Резонатор твердотельного волнового гироскопа

Полезная модель относится к конструкции резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах подвижных объектов различных классов, в том числе летательных аппаратов, космических летательных аппаратов и других.
Известен резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с дном. Резонатор скрепляется дном с другими частями чувствительного элемента. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора и совершает изгибные колебания при работе резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. При вращении колеблющегося резонатора вокруг оси симметрии из-за действия кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора.
Недостатком этой конструкции является низкая добротность резонатора, так как энергия колебаний тонкостенных оболочек превращается в тепловую за счет теплопереноса между зонами с различной температурой.
Известен резонатор для твердотельного волнового гироскопа, выполненный в виде металлического цилиндра с дном [Резонатор. Патент РФ №2357214, МПК G01C 19/56, 2007 г. Лунин Б.С, Матвеев В.А., Басараб М.А. Опубликовано 27.05.2009 г., Бюл. №15]. В кромке цилиндра, служащей рабочей частью, параллельно образующей цилиндра выполнены отверстия, радиусом, равным четверти толщины стенки цилиндра и глубиной в половину радиуса цилиндра, располагающиеся на расстоянии друг от друга, равном утроенному радиусу отверстия.
Интенсивность теплового потока у такого резонатора уменьшается, однако такое значение добротности также не очень велико и снижает точность работы твердотельного волнового гироскопа примерно до 4…17 угл. град/ч.
Известен резонатор волнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гироскопу [Резонатор твердотельного волнового гироскопа. Патент РФ ПМ №145777, МПК G01C 19/56, 2014 г. Игнатьев А.А., Скрипкин А.А.]. В качестве материала металлического цилиндра использован аморфный или нанокристаллический металл (металлический сплав).
Однако существующая технология для изготовления подобных резонаторов полностью из аморфных металлов и их сплавов является достаточно сложной и весьма дорогостоящей. Кроме того, указанный резонатор обладает высокой теплопроводностью, что увеличивает потери энергии колебаний и снижает добротность и точность показаний гироскопа.
Наиболее близкому по технической сущности к предлагаемому является резонатор волнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гироскопу, к цилиндрической части резонатора присоединено рабочее тонкостенное кольцо, выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, а в зоне соединения с тонкостенным кольцом на цилиндрической части резонатора выполнены сквозные отверстия, создающие перемычки, суммарная площадь которых составляет 10…12% от площади отверстий [Резонатор твердотельного волнового гироскопа. Патент РФ ПМ №187102, МПК G01C 19/56, 2019 г. Королев А.В., Скрипкин А.А.- прототип]. Причем тонкостенное кольцо выполнено полностью из аморфного материала, либо кольцо может быть выполнено в виде набора прочно соединенных между собой тонкостенных колец из аморфного металла толщиной 25…30 (мкм).
Недостатком данного твердотельного волнового гироскопа является то, что он обладает невысокой чувствительностью, особенно при определении малых величин входных угловых скоростей, обусловленной малой величиной амплитуды итоговых колебаний кромки резонатора в точках установки датчиков съема выходной информации, в качестве которых используются датчики перемещений.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение угловой чувствительности и точность гироскопа при определении малых величин входных угловых скоростей.
Техническим результатом является увеличение амплитуды колебаний тонкостенного кольца в местах расположения датчиков съема выходной информации и тем самым увеличение выходного сигнала датчиков съема информации, особенно при определении малых величин входных угловых скоростей подвижного объекта.
Указанная задача решается тем, что резонатор волнового твердотельного гироскопа, имеющий цилиндрическую часть и основание, служащее для присоединения резонатора к гироскопу, к цилиндрической части резонатора присоединено рабочее тонкостенное кольцо, выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, а в зоне соединения с тонкостенным кольцом на цилиндрической части резонатора выполнены сквозные отверстия, создающие перемычки, суммарная площадь которых составляет 10…12% от площади отверстий, с внешней стороны тонкостенного кольца в местах, расположенных напротив датчиков съема выходной информации, выполнены секторные проточки, причем центральный угол секторных проточек выбран таким образом, что длина дуги сектора составляет не менее фронтальной величины датчика съема выходной информации.
Так как с внешней стороны тонкостенного кольца в местах, расположенных напротив датчиков съема выходной информации, выполнены секторные проточки, причем центральный угол секторных проточек выбран таким образом, что длина дуги сектора составляет не менее фронтальной величины датчика съема выходной информации, то это при возбуждении стоячей волны увеличивает амплитуду колебаний тонкостенного кольца в местах расположения датчиков съема выходной информации, то есть увеличивает выходной сигнал датчиков съема информации (в качестве которых используются датчики перемещений), повышая тем самым чувствительность и, следовательно, точность гироскопа при определении малых величин входных угловых скоростей, что решает поставленную задачу.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция резонатора, на фиг. 2 показан фрагмент разреза резонатора в увеличенном масштабе.
На чертежах введены следующие обозначения: 1 - цилиндрическая часть резонатора; 2 - основание; 3 - сквозные отверстия; 4 - рабочее тонкостенное кольцо; 5 - секторные проточки; 6 - датчик съема выходной информации.
Резонатор имеет цилиндрическую часть 1 и основание 2, служащее для присоединения резонатора к другим частям гироскопа (фиг. 1). В нижней кромке цилиндрической части 1 выполнены сквозные отверстия 3. На конце цилиндрической части 1 резонатора установлено рабочее тонкостенное кольцо 4. Сквозные отверстия 3 создают перемычки между рабочим тонкостенным кольцом 4 и цилиндрической частью 1, площадь которых составляет 10…12% от площади сквозных отверстий 3. Рабочее тонкостенное кольцо 4 выполненное из материала с малым коэффициентом внутреннего трения, что снижает потери энергии колебаний и повышает добротность резонатора. В качестве материала рабочего тонкостенного кольца 4 может использоваться аморфный металл, обладающий низким внутренним трением.
