ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ СВЯЗАННЫХ РЕЗОНАТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и системам управления подвижных объектов, и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.
В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи.
Известно изобретение «Микроэлектро-механический гироскоп» (патент US №6516665 / Varadan V.K., Pascal В. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003), содержащий пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно - штыревые преобразователи драйвера, чувствительные элементы колебаний и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно - штыревых преобразователей. Этот гироскоп работает с использованием свойств поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке. В отличие от других гироскопов этот гироскоп имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным. Недостатком этого гироскопа является низкая точность и, соответственно, невозможность использования его для высокоточных измерений вследствие малой амплитуды колебаний чувствительных элементов.
Также известно изобретение «Твердотельный волновой гироскоп» (патент №3924475, US, кл. G01P 9/04, 1975 г.), содержащий полусферический резонатор, основание, поддерживающее резонатор вдоль оси симметрии, проходящей через полюс полусферы, на котором выполнены приемные электроды, блок управления, к которому подсоединены приемные электроды и к выходам которого подключены блок параметрического возбуждения, блоки позиционного возбуждения и вычислитель, при этом выходы блоков параметрического и позиционного возбуждения подсоединены к блоку управления дискретными электродами. Недостатком такого твердотельного волнового гироскопа является появление динамических погрешностей измерения угла, обусловленных смещением вибрационной картины силами Кориолиса, возникающими при принудительном вращении резонатора.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является «Волновой твердотельный гироскоп» (патент №2164006, RU, дата приоритета 21.05.1999 г., патентообладатель: «ОАО «Московский институт электромеханики и автоматики»), который взят за прототип. Гироскоп содержит полусферический резонатор с установленным в нем цилиндрическим стержнем и металлический герметизирующий кожух с гермовводами, в котором установлена сборка корпус - основание - резонатор. Дополнительно введены упругие центрирующие элементы, упругий центрирующий подвес, выполненный в виде системы плоских пружин, маломоментные упругие токоподводы в виде витых плоских пружин, а также жесткая фиксация корпуса и основания. Точность гироскопа повышена за счет минимизации оттока колебательной энергии стоячей волны в элементы конструкции путем введения дополнительных элементов, имеющих заданные параметры. Однако резонатор прототипа не защищен от внутренних возмущающих воздействий, которые вызывают в резонаторе колебания неосновной частоты, приводящие- к шумам в нулевом измерительном канале. Недостатком прототипа является наличие сил Кориолиса, влияющих на резонансную частоту и снижающих точность гироскопа. Для устранения этого недостатка в прототипе напряжения возбуждения должны быть синусоидальными и синхронными, датчики возбуждения линейными, угол между осями возбуждения неизменным. Выполнить все условия в конструкции прототипа практически невозможно.
Технической задачей заявленной полезной модели является увеличение точности измерения угла поворота за счет усиления эффекта стоячей волны в гироскопе.
Технический результат достигается за счет известного волнового твердотельного гироскопа, содержащего корпус, основание, жестко соединенное с корпусом и с гермовводами, резонатор, установленный внутри корпуса, блок электродов с датчиками, соединенный электрически с гермовводами через упругие токоподводы, согласно полезной модели волновой твердотельный гироскоп выполнен на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны, которая содержит базовый резонатор и плоский резонатор стоячей волны, связанные подвеской, при этом система резонаторов имеет цельную стакановидную форму со стенками разной толщины, причем блок электродов с датчиками установлены на плоском резонаторе, расположенном в основании системы резонаторов, кроме того, в центральной части плоского резонатора расположены элементы крепления резонатора к основанию гироскопа, образующие в месте крепления - узел колебаний упругих стоячих волн, при этом наружные диаметры плоского резонатора и подвески резонатора могут быть выполнены одного размера или, как вариант, наружный диаметр плоского резонатора может быть выполнен большего размера, чем наружный диаметр подвески резонатора, образуя при этом кольцевой буртик.
Заявленная полезная модель иллюстрируется фигурами:
Фиг.1 - Волновой твердотельный гироскоп на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны - общий вид (поперечное сечение).
Фиг.2 - Система резонаторов (вид снизу фигуры 1). Схема измерения угловой скорости с использованием системы резонаторов.
Фиг.3 - Схема колебаний стоячей волны в базовом резонаторе.
Фиг.4 - Узел колебаний стоячей волны в базовом резонаторе.
Фиг.5 - Схема колебаний в плоском резонаторе без буртика.
Фиг.6 - Схема колебаний в плоском резонаторе с буртиком.
