КОЛЬЦЕВОЙ ГИРОСКОП РАДИОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 1997 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к гироскопическим измерителям абсолютной угловой скорости подвижных объектов: самолетов, вертолетов, ракет, автомобилей и элементов на них колес, турбин, валов, площадок для использования в системах управления как самих объектов, так и их элементов. Характерной особенностью приборов данного типа является то, что они не содержат быстровращающийся ротор гироскопа, а основаны на принципах теории относительности.

Известны волоконно-оптические гироскопы, основанные на вихревом эффекте Саньяка (Савельев А.М. Соловьева Т.И. Волоконно-оптические гироскопы. Обзор //Зарубежная радиоэлектроника, 1982, N 6, с. 55-66; Шереметьев А.В. Волоконный оптический гироскоп. М. Радио и связь, 1987, 152 с.). В волоконно-оптическом гироскопе оптический замкнутый контур образован многовитковой катушкой оптического волокна. Он состоит из лазера, излучение которого подается на светоделитель, после которого он разделяется на два луча. Два луча, обошедшие контур в противоположных направлениях, рекомбинируют на светоделителе и смешиваются в фотодетекторе, на котором выделяется разность фаз двух встречных лучей. Она пропорциональна измеряемой абсолютной угловой скорости объекта.

Практика применения волоконно-оптических гироскопов свидетельствует о том, что их производство является достаточно дорогим и сложным из-за трудностей обеспечения высокой точности оптического волокна, линз, модуляторов, поляризаторов и других элементов, и прибора в целом. При этом оказалось, что прибор подвержен влиянию магнитного, теплового, деформационного и других эксплуатационных воздействий.

В значительной степени от этого недостатка свободен кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона, описанный в литературе (Берштейн И.Л. //Доклады АН СССР, 1950, т.75, N 5, с.635; Малеев П.И. Новые типы гироскопов. Л. Судостроение, 1971, с. 113-114). Указанный гироскоп содержит катушку из высокочастотного коаксиального кабеля, намотанного на цилиндрический каркас, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, измеритель фазы, устройство переключения направления распространения электромагнитных колебаний на прямое и противоположное, измеритель фазы. Данное устройство принимается в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения высокой чувствительности гироскопа при малых его габаритах. Так, в опытах И.Л. Берштейна был использован гироскоп с каркасом радиуса 1 м при длине кабеля 244 м. При несущей частоте ν 30,3 МГц сдвиг фазы при скорости вращения гироскопа 1 об/с составил 3 уг.с. Эти данные свидетельствуют о больших габаритах и массе при низкой чувствительности устройства.

Данный недостаток может быть значительно уменьшен путем изготовления катушки в виде многосекционной конструкции, каждая секция выполнена в виде полого цилиндра с каркасом из немагнитного изоляционного материала, на внутренней цилиндрической поверхности которого выполнен металлический (например, медный) экран, а на наружной поверхности намотана катушка из провода малого диаметра. Катушки на полых цилиндрах установлены коаксиально, экраны их соединены между собой параллельно с помощью корпуса прибора, а конец предыдущей секции соединяется с началом следующей секции последовательно. Катушки с экраном играют роль коаксиального кабеля и позволяют снизить габариты катушки. Каркас можно выполнить из материала с большими магнитными и диэлектрическими проницаемостями, что замедляет скорость распространения волны, способствуя повышению чувствительности.

Задачей изобретения является снижение габаритов прибора при повышении его чувствительности.

Поставленная задача решается за счет того, что в кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона, содержащий катушку из металлического материала, размещенную на каркасе, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона и измеритель фазы, введены экран, выполненный из магнитомягкого материала, эталонный резистор и дополнительные катушки с каркасами. Все катушки расположены коаксиально внутри экрана с образованием замкнутого магнитопровода, каждый каркас выполнен в виде цилиндра, на внутренней поверхности которого выполнен дополнительный экран, соединенный с магнитопроводом, а на наружной поверхности выполнены витки катушки. Катушки соединены последовательно друг с другом так, что конец последней катушки соединен с эталонным резистором, выход генератора электромагнитных колебаний соединен параллельно с катушками через первую катушку и с первым высокоомным входом измерителя фазы, второй высокоомный вход которого соединен с концом последней катушки.

Каркасы катушек могут быть выполнены из электрически изоляционного материала с большими диэлектрической и магнитной проницаемостями.

