ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГИРОСКОПА
HYDROSCOPE SENSING ELEMENT

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами, и предназначено для измерения угловой скорости.
Известные лазерные и волоконно-оптические гироскопы широко используются в инерциальной навигации и системах наведения. Они позволяют получить удовлетворительную точность, однако имеют высокую стоимость и крупные габариты. Это не позволяет использовать их в областях, требующих низкостоимостных малогабаритных гироскопов, таких как системы автомобильной безопасности, потребительские товары, медицинское оборудование.
Известные микромеханические гироскопы, имеющие малые габариты, имеют, однако, низкую точность, а также низкую устойчивость к нагрузкам, так как в их конструкцию входит механический колебательный элемент на упругих подвесах. Это не позволяет использовать микромеханические гироскопы в областях, требующих устойчивости к нагрузкам, например, в изделиях военно-промышленного комплекса.
Известно, что колебания частиц в акустических волнах сопровождаются инерциальными эффектами, что делает возможным использование этих волн в гироскопии в целях создания чувствительных элементов гироскопов, отличающихся устойчивостью к нагрузкам и высокой точностью при сохранении конструктивной простоты и необходимой чувствительности.
Известен чувствительный элемент гироскопа, выполненный на поверхностных акустических волнах [патент РФ №2329466, МПК G01C 19/56], содержащий твердотельный звукопровод, излучающий и приемный преобразователи. Достоинством такого чувствительного элемента является устойчивость к нагрузкам, недостатком - чувствительность к механическим воздействиям на звукопровод.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является чувствительный элемент гироскопа, выполненный на продольной объемной акустической волне [WO 2008/000310 A1, G01C 19/56], содержащий подложку, расположенные на ней пленочные излучающий и приемный резонаторы, а также многокомпонентные слоистые поглощающие и отражающие структуры. Пленочный излучающий резонатор возбуждает продольную акустическую волну. Многослойная структура, выполненная на верхней грани подложки под излучающим резонатором в виде напыленных слоев, служит фильтром, отсеивающим паразитную поперечную волну, возникающую при возбуждении продольной волны. Толщина слоев фильтра выбирается равной четверти длины паразитной поперечной волны. Далее продольная волна попадает в так называемую зону Кориолиса, где при вращении под воздействием силы Кориолиса возникает вторичная поперечная волна. Продольная волна локализуется в зоне Кориолиса с помощью многослойного пленочного отражателя, напыленного между подложкой и зоной Кориолиса в виде слоев, толщина которых равна четверти длины продольной волны. Вторичная поперечная волна, возникшая из продольной в зоне Кориолиса при вращении, регистрируется приемным пленочным резонатором, расположенным на нижней грани подложки. Достоинством такого чувствительного элемента является возможность работы в непрерывном режиме излучения, недостатками - низкая чувствительность, а также технологическая сложность конструктивной реализации, значительное влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность работы устройства.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для измерения скорости вращения с упрощенной конструктивной реализацией, снижающей влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность устройства, а также повышение его чувствительности.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый чувствительный элемент гироскопа, так же как и известное устройство, содержит твердотельный звукопровод, форма которого обеспечивает распространение объемных акустических волн, излучающий преобразователь и приемный преобразователь поперечной волны. Но в отличие от известного устройства звукопровод выполнен из материала с осью симметрии не ниже третьего порядка, и на одном из его плоскопараллельных торцов расположен преобразователь, излучающий поперечные волны, а на другом - приемный преобразователь поперечной волны, угол поляризации которого выбирается близким к 90° относительно излучаемой поперечной волны из условия ее максимального ослабления.
Техническим результатом является повышение чувствительности чувствительного элемента гироскопа, а также упрощение его конструктивной реализации, что снижает влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность работы устройства.
Технический результат достигается за счет того, что при отсутствии вращения объемная акустическая поперечная волна, возбуждаемая излучающим преобразователем, расположенным на одном из торцов звукопровода, в направлении, совпадающем с осью симметрии не ниже третьего порядка, не принимается приемным преобразователем, расположенным на другом торце. Это объясняется тем, что возбуждаемая волна по мере распространения со скоростью, не зависящей от направления поляризации, в звукопроводе сохраняет поляризацию, то есть направление колебания частиц, и на приемном преобразователе создаются колебания с направлением, не имеющим проекцию на направление чувствительности приемного преобразователя, за счет того, что оно выбирается близким к 90° относительно направления чувствительности излучающего преобразователя с целью максимального ослабления сигнала от излучаемой объемной поперечной акустической волны. Идеальное скрещивание поляризаций излучающего и приемного преобразователей приведет к полному отсутствию сигнала от излучаемой объемной акустической волны на приемном преобразователе, однако на практике из-за наличия разного рода погрешностей это реализовать невозможно. Кроме того, наличие малого сигнала на приемном преобразователе, связанного с тем, что угол скрещивания поляризаций близок, но не равен 90°, обеспечивает чувствительность к направлению вращения. Так как при вращении величина отклонения компоненты поляризации излучаемой волны составляет порядка долей градуса, то отклонение поляризаций преобразователей от 90° должно быть незначительно, а его величина может в достаточной степени обеспечиваться технологическими погрешностями изготовления. Само направление отклонения поляризации приемного преобразователя от 90° не принципиально, так как выявляемый сигнал при необходимости может быть легко инвертирован в последующих электрических цепях обработки сигнала. При наличии вращательного движения действие сил Кориолиса вызывает изменение характера движения частиц в излучаемой волне, и на приемном преобразователе будут возникать колебания, составляющая которых может быть зарегистрирована приемным преобразователем.
