КРИОГЕННЫЙ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 1997 года по МПК G01C19/00 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано для измерения углового ускорения, угловой скорости и угла поворота объекта в навигационных системах и для управления движущимися объектами.

Известен криогенный гироскоп, содержащий систему охлаждения, систему магнитного экранирования, оптическую систему съема информации, корпус и установленный в корпусе магнитный сверхпроводящий подвес, статор ротора, датчик момента, вращающийся, взвешенный в подвесе сверхпроводящий ротор [1]
Если в этом приборе соединить через усилитель обратной связи датчик съема информации с датчиком момента, то получим криогенный гироскоп с механическим носителем кинетического момента датчик угловой скорости.

Недостатки такого гироскопа сложность конструкции и невысокая надежность из-за наличия вращающегося ротора.

Известен криогенный ядерный магнитно-резонансный гироскоп датчик угловой скорости, содержащий систему охлаждения, систему магнитного экранирования, систему съема информации со сквид-магнитометром, систему поляризации, систему ориентации основного поля, систему опорного сигнала высокой частоты, корпуса, рабочую ячейку из кварца со смесью газов ³He и ⁴He [2] Этот гироскоп принимаем за прототип.

Недостатками прототипа являются:
сложный состав входящих в криогенный ядерный гироскоп систем. Кроме систем охлаждения, экранирования, съема информации со сквид-магнитометром, в него входят: система ориентации магнитного поля, система поляризации ядер ³He, система опорного сигнала высокой частоты;
высокие требования к конструкции элементов прибора. Например, рабочая сферическая ячейка должна иметь внутреннюю сферу с несферичностью 0,1 мкм, а ее смещение от центра не должно превышать 0,1 мкм, стенки ячейки должны быть покрыты тонким слоем твердого водорода. Высокие требования предъявляются к стабильности и однородности магнитного поля, а следовательно, и к катушкам, которые его создают;
необходимость в связи с релаксацией ориентированных ядер проводить их периодическую поляризацию. В процессе поляризации и некоторое время после поляризации прибор неработоспособен. Поэтому необходимо иметь двойную комплектацию, один комплект работает, другой поляризуется;
в качестве опорного сигнала используется генератор высокой частоты со стабильностью порядка 10^-15, что само по себе является необычайно сложной задачей.

Цель изобретения упрощение конструкции и повышение надежности криогенного гироскопа датчика угловой скорости.

Указанная цель достигается тем, что в криогенном гироскопе датчике угловой скорости, содержащем систему охлаждения, систему съема информации со сквид-магнитометром, корпус, в корпусе установлены жестко связанные с ним дополнительный цилиндрический сверхпроводящий электрически разомкнутый экран и ферромагнитный стержень, при этом ферромагнитный стержень установлен внутри экрана.

Ферромагнитный стержень имеет диаметр, составляющий 0,9-0,98 внутреннего диаметра цилиндрического экрана.

Дополнительный цилиндрический экран длиной, не превышающей длину ферромагнитного стержня, с торцов закрыт сверхпроводящими пробками-экранами с отношением высоты зазора между экраном и пробкой к длине пробки не менее 1: 10. По всей образующей экрана выполнена щель с отношением высоты поперечного сечения к длине щели не менее 1:0, проницаемость μ ≥ 200.
На цилиндрической разомкнутый экран нанесена сверхпроводящая обмотка, индуктивно связанная со сквид-магнитометром.

В контур трансформатора потока дополнительно введена вторичная обмотка трансформатора, первичная обмотка которого подключена к генератору с частотой не менее чем в 10 раз более высокой, частота, при которой начинается увеличение шума 1/f.

Ферромагнитный стержень изготовлен из монокристалла, при этом ось легкого намагничивания совпадает с осью стержня. Ферромагнитный стержень покрыт слоем немагнитного материала с низким сопротивлением при рабочей температуре, например медью.

