ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Полезная модель относятся к гироскопическим приборам, и может быть использована в системах управления подвижных объектов различного назначения, а также в качестве индикаторов движения объектов.
Можно выделить четыре основные группы измерителей угловой скорости -микромеханические, лазерные, волоконно-оптические, механические. Самыми высокоточными в данной группе являются механические измерители угловой скорости. В то же время микромеханические измерители угловой скорости обладают меньшими габаритами и на порядок дешевле волоконно-оптических и механических измерителей угловой скорости.
Известен датчик угловой скорости (далее ДУС) [Патент РФ №2276371, G01P 9/04, G01C 19/56, 10.05.2006], содержащий пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем систему вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен к входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, модулятора и выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу выходного усилителя подключена система вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена к входу второго входного усилителя; на выходе фазовращателя образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал, отличающийся тем, что выполнена дополнительная система вторичных датчиков колебаний, расположенных на оси резонатора, перпендикулярной оси, по которой выполнена основная система вторичных датчиков колебаний, введены первый формирователь импульсов, второй формирователь импульсов, логическое устройство И, D-триггер, JK-триггер, генератор тактовых импульсов, выводы основной и дополнительной систем вторичных датчиков колебаний соединены вместе, выход второго входного усилителя подключен к входу первого формирователя импульсов, выход которого подключен к первому входу логического устройства, выход модулятора подключен к входу второго формирователя импульсов, выход которого соединен с вторым входом логического устройства., к синхронизирующему входу D-триггера подключен выход логического устройства, инверсный выход D-триггера соединен с его входом D, прямой выход D-триггера подключен к соединенным вместе J-входу и К-входу JK-триггера, к синхронизирующему входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов; фазовращатель выполнен как фазовый расщепитель с дополнительным выходом сигнала с фазовым сдвигом 180°, выход фазового расщепителя с сигналом с фазовым сдвигом 0° подключен к входу опорного напряжения модулятора, выход фазового расщепителя с сигналом с фазовым сдвигом 90° подключен к входу опорного напряжения первого фазового демодулятора, выход фазового расщепителя с сигналом с фазовым сдвигом 180° подключен к входу опорного напряжения второго фазового демодулятора.
Известен ДУС [Data sheet TG75S-XYZ_DS131125_ru ()] состоящий из прямоугольного металлического основания с тремя выступами, с формированными в них сквозными отверстиями под крепеж. К основанию крепятся четыре стойки, к которым крепиться плата управления с чувствительным элементом емкостного типа. Плата обработки располагается сверху платы управления, на промежуточных стойках зафиксированных на стойках прикрепленных к основанию. Взаимосвязь между платами управления и обработки осуществляется с помощью межплатного разъема. Управление ДУСом и съем информации осуществляется посредствам разъема установленного на крышке. Крышка выполнена таким образом, что формирует корпус прибора, устанавливаясь поверх плат сбора и обработки и фиксируясь с основанием.
Известный ДУС обладает следующими недостатками, приводящими к увеличению ошибки измерения. Использование в конструкции стоек для крепления плат с расположенными на них чувствительным элементом и обрабатывающей электроники при высоких угловых скоростях свыше 100 град/с приводит к возникновению напряжения в основания стоек вследствие действия Кориолисовых сил, что ведет к увеличению напряженности в узлах, последующей деформации конструкции и, соответственно, снижению надежности конструкции и точности измерений. Использование разъема РСГ7ТВ приводит не только к усложнению технического решения, в связи с трудоемкостью операции сборки, но так же и к увеличению габаритно массовых характеристик. Использование в устройстве крышки в качестве корпуса, приводит к увеличению габаритов изделия, что в свою очередь приводит к увеличению габаритов конечного изделия. Так же в конструкции не предусматривается точной установки ДУС на изделие, при условии использования крепежа с максимально возможным диаметром для данной конструкции ДУС, изначально возникает возможность появления ошибки 0,5 градуса, что является не допустимым при использовании ДУСа как высокоточного измерительного устройства.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является микромеханический твердотельный волновой гироскоп (далее - МТВГ) [Патент РФ №146842, G01C 19/56, 02.07.2014] содержащий крышку, основание, а также, по меньшей мере, один чувствительный элемент, плату управления и плату обработки, взаимодействующие через меж платный разъем, и, по меньшей мере, один выходной разъем для управления МТВГ и съема информации, этот чувствительный элемент помещен в глухое отверстие, сформированное в основании, и зафиксирован в нем посредством компаунда, плата обработки и плата управления установлены соответственно в крышке и в основании, которые совместно образуют корпус прибора, выходной разъем для управления МТВГ и съема информации прикреплен к плате обработки и выведен за пределы этого корпуса через отверстие, сформированное в крышке, а зазор между выходным разъемом и крышкой загерметизирован.
