной оси балки по обе ее стороны упора с возможностью регулировки величины зазора относительно торцов балки и шесть упоров, установленных перпендикулярно боковым граням балки, симметрично относительно ее поперечной оси, также с возможностью регулировки величины зазора относительно граней балки, причем упоры выполнены из мягкого металла, например из свинца.
Указанная совокупность отличительных признаков конструкции позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении ударопрочности чувствительного элемента и ДУС в целом.
Изобретение поясняется фигурами 1, 2, 3.
На фиг.1 приведен общий вид балочного чувствительного элемента в сборе с упругими подвесами в капсуле.
На фиг.2 - упругий подвес с закрепленной балкой.
На фиг.3 - поперечный разрез опорного узла с элементами защиты.
Пример реализации заявляемого ДУС
-6
Чувствительный элемент 1 (фиг.1) ДУС в форме балки сечением правильного треугольника и упругие подвесы 2 (фиг.2) изготовлены из сплава элинвар, отличающегося стабильностью упругих свойств и малым коэффициентом линейного расширения. Упругие подвесы насажены на балочный чувствительный элемент в местах узлов его колебаний таким образом, что пружинные элементы 3 подвесов защелкнуты в прорези 4, выполненные на ребрах балки строго в нулевой плоскости ее колебаний на первой изгибной моде. Этим достигается высокая прочность соединения подвесов 2 с балкой 1, что является одним из условий высокой ударопрочности ДУС. Пружинные элементы 3 упругих подвесов 2 закрепляются в прорезях 4 балки пайкой. Внешним контуром кольца подвесы 2 закрепляются в торцевых углублениях 5 (фиг.1) втулки 6 также пайкой. Втулка содержит два направляющих штифта 7 - по одному для каждого опорного узла 8 и три изолированные от втулки контактные площадки 9 для вывода токоподводов 10 от пьезоэлементов 11. Опорный узел 8 содержит элементы защиты чувствительного элемента - упоры 12, 13 (фиг.1, 3) от продольных и поперечных ударов соответственно и имеет прорезь 14 (фиг.1) для направляющего штифта 7 втулки. Упоры 12 расположены на торцах опорных узлов 8, а упоры 13 расположены на боковой части опорных узлов 8 через 120° - напротив трех граней балки 1. Упоры 12, 13 представляют собой свинцовые винты с мелкой резьбой. Токоподводы выполнены из платино-серебряной ленты сечением 20 мкм × 200 мкм с удельным электрическим сопротивлением 0.3·10Ом/м и пределом прочности 2ГПа. Высокий предел прочности определяет устойчивость токоподводов в условиях сборки и эксплуатации и в том числе при перегрузках до 10000g. Токоподводами к общим электродам пьезоэлектрических пластин являются упомянутые кольцевые подвесы. Опорные узлы к втулке прикреплены посредством клея.
Основным условием работоспособности ДУС после воздействия удара является сохранение деформаций подвесов 2 в пределах упругих, в том числе и после удара 10000g в любом направлении. Расчетами и экспериментами установлено, что это условие выполняется, если зазор δ между упорами 12, 13 и соответствующими гранями балки 1 находится в пределах 20 мкм - 30 мкм.
Регулировка величины зазора δ относительно граней балки производится при включенном в электрическую схему возбуждения чувствительном элементе. Наблюдая на осциллографе гармонический сигнал возбуждения с чувствительного элемента, медленно вкручивают по очереди все восемь упоров до того момента, когда пропадет гармонический сигнал на осциллографе. Это означает, что упор коснулся балки и погасил ее колебания. Для обеспечения зазора δ≈20 мкм необходимо выкрутить упор с шагом резьбы 0.75 мм, повернув его на ≈10°. При этом колебания балки возобновятся, и на осциллографе снова появится гармонический сигнал.
После регулировки зазора положения упоров 12, 13 фиксируют с помощью клея.
Результаты испытаний созданного ударопрочного вибрационного балочного ДУС с чувствительным элементом длиной 30 мм и описанной конструкцией подтвердили его стойкость к ударам вдоль трех осей 10000g длительностью 0.5 мс.