Сущность изобретения заключается в том, что в соответствии с известным эффектом Барнетта ((S.J. Barnett. Gyromagnetic and Electron-Jnertia effects //Rev. Mod. Physics, 1935, v. 7, p. 129-166) в ферромагнитном стержне при его вращении вокруг своей оси возбуждается магнитное поле, индукция которого прямо пропорциональна скорости вращения. Это поле небольшое, и для его наблюдения необходимы эффективное магнитное экранирование и применение сквид-магнитометра, что обеспечивается наилучшими способом при применении криогенной техники.

Магнитное поле эффекта Барнетта так же, как и в прототипе ядерном гироскопе, пропорционально угловой скорости объекта. Если выходной сигнал продифференцировать, то получим угловое ускорение, а если проинтегрировать - угол поворота объекта.

На фиг. 1 показана простейшая схема ферромагнитного гироскопа; на фиг. 2 более сложная; на фиг. 3 разрез экрана по пробке и ферромагнитному стержню.

На чертежах изображены: корпус 1, внутренний сверхпроводящий экран 2, криостат 3, цилиндрический экран 4, разомкнутый электрически, ферромагнитный стержень 5, сверхпроводящая обмотка 6, входная катушка сквида 7, сквид 8, электронный блок сквида 9, выключатель сверхпроводимости 10, пробка-экран 11, трансформатор 12, трансформатор 13, выключатель сверхпроводимости 14, источник переменного тока 15.

В простейшей схеме (фиг. 1) корпус 1 помещен внутрь системы магнитного экранирования и жестко связан с внутренним сверхпроводящим экраном 2. Система магнитного экранирования, кроме экрана 2, имеет внешние ферромагнитные экраны или кольца Гельмгольца, радиочастотные экраны (не показаны).

Корпус 1 вместе с экраном 2 помещен в криостат системы охлаждения 3 и жестко связан с ним. Внутри корпуса 1 установлен цилиндрический, электрически разомкнутый сверхпроводящий экран 4, внутри него ферромагнитный стержень 5. Вокруг стержня 5 намотана обмотка 6, индуктивно связанная через входную катушку сквида 7 со сквидом 8. Выход сквида 8 соединен с электронным блоком 9. Сверхпроводящий контур 6-7 содержит выключатель сверхпроводимости 10.

Принципиально возможно вместо обмотки 6 использовать экран 2, к которому с помощью сверхпроводящего соединения подключена входная катушка сквида 7 (к месту разреза экрана 2).

Все устройство охлаждается до температуры сверхпроводимости внутри ферромагнитных экранов (или колец Гельмгольца) в практически нулевом магнитном поле. В сверхпроводящее состояние переходят: внутренний сверхпроводящий экран 2, дополнительный цилиндрический экран 4, обмотка 6 и входная катушка сквида 7, сквид 8, соединительные провода обмотки 6 и катушки 7. Включается и выключается выключатель сверхпроводимости 10. Прибор готов к работе. При появлении угловой скорости вокруг оси X-X в ферромагнитном стержне 5 возбуждается магнитное поле эффекта Барнетта B_Б. Это поле пересекает витки сверхпроводящей обмотки 6 и создает ток в короткозамкнутом контуре, состоящем из сверхпроводящей обмотки 6, сверхпроводящей входной катушки сквида 7. Ток, протекая по катушке 7, создает магнитный поток, который измеряется сквидом 8, а сигнал со сквида 8 усиливается электронным блоком 9.

Простейшая схема (фиг. 1) работоспособна, однако ее чувствительность не очень велика. Это связано с тем, что обмотка 6 имеет большую индуктивность, так как намотана на ферритовый сердечник с магнитной проницаемостью μ. Это уменьшает ток в короткозамкнутом контуре и, следовательно, поток, который доходит до сквида. Кроме того, магнитный шум ферромагнитного стержня непосредственно связан с обмоткой 6 и, следовательно, со сквидом 9, т.е. коэффициент передачи магнитного потока невелик. Более сложная схема лишена этих недостатков, и, кроме того, в нее внесен ряд дополнительных усовершенствований, повышающих ее надежность и чувствительность к угловой скорости.