Совокупность признаков, сформулированная в п.2 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором звукопровод изготовлен из изотропного материала. Это позволяет снизить стоимость устройства как за счет меньшей стоимости материала звукопровода, так и снижения затрат на его изготовление.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором звукопровод изготовлен из кристаллического материала. Это позволяет повысить рабочую частоту устройства, так как затухание ультразвука в кристаллах значительно меньше, чем в изотропных материалах.
Совокупность признаков, сформулированная в п.4 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором звукопровод изготовлен из CdS. Это позволяет увеличить чувствительность устройства за счет низкой скорости распространения акустических волн в материале звукопровода, что обеспечивает большую величину ортогональной составляющей при тех же габаритных размерах.
Совокупность признаков, сформулированная в п.5 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором звукопровод имеет цилиндрическую форму. Это позволяет снизить массогабаритные параметры изобретения, а также обеспечить кривизну поверхности для рассеяния звуковой энергии, падающей на боковые грани звукопровода, что позволяет снизить уровень шумов и таким образом увеличить чувствительность.
Совокупность признаков, сформулированная в п.6 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором на боковой поверхности звукопровода выполнены кольцевые канавки. Это позволяет повысить отношение сигнал-шум, и таким образом чувствительность за счет уменьшения коэффициента отражения и увеличения коэффициента рассеяния, так как наиболее важным источником шумов в изобретении является акустическая реверберация за счет многократного переотражения сигнала в звукопроводе. Размеры канавок зависят от рабочей частоты и составляют порядка десяти длин волн.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема чувствительного элемента гироскопа, а на фиг.2 - схема формирования вторичных колебаний.
На фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента гироскопа, состоящая из твердотельного звукопровода 1, излучающего 2 и приемного 3 преобразователей поперечной волны. Звукопровод имеет цилиндрическую форму и кольцевые канавки 4, нанесенные на его поверхность. Цилиндрическая форма звукопровода и наличие кольцевых канавок позволяют исключить погрешности, связанные с многократным переотражением сигнала от граней звукопровода, что повышает чувствительность устройства. Излучающий преобразователь, расположенный на одном из плоскопараллельных торцов звукопровода, генерирует в звукопроводе объемную поперечную акустическую волну в направлении, совпадающем с осью симметрии материала звукопровода не ниже третьего порядка. Приемный преобразователь, расположенный на другом торце звукопровода, имеет направление чувствительности, сориентированное относительно направления чувствительности излучающего преобразователя под углом, близким к 90°, для максимального ослабления сигнала от излучаемой объемной волны. При наличии вращения звукопровода, в результате действия силы Кориолиса, при распространении объемной поперечной акустической волны в звукопроводе возникают вторичные колебания в поперечной волне, имеющие повернутую на 90° поляризацию и детектируемые приемным преобразователем.
В качестве технологических материалов при изготовлении устройства, соответствующего изобретению, для звукопровода и преобразователей могут использоваться, например, плавленый кварц и пьезокварцевые пластины Y-среза соответственно. Скрещивание поляризаций излучающего и приемного преобразователей, близкое к 90°, на практике может достигаться в процессе приклейки преобразователей к звукопроводу при повороте одного из них относительно другого с наблюдением выходного сигнала с приемного преобразователя с целью его минимизации.
0
С
Объемная поперечная акустическая волна, распространяющаяся в звукопроводе из материала с осью симметрии не ниже третьего порядка при наличии его вращения, сопровождается возникновением вторичных колебаний. Наличие оси симметрии не ниже третьего порядка обеспечивает возможность распространения двух поперечных волн с одинаковыми скоростями, что позволяет добиться пространственного синхронизма, за счет чего амплитуда ортогональной составляющей, возникающей при вращении, будет увеличиваться по мере распространения в звукопроводе. Формирование вторичных колебаний частотой ω для объемной поперечной акустической волны, распространяющейся вдоль оси вращения звукопровода, проиллюстрировано на фиг.2. Поляризация волны, определяемая излучающим преобразователем, совпадает с осью Z, т.е. смещения частиц ξ среды лежат в плоскости XOZ. Если тело подвергнуть вращению вокруг оси Х с угловой частотой Ω, то возникающие силы Кориолиса создадут дополнительные смещения ξ, гармонически распределенные вдоль оси Х в среде. Таким образом, в объемной акустической волне возникают вторичные колебания, имеющие относительно излучаемой волны ортогональную поляризацию и регистрируемые приемным преобразователем.
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложен новый чувствительный элемент гироскопа на объемных волнах, в основе которого лежит иной принцип измерения угловой скорости. Это доказывает, что достигнут технический результат - повышение чувствительности, а также упрощение конструктивной реализации, что снижает влияние технологических погрешностей изготовления на стабильность работы чувствительного элемента гироскопа. При этом повышение чувствительности достигается за счет подавления уровня неинформативных составляющих сигнала, что приводит к возможности использования больших коэффициентов усиления при дальнейшей обработке сигнала с чувствительного элемента гироскопа. Упрощение конструкции достигается за счет минимизации количества и технологической сложности изготовления конструктивных элементов.