ДВУХСТЕПЕННОЙ ПОПЛАВКОВЫЙ ГИРОСКОП
TWO DEGREES OF FREEDOM FLOAT GYROSCOPE

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных поплавковых гироскопов.
Известен гироскоп [1], содержащий герметичный корпус, сферический ротор, систему электростатического подвеса ротора, включающую электроды, установленные попарно на внутренней поверхности корпуса вдоль трех взаимно перпендикулярных осей прибора и электронный блок управления положением ротора относительно электродов, систему разгона ротора, систему поддержания вакуума внутри корпуса, систему измерения углового положения ротора относительно корпуса.
Недостатком гироскопа является малая устойчивость к внешним механическим воздействиям, вследствие относительно малой перегрузочной способности электростатического подвеса.
Известен двухстепенной поплавковый гироскоп [2].
Гироскоп содержит герметичный корпус, цилиндрическую поплавковую камеру с гиромотором, установленную в жидкости внутри корпуса. Устройство центрирования камеры относительно корпуса (бесконтактный подвес поплавковой камеры электромагнитного типа), имеет два конусных ротора, размещенные по торцам камеры и два статора, установленных на соответствующих торцевых крышках. Обмотки статоров подключены к блоку управления положением камеры относительно корпуса. На внешней цилиндрической части корпуса размещены обмотка обогрева и обмотка термодатчика. На торцевой крышке установлен сильфон для компенсации объемных расширений жидкости.
Недостатком гироскопа является малая точность, обусловленная нестабильностью момента, действующего со стороны электромагнитного подвеса. Причиной нестабильности момента является нестабильность параметров материала - феррита, применяемого для изготовления элементов подвеса, его чувствительность к изменениям внешних условий. На параметры феррита оказывают влияние:
- деструкция материала;
- корреляция последующих и предыдущих состояний материала;
- температура окружающей среды и ее изменения;
- вибрационные и ударные воздействия;
- магнитные поля и их изменения. Источники полей могут находиться, как в гироскопе, так и вне его.
Все эти факторы, вступающие во взаимодействие друг с другом в различных комбинациях и пропорциях, к тому же имеющие разную степень влияния на параметры материала, а через эту зависимость - на силы и моменты, приложенные к поплавковой камере, превращают выходные параметры прибора в случайные величины. Точность гироскопа уменьшается.
Известен также двухстепенной поплавковый гироскоп [3], который принимаем за прототип.
Гироскоп содержит герметичный корпус с двумя торцевыми крышками, цилиндрическую поплавковую гирокамеру, установленную в корпусе на камневых опорах. Зазор между корпусом прибора и поплавковой камерой заполнен жидкостью с удельным весом, близким к удельному весу камеры. Жидкость обеспечивает гидростатическую разгрузку камневых опор. На внешней цилиндрической части корпуса размещены обмотка обогрева и обмотка термодатчика, подключенные к блоку регулирования температуры прибора. Датчик угла, датчик момента установлены по оси подвеса камеры. На торцевой крышке установлен сильфон для компенсации объемных расширений жидкости.
Недостатком гироскопа - прототипа является его малая точность. Указанный недостаток обусловлен:
- наличием момента трения в камневых опорах поплавковой гирокамеры пропорционального ее остаточному весу;
- фактором «переплывания» поплавковой камеры в рабочем зазоре, сопровождающийся изменением во времени величины момента, действующего в подвесе при механических контактах в камневых опорах.
Задачей настоящего изобретения является совершенствование конструкции поплавкового двухстепенного гироскопа.
Достигаемый технический результат - повышение точности двухстепенного поплавкового гироскопа.
Поставленная задача решается тем, что в известном двухстепенном поплавковом гироскопе, содержащем корпус с двумя торцевыми крышками, цилиндрическую поплавковую гирокамеру, установленную в корпусе на камневых опорах, поддерживающую жидкость заполняющую зазор между корпусом гироскопа и поплавковой гирокамерой, обмотку обогрева и обмотку термодатчика, размещенные на наружной цилиндрической поверхности корпуса, датчик угла, датчик момента, внутри корпуса, соосно с ним устанавливается цилиндр. На внутренней поверхности этого цилиндра вдоль поплавковой камеры изолированно от корпуса установлены две идентичные системы из m электродов, где m=2(n+2), n=1,2…, жестко связанных с цилиндром. Геометрический центр поверхности плоской развертки одной системы электродов лежит по одну сторону от плоскости, перпендикулярной продольной оси гироскопа, делит цилиндрическую поверхность встроенного цилиндра на две равные части, при этом, он симметричен геометрическому центру поверхности плоской развертки второй системы.
Предлагаемое изобретение поясняется рисунками фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен общий вид прибора. На фиг. 2 приведена развертка цилиндра с электродами. На фиг. 3 приведена функциональная схема одного из каналов подвеса.
Предлагаемый гироскоп 1 (фиг. 1) состоит из корпуса 2 с двумя торцевыми крышками 3, 4; цилиндра 5 (цилиндр 5 выполнен из материала с электроизоляционными свойствами, например, из керамики), установленного внутри корпуса 2 соосно с ним; цилиндрической поплавковой гирокамеры 6, установленной внутри корпуса 2 соосно с цилиндром 5 на ограничительных камневых опорах 7. На внутренней поверхности цилиндра 5 вдоль цилиндрической поверхности поплавковой камеры 6 установлены две идентичные системы из m электродов, где m=2(n+2), n=1,2…, жестко связанных с цилиндром 5.