На фиг. 2 и 3 корпус 1 установлен внутри системы магнитного экранирования и жестко связан с внутренним сверхпроводящим экраном 2. Система магнитного экранирования, кроме экрана 2, содержит внешние ферромагнитные и радиочастотные экраны и (или) кольца Гельгольца (не показаны). Корпус 1 вместе с экраном 1 помещен в криостат 3 системы охлаждения. Внутри корпуса 1 установлен жестко связанный с ними дополнительный магнитный сверхпроводящий экран 4, электрически разомкнутый, с длиной, которая не превышает длины стержня 5, со щелью вдоль всей образующей, с отношением высоты зазора к длине щели не менее 1:10 (фиг. 3б). Внутри экрана 4 установлен ферромагнитный стержень 5, жестко связанный с экраном 4. Стержень имеет диаметр 0,9-0,98 от внутреннего диаметра экрана 4. Стержень 5 имеет относительную магнитную проницаемость m ≥ 200,, он может быть изготовлен из монокристалла, а ось легкого намагничивания совпадает с осью стержня. Поверхность стержня может быть покрыта материалом с низким сопротивлением, например медью. Экран 4 с торцом закрыт пробками 11 экранами с отношением высоты зазора между экраном 4 и пробкой 5 к длине пробки не менее чем 1:10.

На экран 4 нанесена обмотка 6 из сверхпроводящего провода, она соединена в короткозамкнутый сверхпроводящий контур с первичной обмотки трансформатора 12. Размыкается этот контур выключателем сверхпроводимости 10. Вторичная обмотка трансформатора 12 образует вместе со вторичной обмоткой трансформатора 13 и входной катушкой сквида трансформатор потока (сверхпроводящий короткозамкнутый контур), который размыкается выключателем сверхпроводимости 14. Входная катушка 7 индуктивно связана со сквидом 8. Сигнал со сквида подается на электронный блок 9. Трансформатор 13 соединен с источником переменного тока 5 частотой не менее чем в 10 раз более высокой, чем частота начала увеличения шума 1/f (0,1-10 Гц).

Все устройство вместе с криостатом 3 помещается внутрь внешних экранов системы магнитного экранирования (ферромагнитные экраны или кольца Гельмгольца) и охлаждается в практически нулевом магнитном поле до состояния сверхпроводимости. В сверхпроводящее состояние переходят внутренний сверхпроводящий экран 2, цилиндрический экран 4, пробки-экраны 11, обмотка 6, обмотки трансформаторов 12 и 13, входная катушка сквида 7, сквид 9. После этого включаются и выключаются выключатели сверхпроводимости 10 и 14, обнуляется сквид 8. Прибор готов к работе. При наличии угловой скорости вокруг оси X-X все устройство вместе с ферромагнитным стержнем 5 поворачивается, и в стержне 5 возбуждается магнитное поле с индукцией B_Б (в соответствии с соотношением Барнетта). Магнитный поток пересекает обмотку 6 и создает ток в короткозамкнутом контуре обмотка 6 первичная обмотка трансформатора 12. Поток передается через второй сверхпроводящий короткозамкнутый контур на сквид 8.

Согласно соотношению эффекта Барнетта
,
где B_Б магнитная индукция эффекта Барнетта (см. например: J.B. Hendricks. et al. Magnetization by rotation the Barnett effect in surconductor //J. of Low Temperat. Physics, 1971, v. 4, N 2, p. 209-229, где есть пример испытания ферритового стержня на эффект Барнетта);
μ магнитная проницаемость стержня, безразмерная, относительно m_e, e, масса и заряд электрона;
W угловая скорость.

Таким образом, чем больше m, тем больше B_Б. Мы выбрали в качестве критерия m ≥ 200 из соображения, чтобы индукция эффекта Барнетта была близка к индукции в ядерном магнитно-резонансном гироскопе, хотя это не обязательно.