На фиг. 1 представлена функциональная схема кольцевого гироскопа радиоволнового диапазона; на фиг. 2 конструктивная схема катушки с экранами гироскопа; на фиг. 3 конструкция отдельно взятой секции катушки; на фиг. 4 - схема соединения секций катушки; на фиг. 5 виток катушки и путь электромагнитной волны при вращении объекта.

Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона состоит из катушки 1 с экраном 2. Вход катушки 1 электрически соединен с выходом генератора электромагнитных колебаний 3 радиоволнового диапазона частот, а ее выход соединен последовательно с эталонным резистором 4. Выход генератора электромагнитных колебаний 3 соединен параллельно со входом катушки 1, с первым высокоомным входом измерителя фазы (временно сдвига) 5 электромагнитных колебаний, а параллельно резистору 4 соединен второй высокоомный вход измерителя фазы (временного сдвига) 5. Ось симметрии XX катушки 1 является измерительной осью гироскопа (фиг. 2, 3); на фиг. 1 измерительная ось прибора перпендикулярна плоскости чертежа. На фиг. 2 представлена конструктивная схема катушки 1. Экран 2 представляет собой конструкцию в виде корпуса 6, который крепится к объекту с помощью винтов (на чертеже не показанных) по посадочной поверхности 7. К корпусу 6 крепится крышка 8 с помощью клеевого соединения или с помощью винтов. Совокупность корпуса 6 и крышки 8 образует экран 2, экранирующий катушку от внешних магнитных и электрических полей: он выполнен из мягкомагнитного сплава. Внутри экрана 2 размещаются секции 9', 9", выполненные из тонкого, например медного, провода, образующие катушку 1, а также тонкие цилиндрические металлические дополнительные экраны 10', 10", соединенные с корпусом 6 и, следовательно, с экраном 2. На фиг. 2 показано, что цилиндрические экраны 10', 10", и витки секций 9', 9", катушки нанесены на полые цилиндрические, электрически изоляционные каркасы 11', 11". На фиг. 3 показана в изометрии конструкция одной секции катушки. Не трудно видеть, что она представляет собой волновод, аналогичный коаксиальному кабелю. Можно каркасы 11', 11", выполнить ферритовыми с большой магнитной проницаемостью при определенной диэлектрической постоянной. Так, для высокочастотного феррита марки 30В42 с частотным диапазоном до 200 МГц m 120 при e 10.16 (Ферриты и магнитодиэлектрики. Справочник /Под ред. Н.Д. Горбунова и Г.А. Матвеева. М. Сов. радио, 1968, 178 с.). Каркасы 11', 11", можно выполнить из пьезокерамики, например титана бария (e 10⁴). Экраны 10', 10", могут быть нанесены на цилиндрические каркасы 11',11", гальваническим путем или напылением в вакууме. Известно, что для обеспечения условий распространения электромагнитной волны толщина каркаса должна быть в 1,4.1,5 раза больше диаметра провода, а расстояние между витками не менее чем вдвое больше ширины полоски. В такой же примерно пропорции выбирается величина зазора между двумя соседними секциями катушки в радиальном направлении. На фиг. 4 изображена схема электрического соединения секций катушки между собой: конец предыдущей секции соединяется с началом последующей. Если начало секции 9' расположено снизу (фиг. 1), то конец ее расположен сверху, а начало секции 9" также расположено сверху, и они соединены между собой проводником, припаянным к проводникам. Секции могут быть разъединены между собой изоляционными втулками 12', 12", с e 1 и m 1 или залиты наполнителем с e 1 и m 1. Клеммная колодка прибора, через которую производится электрическое соединение катушки с другими элементами схемы, а также другие элементы прибора не показаны. Резистор согласует катушки с генератором электромагнитных колебаний 3, обладает высокостабильным сопротивлением. С него же производится съем информации, идущей на измеритель фазы 5. Генератор 3 и измеритель фазы 5 являются стандартными (Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1. М. Мир, 1986, с. 278-280). К ним предъявляются требования по обеспечению высокой стабильной частоты генерируемого напряжения, что достигается применением, например, кварцевого генератора, и высокими точностью и разрешающей способностью измерителя фазы 5, принятыми в гироскопии. Естественно, что весь прибор устанавливается на борту подвижного объекта и должен иметь элементную базу, отвечающую эксплуатационным условиям работы.

