ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГИРОСКОПА
GYROSCOPE SENSOR

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами и предназначено для измерения угловой скорости ультразвуковым методом.
Известные лазерные и волоконно-оптические гироскопы (Сысоева С. «Автомобильные гироскопы», Компоненты и технологии, №1, 2007, www.kit-e.ru/archive.php?year=2007&number=1) 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 точностью, достаточной в условиях поставленной задачи.
Известно устройство для измерения угловой скорости с помощью объемных акустических волн (патент №2397445, МПК G01P 3/44, опуб. 28.08.2010), основанное на регистрации ортогональной компоненты излученной поперечной волны, возникающей в результате действия силы Кориолиса и пропорциональной скорости вращения. Достоинством известного способа является устойчивость к механическим нагрузкам. Недостаток способа - повышенный уровень помех, связанный с тем, что сложно выделить информативную составляющую из одновременно поступающих на приемник ортогональных составляющих и излученной объемной поперечной волны.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для измерения скорости вращения с малым уровнем шума.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый чувствительный элемент гироскопа, также как и известное устройство, содержит твердотельный звукопровод, выполненный из изотропного материала и имеющий форму, обеспечивающую распространение объемных акустических волн, и содержит два акустических преобразователя, один из которых, излучающий преобразователь поперечных волн, установлен на одном из концов звукопровода. Но, в отличие от известного устройства, грань звукопровода, расположенная напротив конца с излучающим преобразователем, выполнена ориентированной параллельно вектору поляризации излученной поперечной волны и расположена под углом к направлению распространения упомянутой волны, обеспечивающим нормальное падение возникающей отраженной продольной волны на боковую грань с расположенным на ней приемным преобразователем продольных волн.
Техническим результатом является уменьшение уровня шумов. Это достигается за счет пространственного разделения продольной и поперечной составляющей волны при отражении от наклонной грани и за счет поляризационного разделения приемного преобразователя, позволяющего фиксировать только продольную компоненту колебаний, что обеспечивает снижение уровня посторонних сигналов (шумов).
Технический результат достигается за счет того, что при отсутствии вращения вокруг оси, совпадающей с направлением распространения поперечной волны, объемная акустическая поперечная волна, возбуждаемая излучающим преобразователем, расположенным на одном из торцов звукопровода, не принимается приемным преобразователем продольных колебаний, расположенным на боковой грани звукопровода. 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 отражающем скошенном конце создаются колебания с направлением поляризации, параллельным наклонной отражающей грани. Это приводит к тому, что на грань с приемным преобразователем отражается только поперечная волна такой же поляризации, как исходная, и которая не фиксируется приемным преобразователем продольных волн. Малейшее вращение вокруг указанной оси порождает наличие направления поляризации, непараллельной отражающей грани, и, следовательно, появление отраженной продольной волны, фиксируемой приемным преобразователем на боковой грани.
Совокупность признаков, сформулированная в п.2 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором боковая поверхности звукопровода имеет поверхностную обработку, обеспечивающую гашение паразитных колебаний.
Совокупность признаков, сформулированная в п.3 формулы изобретения, характеризует чувствительный элемент гироскопа, в котором боковая поверхностная обработка выполнена в виде канавок. Такая обработка 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.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства, на фиг.2 - показана схема формирования ортогональной компоненты акустической волны, возникающей при вращении за счет действия силы Кориолиса, а на фиг.3 - продольный разрез предлагаемой реализации чувствительного элемента гироскопа.
На фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента гироскопа, содержащего излучающий преобразователь акустической объемной поперечной волны 1 на одном конце твердотельного звукопровода 2, представляющего собой параллелепипед с поверхностной обработкой боковых граней 3 в виде канавок, обеспечивающей гашение паразитных колебаний, и с другим концом в виде наклонной грани 4, угол наклона которой обеспечивает нормальное падение отраженной продольной составляющей волны на приемный преобразователь продольных колебаний 5, расположенный на боковой грани звукопровода. Поверхностная обработка граней 3, например, канавки, сверления, шероховатости или покрытия, позволяет исключить погрешности, связанные с многократным переотражением сигнала от граней звукопровода, что повышает чувствительность устройства. Излучающий преобразователь 1, расположенный на одном из концов звукопровода, генерирует в звукопроводе объемную поперечную акустическую волну, направление поляризации которой параллельно наклонной отражающей грани 4 звукопровода. При отражении такой поперечной волны появляется только поперечная волна такой же поляризации и приемный преобразователь 5, находящийся на боковой грани звукопровода и являющийся приемником только продольных волн, не будет детектировать колебаний. При наличии вращения звукопровода, в результате действия силы Кориолиса, при распространении объемной поперечной акустической волны в звукопроводе возникают вторичные колебания в поперечной волне, приводящие к непараллельности направления поляризации к грани и, следовательно, к появлению продольной составляющей колебаний, фиксируемых приемным преобразователем.
В качестве технологических изотропных материалов при изготовлении устройства, соответствующего изобретению, для звукопровода и преобразователей могут использоваться, например, плавленый кварц и термостабильное стекло. Использование изотропного материала позволяет снизить стоимость устройства, как за счет меньшей стоимости материала звукопровода, так и снижения затрат на его изготовление.
с
0
C
Формирование вторичных колебаний ξ частотой ω для объемной поперечной акустической волны, распространяющейся вдоль оси вращения звукопровода X, проиллюстрировано на фиг.2. Поляризация волны, определяемая излучающим преобразователем, совпадает с осью Z, т.е. смещения частиц ξ среды лежат в плоскости YOZ. Если тело подвергнуть вращению вокруг оси X 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.
0
0
C
t
l
Первичные колебания ξ не приводят к появлению продольной составляющей волны при отражении от грани, параллельной вектору этих колебаний. Суммарное колебание первичных ξ и вторичных ξ колебаний имеют линейную поляризацию, направление которой изменяется при вращении звукопровода и становится непараллельным его проекции на скошенную грань звукопровода, что приводит при отражении излученной волны от наклонного конца звукопровода к появлению не только поперечной составляющей ξ, но и продольной составляющей волны ξ (фиг.3).
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложен новый чувствительный элемент гироскопа на объемных волнах, в основе которого лежит иной принцип измерения угловой скорости. При этом достигается технический результат - уменьшение уровня шумов - за счет отличающих конструктивных элементов, наклонной грани и приемного преобразователя продольной волны, расположенного в области падения продольной волны на боковую грань звукопровода, которые обеспечивают пространственное и поляризационное отделение информативной продольной составляющей волны. Дополнительно в изобретении реализуется возможность использования непрерывного режима излучения, что приводит к возможности использования больших коэффициентов усиления при дальнейшей обработке сигнала с чувствительного элемента гироскопа.