Зависимость индукции в ядерном магнитно-резонансном гироскопе имеет вид
,
где M_p масса протона, q заряд. Но отношение примерно в 1000 раз больше .

За счет ряда факторов (повышение чувствительности сквида, увеличение коэффициента передачи потока, применение материала с большим μ) сигналы от B_Б и B_ямрг могут быть сделаны равными. Выбранный критерий m ≥ 200 это минимальное значение проницаемости для ферромагнитного гироскопа в настоящее время. Прогресс в технике может этот минимум уменьшить.

Размер стержня 0,9-0,98 взят из следующих соображений: в этом зазоре должно лежать медное покрытие, увеличение зазора приведет к снижению магнитного поля на внутренней поверхности разомкнутого экрана, и, следовательно, к уменьшению экранирующего (компенсирующего поля) тока, и, следовательно, к уменьшению коэффициента передачи магнитного потока от стержня к сквиду.

Отношение высоты зазора к длине щели 1:100 для сверхпроводящих устройств обеспечивает коэффициент экранирования не менее 10⁶.

Для передачи потока от стержня на внешнюю поверхность экрана 4 необходимо, чтобы весь ток, протекающий по внутренней поверхности экрана 4, замыкался по его наружной поверхности. Для этого сделана щель в экране. Эта идея использована в компараторах тока (см. например: Harvey I.K. //Rev. Sci. Inst. 1972, v. 43, p. 1626).

Для того, чтобы весь ток протекал по наружной поверхности, необходимо, чтобы внутри не было путей замыкания тока. Это может быть сделано, если вся внутренняя поверхность экрана находится в поле стержня 5. Поэтому длина экрана 4 не должна превышать длины стержня (фиг. 2).

Так как весь ток, компенсирующий поле Барнетта, течет по наружной поверхности экрана, то целесообразно обмотку 6 мотать на него. Это позволит в μ раз уменьшить индуктивность этой обмотки по сравнению с фиг. 1 и, следовательно, увеличить ток в обмотке и коэффициент передачи магнитного потока в сквид.

Известно, что на низких частотах порядка 0,1-10 резко возрастает собственный шум сквида. Это так называемый шум 1/f
Частота измеряемых угловых скоростей обычно лежит ниже этого диаметра. Для ухода в область белого шума, характеристика которого прямая параллельная оси частот, низкочастотный сигнал со стержня модулируется частотой от источника переменного тока 15 через трансформатор 13. В электронном блоке сквида 9 происходит демодуляция сигнала, для чего в него от источника 15 подается опорная частота.

Для повышения относительной магнитной проницаемости m целесообразно для стержня использовать монокристалл ферромагнитного материала, а ось легкого намагничивания монокристалла совместить с осью стержня.

Ферромагнитный материал "шумит". Для уменьшения шума целесообразно стержень покрыть неферромагнитным материалом с низким омическим сопротивлением, например медью. Тогда возникающие магнитные шумы в этом покрытии возбудят вихревые токи, которые возбудят магнитные потоки, противоположные "шумам", часть шумов с высокой частотой будет исключена, а с более низкой частотой уменьшена. Толщина слоя определяется соотношением для скин-эффекта
,
где d толщина слоя металла;
r удельное сопротивление металла покрытия для меди при 4,2 K ;
μ магнитная проницаемость (для меди μ = μ_o= 4π•10^-7Гн•м^-1);
ω круговая частота шума. (В слое меди толщиной 1 мм "гасятся" частоты до f≈250 Гц и ослабляются более низкие частоты.)
Рассмотрим возможность реализации криогенного ферромагнитного гироскопа исходя из современных данных.