Заявленная полезная модель «Волновой твердотельный гироскоп на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны» изображено в поперечном сечении на фиг.1. Гироскоп содержит жестко соединенные между собой корпус 1 и основание 2. Внутри корпуса 1 на основании 2 жестко установлена система резонаторов изображенная на фиг.2., и состоит из базового резонатора 3 и плоского резонатора 4 стоячей волны.
Резонаторы связаны между собой подвеской 5 (фиг.1, 2), при этом система резонаторов имеет цельную стакановидную форму со стенками разной толщины, S и S1 (фиг.1). Базовый резонатор 3 и подвеска 5 имеют цилиндрическую форму, причем базовый резонатор расположен в верхней части подвески, а плоский резонатор 4 расположен в нижней части подвески в основании системы. Подвеска резонатора выполнена диаметром D, а плоский резонатор выполнен диаметром D1. Размеры D и D1 могут быть выполнены одинаковыми или, как вариант, размер наружного диаметра D1 плоского резонатора может быть больше, чем наружный диаметр подвески резонатора D, при этом за счет разницы размеров образуется кольцевой буртик 6. Параметры буртика выбираются по условию минимального прохождения на датчики колебаний, вызванных силами Кориолиса. На плоском резонаторе установлен блок 7 электродов с датчиками. Блок электродов с датчиками должен обеспечивать точное направление создаваемых им измеряемых изгибных колебаний, а также определенную жесткость радиальных торсио-нов. Типы датчиков и способы их размещения могут быть выбраны по условиям линейности. В принципе могут быть использованы датчики любого типа - емкостные, индукционные, трансформаторные, электромагнитные, магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.
В центральной части плоского резонатора выполнен вогнутый элемент (на фиг. не обозначено) со сквозным отверстием, в которое установлен крепежный элемент 8, соединяющий резонатор с основанием гироскопа, при этом в месте соединения образуется узел колебаний упругих стоячих волн фиг.1. Блок 7 электродов с датчиками электрически соединен через упругие токоподводы 9 с гермовводами 10, которые жестко закреплены на основании 2.
Волновой твердотельный гироскоп является инструментом, используемым для измерения угла поворота и угловой скорости вращения объектов. В основе его функционирования лежат инертные свойства упругих волн в твердом теле.
Принцип действия заявленного гироскопа основан на эффекте стоячей волны, т.е. на эффекте независимости упругих волн колебаний резонаторов от среды колебаний. Эффект инерции упругих волн колебаний в системе резонаторов, при медленно меняющейся входной угловой скорости, являются главенствующим, в отличие от эффекта сил Кориолиса, когда есть два движения: линейные скорости пучностей стоячих волн и воздействие входной угловой скорости. Для каждой нормальной формы колебаний можно указать узловые точки с нулевой функцией нормального прогиба резонатора, а также пучностей, где функция нормального прогиба достигает максимального значения. Более того эффект возникновения сил Кориолиса создает как бы шум при малых угловых скоростях резонатора и ухудшает соотношение «сигнал - шум». Узлы колебаний д, е, ж, и системы резонаторов (фиг.2) при воздействии входной угловой скорости остаются неподвижными в инерциальном пространстве некоторое время, а затем переходят в установившееся значение соответственно повороту изделия в инерциальном пространстве с постоянной времени порядка 0,3÷0,5 секунды.
возб.
возб.
изм.
возб.
1
возб.
изм.
∗
При идеальной конструкции резонатора, амплитуда механических колебаний будет находиться в плоскости Х (фиг.2), если Ω=0. При этом точки плоского резонатора д, е, ж, и (фиг.2) остаются неподвижными, т.е. колебаний в плоскостях Y и Y не будет, их датчики покажут ноль. При Ω≠0 плоскость колебаний будет отставать от плоскости Х на угол λ=K Ω, т.е. нулевые узлы колебаний д, е, ж, и (фиг.3, 4) будут отставать от соответствующих точек симметрии плоского резонатора. В результате в плоскости Y и Y появятся колебания, что и зафиксируют датчики.
возб.
изм.
В заявленной же конструкции гироскопа из-за его геометрической несимметричности и из-за структурной несимметричности материала резонаторов даже при входной угловой скорости равной нулю Ω=0 нулевые узлы колебаний д, е, ж, и не будут совпадать со своими точками симметрии резонатора и датчики Y и Y зафиксируют нулевые сигналы ошибки (фиг.3, 4).
При наличии угловой скорости направление на максимальную амплитуду колебаний отстает от направления на датчик возбуждения на угол пропорциональный величине угловой скорости. Физической основой эффекта является закон сохранения энергии.