Известный МТВГ обладает следующими недостатками. Использование двух плат, большое число крепежных элементов усложняет конструкцию. Использование меж платного разъема приводит к ухудшению шумовых характеристик при воздействии вибрации, что критично для аналогового сигнала и уменьшает виброустойчивость прибора. Использование в качестве чувствительного элемента микромеханического гироскопа кольцевого типа в корпусе с пленарными выводами приводит к увеличению габаритов изделия и усложнению конструкции печатной платы. Все это увеличивает погрешность от снижения жесткости конструкции и неравномерности температурных градиентов.
Техническим результатом от использования предлагаемой полезной модели является повышение точности измерений за счет повышения жесткости и виброустойчивости конструкции и обеспечения равномерности градиента температуры.
Технический результат достигается за счет того, что в измерителе угловой скорости (далее - ИУС) на основе микромеханического гироскопа, содержащем крышку, основание, а так же размещенные между ними, по меньшей мере, один чувствительный элемент, и, по меньшей мере, одну печатную плату, связанную с выходными контактами для управления и съема информации с ИУС, чувствительный элемент жестко установлен на упомянутую плату, выполненную с заданной толщиной и жестко закрепленную к основанию посредством винтов, при этом на обеих плоских сторонах платы сформированы, по меньшей мере, по одному тепло выравнивающему слою, а по всей периферии платы выполнены сквозные отверстия перпендикулярно ее плоскости.
Кроме того, использована плата с толщиной не менее 2 мм.
Кроме того, выходные контакты для управления и съема информации с ИУС осуществлены через гермовыводы («слезки») закрепленные на основании и распаянные на печатную плату.
Полезная модель поясняется чертежами:
На фиг.1 приведен внешний вид ИУС.
На фиг.2 приведено поэлементное устройство ИУС для пояснения последовательности его сборки.
На фиг.3 приведена блок схема ИУС.
На фиг.4 приведена структура печатной платы и расположение ее в основании.
На фиг.5 приведено расположение оси чувствительности относительно осей прибора.
На фиг.1 показано:
1 - крепежные винты ИУС;
2 - основание;
3 - «слезки»;
На фиг. 2 показано:
1 - крепежные винты ИУС;
2 - основание;
4 - печатная плата с элементной базой;
5 - крепежные винты печатной платы;
6 - крышка.
На фиг. 3 показано:
7 - микромеханический гироскоп;
8 - аналого-цифровой преобразователь;
9 - микроконтроллер;
10 - фильтр нижних частот;
11 - аналоговое питание;
12 - цифровое питание;
13 - интерфейс 422.
На фиг. 4 показано:
2 - основание;
4 - печатная плата с элементной базой;
5 - крепежные винты печатной платы;
6 - крышка;
14 - тепло выравнивающие слои;
15 - сквозные отверстия;
16 - чувствительный элемент.
На фиг. 5 показано:
- вектор угловой скорости (ось чувствительности).
Измеритель угловой скорости (далее - ИУС) на основе микромеханического гироскопа, содержит крышку 6, основание 2, а так же размещенные между ними, по меньшей мере, один чувствительный элемент 16, и, по меньшей мере, одну печатную плату 4, связанную с выходными контактами 3 (группы «слезок») для управления и съема информации с ИУС, чувствительный элемент 16 жестко установлен на упомянутую плату 4, выполненную с заданной толщиной и жестко закрепленную к основанию 2 посредством винтов 5, при этом на обеих плоских сторонах платы 4 сформированы, по меньшей мере, по одному тепло выравнивающему слою 14, а по всей периферии платы 4 выполнены сквозные отверстия 15 перпендикулярно ее плоскости.