Основное выражение эффекта Барнетта
,
где m_e, e это фундаментальные постоянные. Их отношение . Повышение B_Б возможно только за счет увеличения μ. Экспериментов с эффектом Барнетта, из которых можно определить m, очень мало. В работе J.B. Hepdricks et al. "Magnetization by rotution the Barnett effect in surecnductos" показано, что феррит неизвестного происхождения имел m ~ 20. В работе Г.Рейнбот "Магнитные материалы и их применение " (Л. Энергия, 1974, рис. 1.21, с. 27) приведены данные для температурной зависимости μ_нач(T). Поле эффекта Барнетта даже при 1 Гц составляет для μ ≈ 1000 тысячные доли Эрстеда, и поэтому нас интересует μ_нач. Для температуры 4,2 К для трех пермаллоев равно ≈10⁴, 2•10⁴, 5•10⁴.

Известно, что чувствительность современных сквидов составляет уже 10^-6 Ф_o; φ_o квант потока, Ф_o-2•10^-15 В_Б (Кларк Дж. Принцип действия и применение СКВИДов. ТИИЭР /Тр. Ин-та инженеров по электронике и радиоэлектронике, т. 77, 1989 N 8, с. 118-137). При оценках мы будем принимать чувствительность 10^-5 Ф_o оставляя некоторый запас по чувствительности.

При расчетах будем брать площадь S стержня и дополнительного экрана равными 10^-3 м² (диаметр ≈3,5•10^-2 м), коэффициент передачи магнитного потока K 10^-3 (практически он находится в диапазоне 10^-3-10^-1), среднее значение 10^-2, но опять, оставляя запас по чувствительности, возьмем K 10^-3.

Магнитный поток, создаваемый стержнем за сче эффекта Барнетта,
,
до сквида доходит поток
,
он не должен быть меньше шума сквида, равного
Δφ_ш= 10^-5φ_o.

Тогда минимальное, обеспечивающее работу устройства, будет равно
,
для f≈10^-5 Гц получим μ_min≥50
Таким образом, для принятого сочетания параметров относительная магнитная проницаемость должна быть больше 50. В качестве критерия с запасом возьмем μ≥200.
Учитывая, что применение ферромагнитного стержня без покрытия на порядок повысит шум, угловая скорость, которая может быть определена простейшей схемой, будет
.

Таким образом, простейшая схема вполне работоспособна и является криогенным ферромагнитным гироскопом датчиком угловой скорости с достаточно высокой чувствительностью.

В криогенном ферромагнитном гироскопе предложены новые технические решения, которые позволят повысить чувствительность прибора. Покажем более подробно движение магнитного потока от ферромагнитного стержня к сквиду.

Магнитный поток, созданный эффектом Барнетта:
,
Этот поток создает ток, протекающий по внутренней поверхности экрана, равный
,
где L_э индуктивность дополнительного цилиндрического разомкнутого экрана.

Ток I_э, протекая по наружной поверхности экрана, создает новый магнитный поток, практически равный (если радиус экрана равен радиусу стержня, т.е. R_э R_с) потоку эффекта Барнетта:
Δφ_э≈ I_эL_э= Δφ_Б.

Поток Δφ_э в обмотке 6, намотанной на экран, возбудит ток
,
где L₆-индуктивность обмотки 6;
L₁₂₁ индуктивность первичной обмотки трансформатора 12.

Ток I₆, протекая по первичной обмотке трансформатора 12, создает поток Δφ₁₂₁, который при коэффициенте взаимной индуктивности трансформатора 12-M₁₂ создает ток в контуре со входной катушкой сквида 7, равный
,
где L₁₂₂ индуктивность вторичной обмотки трансформатора 12;
L₁₃₂ индуктивность вторичной обмотки трансформатора 13.

Поток, который будет "передан" сквиду, составит
,
где
,
где L_с и M_с индуктивность сквида и коэффициент взаимной индуктивности сквида и входной катушки.

Итак, поток, измеренный сквидом, равен
,
т. е. пропорционален угловой скорости вращения объекта, с которым жестко связан стержень, т.е. предлагаемое устройство является гироскопом датчиком угловой скорости.