Из возможных форм колебаний системы резонаторов заявленной формы за рабочую выбрана форма с максимальной добротностью - две стоячие волны (n=2), которые представляют собой эллипсы (фиг.3, 4).
возб.
возб.
возв.
изм.
Канал возбуждения Х (фиг.2) поддерживает неизменной амплитуду колебаний резонаторов и непрерывно подстраивает генерируемую частоту под меняющуюся со временем частоту резонанса. Компенсационный канал измерения автоматически подбирает такую величину сигнала Y, чтобы при любой угловой скорости Ω отставания плоскости колебаний от оси Х не было. Последнее становится возможным, если Δ→0. Минимально возможное значение ΔU и соответственно точность измерений ограничивается уровнем шумов нулевого выхода Y
Принцип работы заявленного гироскопа.
В заявленном гироскопе установлена система, состоящая из двух резонаторов (фиг.1). Плоский резонатор 4 является резонатором возбуждения и приема стоячей волны, имеющий частоту резонанса F1 (на фиг. не показано). Базовый резонатор 3 имеет частоту F2 (на фиг. не показано). В плоском резонаторе возбуждаются колебания на частоте F1, подаваемые с датчика а (фиг.2). Через механическую связь они передаются на базовый резонатор и в нем на частоте F2 возникают резонансные колебания. Эти колебания передаются обратно на плоский резонатор через механическую связь и фиксируются приемным датчиком в. При вращении системы вокруг оси стоячая волна, в силу независимости ее от материального объекта, остается на месте, что фиксируется через снижение уровня сигнала приемным датчиком в. Это изменение отрабатывается электронной схемой и в соответствии с классической схемой замкнутого гироскопа вырабатывается сигнал корректировки на датчик ж, уровень которого с датчика е и является источником данных об угловой скорости (фиг.2).
Блок 7 электродов с датчиками создает и принимает вибрации резонаторов, когда после механического воздействия на них, с их выхода идет электрический сигнал. На электроды подается переменный сигнал с генератора порядка 6,0 КГц (резонанс гироскопа) напряжением 3-5 вольт. Датчики а, б, в, г, д, е, ж, и (фиг.2) снимают выходной сигнал, идущий на коррекцию генератора по амплитуде и фазе. Датчики д, е используют как датчики угла, а датчики ж, и - как датчики момента. Ток, текущий через усилитель и датчики ж, и является мерилом входной угловой скорости Ω. Ось чувствительности такого гироскопа направлена перпендикулярно плоскости датчиков а, 6, в, г, д, е, ж, и.
еозб.
цзм.
При выполнении плоского резонатора с диаметром D1 равным даметру подвески D (без буртика) создаются колебания точек симметрии резонатора д, е, ж, и относительно своих нулевых узлов. При наличии входной угловой скорости Ω≠0 под нежелательным воздействием эффекта сил Кориолиса точки ж, и слегка растягиваются вдоль оси Y и сжимают д, е вдоль оси Y Схема колебаний в плоском резонаторе без буртика представлена на фиг.5.
При выполнении плоского резонатора с буртиком, где D1 больше D - диметра подвески - буртик, выступающий за габариты подвески, не пропускает на пьезоэлементы колебания, идущие от узловых точек д, е, ж, и, тем самым увеличивает соотношение «сигнал - шум». Благодаря чему воздействие сил Кориолиса сводится к минимуму. Буртик представляет собой плоское кольцо определенной жесткости, которое может повторять стоячую волну резонаторов за счет колебаний как на изгиб, так и на скручивание. Плоская конструкция буртика позволяет все датчики выполнять тоже плоскими, т.е. более линейными, а также точно определять линию симметрии датчиков, т.е. более точно суммировать синусоиды возбуждения внутри буртика, а не на резонаторах. Соответственно измеритель нулевого сигнала тоже будет мерить стоячую волну буртика. Схема колебаний в плоском резонаторе с буртиком представлена на фиг.6.
Техническим результатом испытаний заявленной конструкции гироскопа на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны является улучшение соотношения «сигнал - шум», что повысило точность измерения угла поворота и угловой скорости вращения объектов в несколько раз по сравнению с прототипом.
Зявленная полезная модель может быть изготовлена на приборостроительном предприятия, имеющем соответствующее оборудование и может быть использована в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления. Применение заявленной полезной модели позволит повысить разрешающую способность и точность измерения угла поворота, что особенно важно для высокоманевренных подвижных объектов.