СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
METHOD OF MEASURING ANGULAR VELOCITY

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.kite.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.
Известен способ измерения угловой скорости с помощью объемных акустических волн (патент №2397445, МПК G01P 3/44, опуб. 28.08.2010), основанный 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. Также к недостаткам относится необходимость работы в импульсном режиме для устранения влияния переотражений на результирующий сигнал, что усложняет систему предварительной обработки сигнала датчика, а также наличие повышенных уровней шумов, появляющихся в связи с необходимостью использования широкополосных трактов.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа для измерения угловой скорости вращения с малым уровнем шума.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ измерения угловой скорости реализуется путем возбуждения в звукопроводе объемной поперечной волны и измерения характеристики объемной акустической волны, пропорциональной скорости вращения. Но в отличие от известного в предлагаемом способе измерения угловой скорости в качестве измеряемой характеристики используют амплитуду продольной составляющей акустической волны, возникающей при отражении излученной поперечной волны от грани, параллельной вектору поляризации поперечной волны и расположенной под углом, не превышающим критического угла к направлению распространения излученной волны.
Техническим результатом является уменьшение уровня шумов. Это достигается за счет пространственного разделения продольной и поперечной составляющей волны при отражении и за счет поляризационного разделения, позволяющего фиксировать только продольную компоненту колебаний, что обеспечивает снижение уровня посторонних сигналов (шумов).
Совокупность признаков, сформулированных в п.2, характеризует способ измерения угловой скорости, в котором предусмотрено излучение объемной поперечной волны в непрерывном режиме в отличие от известного способа, где был только импульсный режим излучения.
Известен характер движения частиц при распространении объемной акустической волны в твердотельном звукопроводе с учетом вращательного движения относительно его оси, вдоль которой распространяется акустическая волна, описанный в известном способе [патент №2397445, МПК G01P 3/44, опуб. 28.08.2010]. Это движение описывается системой уравнений:
где W - относительная частота вращения W=Ω/ω, ν - скорость распространения волны в звукопроводе, ρ - плотность материала звукопровода, p - вектор поляризации, µ - сдвиговой коэффициент Ламэ, j - мнимая единица.
Из уравнения (1) была найдена скорость распространения и направление вектора поляризации колебаний частиц в волне:
Для каждой из волн было получено:
Наличие мнимой единицы свидетельствует о том, что колебания по двум осям (Z и Y) сдвинуты по фазе на 90°, что говорит о круговой поляризации двух видов распространяющихся волн. Следовательно, базовыми волнами являются волны с круговой поляризацией, при этом вращение частиц в этих волнах происходит во взаимно противоположных направлениях. Общий характер движения частиц в волне определяется сложением двух базовых волн.
При распространении из-за разницы скоростей компонент волны характер движения частиц будет изменяться. Было показано (патент №2397445, МПК G01P 3/44, опуб. 28.08.2010), что линейный характер движения при этом сохранится, однако направление колебаний будет непрерывно меняться, что соответствует вращению направления поляризации упругой волны.
При разной скорости распространения акустических волн с различными направлениями поворота векторов смещения, вызванными вращением звукопровода вокруг его оси, на некотором расстоянии х получим фазовый сдвиг между этими двумя составляющими, который можно обозначить как α:
1
2
2
1
(ωt-kx)-(ωt-kx)=kx-kx=α.
Суммарное колебание есть синфазное сложение колебаний по двум осям с амплитудой составляющих, зависящих от фазового сдвига α (или от разницы произведения волновых чисел и расстояния соответственно). Таким образом, сохраняется линейная поляризация волны, однако угол поворота вектора поляризации будет меняться по мере распространения. Действительно, амплитуды смещения по осям Z и Y можно записать:
y
0
z
0
A=2ξcos(α/2), A=2ξsin(α/2).
2
1
2
1
Постоянная разность скоростей определяет и постоянную скорость вращения угла поляризации принимаемой волны. Угол поляризации α=kx-kx=ωx(1/ν-1/ν) можно вычислить, используя (2).
Тогда угол поворота направления поляризации пропорционален угловой скорости вращения и может быть описан формулой:
0
где Δφ - угол поворота, Ω - угловая частота вращения, L - длина звукопровода, ν - скорость распространения волны в отсутствие вращательного движения  ρ - плотность материала звукопровода.