Для увеличения жесткости может быть использована плата 4 с толщиной не менее 2 мм.
Выходные контакты для управления и съема информации с ИУС могут быть осуществлены через гермовыводы 3 («слезки») закрепленные на основании и распаянные на печатную плату 4.
В соответствии с фигурой 4 в печатной плате 4 сформировано, по меньшей мере, два тепло выравнивающих слоя 14, выведенных на внешнею и внутреннею сторону печатной платы 4 для обеспечения контакта с основанием 2 и крепежными винтами 5 печатной платы 4. В печатной плате сформированы сквозные отверстия 15 по периметру (периферии) печатной платы 4.
Технический результат конструктивно достигается путем использования основания 2 прибора со сформированными в нем отверстиями для крепления и установки печатной платы 4. Крепление печатной платы 4 к основанию осуществляется посредством крепежных винтов 5. Использование одноплатной конструкции минимизирует уровень шумов, а использование винтов 5 в сочетании с печатной платой 4 заданной толщины обеспечивает максимальную жесткость конструкции и ее виброустойчивость. Использование по меньшей мере двух тепло выравнивающих слоев 14 механически контактирующих с основанием 2 и крепежными винтами 5 в сочетании с сквозными отверстиями 15 обеспечивает равномерный градиент температуры по всей поверхности печатной платы 4 и минимизацию механических напряжений вследствие линейного теплового расширения.
Внешний вид ИУС приведен на фигуре 1. Посредствам групп слезок 3 обеспечивается взаимодействие с внешним устройством, питание ИУС, а так же его программирование. Для крепления ИУС на внешний носитель используются крепежные винты 1.
Детальное расположение составных частей ИУС друг относительно друга приведено на фигуре 2. Чувствительный элемент установлен на печатную плату 4 жестко закрепленную с основанием по средствам четырех винтов 5, слезки 3 установленные на основании 2 паяются к печатной плате 4.
На фигуре 3 показан пример блок схемы ИУС из которой видно, что основу чувствительного элемента 16 составляет микромеханический гироскоп 7, информация с которого поступает на микроконтроллер 9, через аналого-цифровой преобразователь 8, где подвергается математической обработке и выдается на выход прибора по протоколу обмена RS 422 13. Из фигуры 3 видно, что ИУС включает в свой состав аналоговые и цифровые блоки, поэтому для минимизации перекрестных помех ИУС имеет два разделенных между собой питания, аналоговой 11 и цифровой 12 части.
В печатной плате 4 фигура 4, сформировано по меньшей мере два тепло выравнивающих слоя 14, перекрывающие всю площадь печатной платы. Так же для равномерного распределения температуры в печатной плате сформированы сквозные отверстия 15, которые могут располагаться по всему периметру платы.
Функционирование ИУС заключается в изменении выходного напряжения вследствие действия угловой скорости вдоль оси чувствительности (фиг 5). При этом выходное напряжение пропорционально физической величине угловой скорости ω. Так же выходное напряжение U(ω, t°) включается в себя: нелинейность масштабного коэффициента, температурную зависимость, систематическую и случайную погрешности
g
где K - масштабный коэффициент гироскопа (коэффициент преобразования между измеряемым напряжением и задаваемой угловой скоростью) [В/(°/с)];
o
U - опорное напряжение гироскопа [В];
iot
K - коэффициенты зависимости опорного напряжения от температуры [В/°С];
jgω
i
K - коэффициент нелинейности гироскопа [В/[°/с]];
jgt
i
K - коэффициенты чувствительности масштабного коэффициента гироскопа к температуре [В/([°/с]·°С);
0
δU - систематическое смещение нуля гироскопа в запуске [В];
δU - случайная шумовая погрешность смещения нуля в запуске [В];
Выполнение прибора в соответствии с конструктивными признаками формулы полезной модели обеспечивает повышение точности измерений за счет уменьшения влияния нелинейности и температурной зависимости, а также систематической и случайной погрешностей на выходной сигнал ИУС при измерении угловой скорости.
Таким образом, от использованием предлагаемой полезной модели достигается технический результат, которым является повышение точности измерений за счет повышения жесткости и виброустойчивости конструкции и обеспечения равномерности градиента температуры.