Если принять чувствительность сквида 10^-5 Ф_о, коэффициент связи K 10^-2, относительную магнитную проницаемость μ = 200, то средняя потенциальная чувствительность прибора будет не менее
.

При этом сохраняется запас по: чувствительности сквида на порядок; увеличению площади стержня в 2 раза; увеличению относительной магнитной проницаемости.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет создать новый тип криогенного гироскопа без механического носителя кинетической энергии. Он проще и надежнее своего прототипа криогенного ядерного магнито-резонансного гироскопа, то есть обеспечивает положительный эффект.

Требования к общим с прототипом системам (охлаждения, магнитного экранирования, съема информации со сквид-магнитометром) одинаковые.

Криогенный ферромагнитный гироскоп не содержит систему ориентации магнитного поля, системы поляризации ядер, устройства опорной частоты.

Он конструктивно проще это неподвижный ферромагнитный стержень внутри сверхпроводящего экрана. Нет стекла, не предъявляются жесткие требования к конструкции стержня и его установке. Нет релаксации сигнала, не нужна двойная комплектация.

Дифференцирование сигнала или интегрирование позволяют получить, соответственно, угловое ускорение или угол поворота объекта.

Прибор принципиально может работать и в условиях температуры жидкого азота, то есть с высокотемпературными сверхпроводящими системами магнитного экранирования и съема информации с ВТСП сквидом.

Использование: для измерения углового ускорения, угловой скорости и угла в навигационных системах и управления движущимися объектами. Сущность изобретения: криогенный ферромагнитный гироскоп содержит систему охлаждения, систему магнитного экранирования, систему съема информации со сквид-магнитометром, трансформатор потока, выключатель сверхпроводимости и корпус с установленным в нем и жестко связанным с ним дополнительным цилиндрическим сверхпроводящим электрически разомкнутым экраном и ферромагнитным стержнем, установленным внутри экрана. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Криогенный ферромагнитный гироскоп, содержащий систему охлаждения, систему магнитного экранирования, систему съема информации со сквид-магнитометром, трансформатор потока, выключатель сверхпроводимости, корпус, отличающийся тем, что в корпусе установлены жестко связанные с ним дополнительный цилиндрический сверхпроводящий электрический разомкнутый экран и ферромагнитный стержень, при этом ферромагнитный стержень установлен внутри экрана. 2. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что на дополнительный цилиндрический сверхпроводящий электрически разомкнутый экран установлена сверхпроводящая обмотка, индуктивно связанная со сквид-магнитометром. 3. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что в контур трансформатора потока дополнительно введена вторичная обмотка трансформатора, первичная обмотка которого подключена к генератору с частотой не менее чем в 10 раз более высокой частоты, при которой начинается увеличение шума сквид-магнитометра 1/f. 4. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что диаметр ферромагнитного стержня составляет 0,9 0,98 внутреннего диаметра дополнительного цилиндрического сверхпроводящего электрически разомкнутого экрана, а относительная магнитная проницаемость ферромагнитного стержня μ > 200.
5. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный цилиндрический сверхпроводящий электрически разомкнутый экран выполнен длиной, не превышающей длины ферромагнитного стержня, и снабжен расположенными с торцов сверхпроводящими пробками-экранами с отношением высоты зазора между дополнительным цилиндрическим сверхпроводящим электрически разомкнутым экраном и сверхпроводящей пробкой-экраном к длине зазора не менее 1:10, а по образующей дополнительного цилиндрического сверхпроводящего электрически разомкнутого экрана выполнена щель с отношением ее высоты к длине не менее 1:10. 6. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что ферромагнитный стержень изготовлен из монокристалла, при этом ось легкого намагничивания совпадает с осью стержня. 7. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что ферромагнитный стержень покрыт слоем немагнитного материала с низким омическим сопротивлением при рабочей температуре. 8. Гироскоп по п. 7, отличающийся тем, что ферромагнитный стержень покрыт слоем меди.