Поворот угла поляризации может интерпретироваться как появление ортогональной составляющей колебаний с амплитудой, пропорциональной sinΔφ.
Угол поворота поляризации мал, то есть амплитуда ортогональной компоненты акустической волны много меньше амплитуды излучаемой компоненты. Поэтому при выделении информативного сигнала для повышения чувствительности способа регистрируют именно ортогональную компоненту, возникающую в результате действия силы Кориолиса при вращении.
Величина ортогональной компоненты колебаний, регистрируемой приемным преобразователем, пропорциональна угловой частоте вращения, не зависит от частоты звуковой волны, определяется временем распространения волны в звукопроводе, как видно из формулы (3).
Изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема устройства, с помощью которого возможно реализовать предлагаемый способ измерения угловой скорости, 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.
Возможная конструкция чувствительного элемента гироскопа (фиг.1) состоит из излучающего преобразователя поперечной волны 1, твердотельного звукопровода 2, имеющего форму параллелепипеда, и приемного преобразователя продольной волны 3.
Излучающий преобразователь, расположенный на одном из торцов звукопровода, генерирует в звукопроводе объемную поперечную акустическую волну в непрерывном режиме в отличие от прототипа, где применялся импульсный режим излучения. Объемная поперечная акустическая волна, генерируемая излучающим преобразователем 1, распространяющаяся в звукопроводе 2 при наличии его вращения (фиг. 1), сопровождается возникновением дополнительной ортогональной компоненты колебаний ξс (фиг. 2).
0
C
Формирование вторичных колебаний ξс 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 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.
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 торца звукопровода к появлению помимо поперечной составляющей ξ продольной составляющей волны ξ (фиг.3), что наглядно показывает пространственное разделение составляющих волны при отражении.
В рассматриваемом примере требуется обеспечить нормальное падение продольной составляющей волны, возникающей при отражении от наклонной грани. Угол наклона грани при этом не должен превышать критический угол, при котором отраженная продольная составляющая волны скользит вдоль отражающей грани. При больших углах продольная составляющая перестает существовать. («Физическая акустика», ред. Мэзон У., том 1А, М., 1964, стр.108). Тогда выбор угла наклона грани может быть определен из следующих соображений.
l
l
t
l
Величины угла отражения продольной волны Θ и угла наклона отражающей грани относительно направления распространения излученной волны звукопровода Θ равны между собой (как углы со взаимно перпендикулярными сторонами), т.е. угол наклона Θ=Θ. При этом угол падения поперченной волны Θ на отражающую грань связан с углом отражения продольной волны Θ следующим выражением:
l
t
Известно, что скорости распространения в среде продольных c и сдвиговых волн c связаны с углами падения и отражения этих волн на границе раздела сред законом Снеллиуса:
l
t
l
Поскольку скорость продольной волны c больше скорости поперечной волны c, то при  перестает существовать действительно решение для Θ, что ограничивает диапазон возможных углов наклона отражающей грани.
Преобразуем выражение (5) с учетом заданного соотношения (4):
Окончательно из выражения (6) находим выражение для определения необходимого угла наклона грани звукопровода относительно направления распространения излученной волны, обеспечивающего рассматриваемое в данном примере нормальное падение продольной волны на боковую грань, параллельную направлению распространения излученной волны:
l
c
Продольная составляющая ξ связана только с вторичной поперечной компонентой ξ, возникающей при вращении. Таким образом, регистрируемая приемным преобразователем продольная составляющая волны пропорциональна скорости вращения.
В качестве технологических материалов при изготовлении устройства, соответствующего изобретению, для звукопровода и преобразователей могут использоваться, например, плавленый кварц и термостабильное стекло.
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложен новый чувствительный элемент гироскопа на объемных волнах. Это доказывает, что достигнут технический результат - уменьшение уровня шумов. Это достигается за счет отделения неинформативных составляющих сигнала и использования непрерывного режима излучения, что приводит к возможности использования больших коэффициентов усиления при дальнейшей обработке сигнала с чувствительного элемента гироскопа.