С внешней стороны тонкостенного кольца 4 в местах, расположенных напротив датчиков съема выходной информации 6, выполнены секторные проточки 5 (фиг. 2), причем центральный угол α секторных проточек 5 выбран таким образом, что длина дуги сектора составляет не менее фронтальной величины датчика съема выходной информации 6.
Резонатор работает следующим образом.
Цилиндрическая часть резонатора 1 крепится к другим частям чувствительного элемента (не показано) посредством основания 2. При работе возбуждают изгибные колебания в рабочем тонкостенном кольце 4 резонатора. При вращении колеблющегося резонатора вокруг оси симметрии из-за действия кориолесовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными. Поэтому в рабочем тонкостенном кольце 4 возникают силы Кориолиса, которые приводят к изменению диаметра рабочего тонкостенного кольца 4. Этот эффект возрастает за счет создания сквозных отверстий 3 и уменьшения его жесткости. По величине изменения диаметра рабочего тонкостенного кольца 4 с помощью специальных датчиков съема информации 6 (датчиков перемещения) можно определить угловую скорость вращения резонатора и, соответственно, подвижного объекта, на котором установлен ТВГ.
Поскольку с внешней стороны тонкостенного кольца 4 в местах, расположенных напротив датчиков съема выходной информации 6, выполнены секторные проточки 5, причем центральный угол α секторных проточек 5 выбран таким образом, что длина дуги сектора составляет не менее фронтальной величины датчика съема выходной информации 6, то это увеличивает амплитуду колебаний тонкостенного кольца 4 в местах расположения датчиков съема выходной информации. Тем самым увеличивается выходной сигнал датчиков съема информации (в качестве которых используются датчики перемещений), повышая тем самым чувствительность и, следовательно, точность гироскопа при определении малых величин входных угловых скоростей, что решает поставленную задачу.
Пример. Диаметр рабочего тонкостенного кольца равна 25 мм, толщина 1 мм. Частота вынужденных изгибных колебаний ƒ=8 кГц. Амплитуда колебаний кромок резонатора А=1…2 мкм. Величина зазора между поверхностью емкостного датчика для съема информации и поверхностью кромки резонатора 50…100 мкм.
2
2
В нижней кромке цилиндрической части выполнены 4 сквозных отверстия шириной 2 мм и длиной 17,5 мм. Таким образом, суммарная площадь сквозных отверстий равна 140 мм. Указанные отверстия создают перемычки, суммарная площадь которых составляет 3,14⋅25⋅2-140=17 мм, что составляет 12% от площади отверстий. Толщина каждой перемычки равна 2,1 мм, что достаточно для обеспечения необходимой прочности резонатора.
Оценим в первом приближении величину «прогиба» (то есть, амплитуды итоговых колебаний) тонкостенного кольца резонатора при работе твердотельного волнового гироскопа в местах расположения датчиков съема выходной информации, в качестве которых выступают бесконтактные датчики перемещений.
max
3
При параметрическом возбуждении в тонкостенном кольце резонатора второй моды изгибных колебаний (с помощью системы электродов для возбуждения и управления стоячей волной) будем рассматривать в первом приближении малый участок тонкостенного кольца резонатора как аналог балки на двух опорах с жестким закреплением концов с сосредоточенной нагрузкой. В этом случае максимальную величину «прогиба» можно оценить по соотношению [Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, "Наукова думка" - 1988. - 736 с.]: f= - (F⋅l)/192⋅E⋅J; где F - эквивалентная сосредоточенная нагрузка; l - длина участка; Е - модуль упругости материала; J - момент инерции сечения.
3
Для сечения прямоугольной формы участка тонкостенного кольца резонатора момент инерции определяется по соотношению: J=b⋅h/12; где b - горизонтальный размер сечения; h - вертикальный размер сечения.
3
max
При выполнении с внешней стороны тонкостенного кольца в местах, расположенных напротив датчиков съема выходной информации, секторных проточек, причем центральный угол секторных проточек выбран таким образом, что длина дуги сектора составляет не менее фронтальной величины датчика съема выходной информации, например, на величину: b/2 - половину горизонтального размера сечения, за счет изменения момента инерции (- в этом случае: J=0,5⋅b⋅h/12) расчетная величина максимального «прогиба» f при тех же самых параметрах возбуждения возрастет в два раза.
Для конкретных моделей гироскопов "глубина" указанных секторных проточек будет определяться геометрическими размерами, параметрами материала кольца резонатора, характеристиками системы возбуждения колебаний и съема выходной информации, диапазоном действующих ускорений, условиями эксплуатации и др. и может составлять в первом приближении, например, 0,1…0,5 величины от горизонтального размера сечения b.
Поскольку выполнение с внешней стороны тонкостенного кольца в местах, расположенных напротив датчиков съема выходной информации, секторных проточек, причем центральный угол секторных проточек выбран таким образом, что длина дуги сектора составляет не менее фронтальной величины датчика съема выходной информации, увеличивает амплитуду колебаний тонкостенного кольца, то это увеличивает выходной сигнал датчиков съема информации (в качестве которых используются датчики перемещений), повышая тем самым чувствительность и, следовательно, точность гироскопа при определении малых величин входных угловых скоростей, что решает поставленную задачу.
Таким образом, по сравнению с известным резонатором предложенный резонатор является более технологичным, обеспечивает повышение чувствительности и увеличение точности работы твердотельного волнового гироскопа при определении малых величин входных угловых скоростей.