1
1
2
2
1
1
1
1
На фиг. 2 показана развертка цилиндра для n=2, содержащая электроды 8-11 (8-11). Противолежащая пара электродов в каждой системе (на фиг. 3 пара 8, 10 и пара 9 и 11) подключена к соответствующему блоку управления (на фиг. 3 к блокам управления 17 и 18) положением поплавковой гирокамеры 6 относительно соответствующих электродов. Каждый блок управления, например, блок 17 содержит схему 19 измерения перемещения камеры 6 относительно этих электродов (емкостной датчик перемещения), высоковольтный усилитель 20, генератор 21 для питания датчика перемещения. Принцип построения генератора 21, датчика 19 и усилителя 20 аналогичны принципу построения устройств, приведенных в [1].
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
1
1
2
2
1
1
1
2
2
2
Электроды 8 и 10, 9 и 11, 8 и 10, 9 и 11 с соответствующими блоками управления образуют четырехканальный радиальный электростатический подвес камеры 6 относительно двух взаимно перпендикулярных осей OY(OY), OZ(OZ) (фиг. 2). Оси OYZ связаны с системой электродов, установленных вдоль одного торца поплавковой камеры 6. Оси OYZ связаны с системой электродов, установленных вдоль другого торца поплавковой камеры 6.
1
1
1
2
2
2
Для создания угловой жесткости подвеса электроды установлены так, что геометрический центр А поверхности плоской развертки одной системы электродов 8-11 лежит по одну сторону от плоскости OYZ (оси OXYZ - оси, связанные с поплавковой камерой 6), перпендикулярной продольной оси ОХ цилиндра 5 и делящей его поверхность на две равные части, и симметричен геометрическому центру А поверхности плоской развертки второй системы электродов 8-11. При этом предотвращаются угловые перемещения камеры 6 и механический контакт в камневых опорах 7 при действии момента, направленного по оси OY.
Зазор между блоком электродов и поплавковой гирокамерой 6 заполнен жидкостью 12 с удельным весом, близким к удельному весу поплавковой гирокамеры 6.
Опоры 7 необходимы для обеспечения технологичности сборки прибора 1, кроме того, они ограничивают перемещения камеры 6 в рабочем зазоре прибора 1.
На оси камеры 6 установлены датчик 13 угла и датчик 14 момента. Обмотка 15 обогрева и обмотка 16 термодатчика, размещены на наружной цилиндрической поверхности корпуса 2 и подключены к системе регулирования температуры гироскопа 1 (на рисунке не показана). Система регулирования температуры настроена на поддержание температуры в рабочем зазоре гироскопа 1, близкой к температуре нулевой плавучести камеры 6. На торцевой крышке 4 установлен сильфон 22 для компенсации объемных расширений жидкости 12.
В рабочем режиме ось ОХ предлагаемого гироскопа 1 ориентируют в плоскости горизонта. Нагревают гироскоп 1 до заданного значения температуры. При этом основная часть веса поплавковой гирокамеры 6 компенсируется выталкивающей силой жидкости 12 гидростатического подвеса. Остаточный вес поплавковой гирокамеры 6 (разность между весом и выталкивающей силой) компенсируется силой, прикладываемой со стороны электростатического подвеса. Предварительно поплавковую камеру выставляют и фиксируют в положение, в котором механический контакт в камневых опорах отсутствует. Возможность перемещения камеры в рабочем зазоре при действии момента относительно оси OY исключается установкой двух систем электродов, создающих угловую жесткость подвеса.
Точность предлагаемого гироскопа по сравнению с прототипом повышается. Повышение точности обеспечивается:
1. Исключением / уменьшением составляющей погрешности от «переплывания» поплавковой камеры в рабочем зазоре в условиях действующего на гироскоп ускорения, вследствие ее неидеальной балансировки, за счет ее удержания силами электростатического подвеса в заданном относительно электродов положении.
2. Исключением / уменьшением момента трения в камневых опорах 7 при выставке поплавковой гирокамеры 6 в положение, при котором механический контакт в камневых опорах 7 отсутствует.
Кроме того, в гироскопе устранены недостатки, присущие гироскопу с электромагнитным подвесом поплавковой камеры. Электростатический подвес, по сравнению с электромагнитным, не чувствителен к воздействию магнитного поля. Отсутствуют деструкция примененного материала, чувствительность к воздействию вибрационных и ударных нагрузок, изменение параметров материала от включения к включению подвеса, влияние на материал температуры окружающей среды.
Таким образом, достигается заявленный технический результат.
На предприятии ЦНИИ "Электроприбор" предлагаемое устройство изготовлено и испытано. Получены положительные результаты. Разработана техническая документация прибора. В настоящее время происходит процесс ее внедрения для серийного изготовления в производстве двухстепенных поплавковых гироскопов с радиальным электростатическим подвесом поплавковой гирокамеры.
Используемая литература:
1. Малеев П.И. Новые типы гироскопов // Л.: Судостроение, 1971, с. 16.
2. У. Ригли, У. Холлистер, У. Денхард. Теория, проектирование и испытания гироскопов // М.: Мир, 1972, с. 288, 292.
3. Никитин Е.А., Балашова А.Л. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров // М.: Машиностроение, 1968, с. 104, 121.