Работает прибор следующим образом. При невращающемся в инерциальном пространстве вокруг оси XX объекте сигнал с выхода генератора электромагнитных колебаний 3 и с резистора 4 подается на вход измерителя фазы 5 и катушки 1. В силу замедления скорости распространения электромагнитной волны в катушках с экранами 9', 10", и ослаблением сигнала на ее выходе, выделяемый на резисторе в виде падения напряжения сигнал будет поступать с фазовым запаздыванием и амплитудным искажением на другой выход измерителя фазы. Этот фазовый сдвиг принимается за начальную точку отсчета и обозначается ψ_o - начальный фазовый сдвиг. При вращении объекта вокруг оси XX с абсолютной угловой скоростью ω (фиг. 5) путь пробега электромагнитной волны увеличится, за счет чего возрастет сдвиг между сигналом, вырабатываемым генератором 3, и сигналом, снимаемым с эталонного резистора . Фазовый сдвиг ψ будет равен:
j = ψ_o + Δψ; Δψ = ψ - ψ_o, (1)
где Δψ приращение угла фазового сдвига, пропорциональное измеряемой угловой скорости объекта w:
Dj = Kω (2),
где K коэффициент передачи гироскопа.

При изменении знака угловой скорости изменяется и знак угла приращения фазового сдвига на обратный. На фиг. 5 изображены А и В исходная и конечная точки распространения радиоволны по витку металлического проводника, R - средний радиус одного витка катушки. Вывод выражений для ψ_o и Δψ аналогичен изложенному в книге Шереметьева А.В. Волоконный оптический гироскоп. М. Радио и связь, 1987, 152 с. или же оптическому диапазону электромагнитных колебаний в указанной выше статье И.Л. Берштейна. Особенность состоит в том, что в данном техническом решении используется радиочастотный диапазон электромагнитных волн, т.е. более низкочастотный по сравнению с оптическим диапазоном. Имеем:

где S площадь, охваченная витком со средним для катушки 1 радиусом R;
C скорость света;
λ длина волны электромагнитных колебаний в вакууме;
N общее число витков в катушке 1.

С выхода измерителя фазы в систему управления, навигации или ориентации поступает информация о приращении фазы Dj, т.е. информация об измеренной угловой скорости w. Не трудно видеть, что формула (3) аналогична формуле для фазы Саньяка. Но здесь вместо цифры "4" фигурирует цифра "2", т.к. в приборе не используется интерференция двух встречных потоков электромагнитных волн.

При работе прибора экран 2 в виде корпуса 6 и крышки 8 ослабляет действие внешних электромагнитных помех на катушку 1, посадочная поверхность 7 ориентирует измерительную ось прибора по соответствующей оси объекта. В силу того, что толщины каркасов 11', меньше толщин втулок 12', электромагнитные волны распространяются по катушкам 9', 10', практически не оказывая влияния на соседние катушки через указанные втулки.

Приведем пример для следующих возможных параметров прибора:

Предположим, что диаметр провода равен 0,02 мм. Толщина экрана на каркасе 0,01 мм. Шаг витка катушки 0,04 мм. Толщина стенки каркаса 0,2 мм, радиальное расстояние между катушками -0,5 мм. Наружный диаметр всей катушки -120 мм, внутренний 10 мм, высота 60 мм. Следовательно,
R 27,5 мм (6)
На основании указанных параметров будем иметь:
N 10⁴; S 2,38•10^-3 м² (7)
Подставив (5), (6), и (7) в формулу (3), получаем:

Не трудно видеть, что по сравнению с прототипом габариты уменьшены в десятки раз при сохранении чувствительности.

При использовании каркаса, например, из феррита чувствительность может быть повышена на один-два порядка.

Использование: в гироскопических измерителях абсолютной угловой скорости подвижных объектов. Сущность изобретения: кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона содержит катушки из металлического материала с каркасами, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона, измеритель фазы. В гироскопе катушки расположены коаксиально внутри экрана с образованием замкнутого магнитопровода. Каждый каркас выполнен в виде цилиндра. На внутренней поверхности цилиндра выполнен экран, соединенный с магнитопроводом. На наружной поверхности выполнены витки катушки. Катушки соединены последовательно друг с другом. Конец их соединен с эталонным резистором. Выход генератора соединен параллельно с катушками через первую катушку и с первым высокоомным входом измерителя фазы. Второй высокоомный вход измерителя фазы соединен с концом последней катушки. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона, содержащий катушку из металлического материала, размещенную на каркасе, генератор электромагнитных колебаний радиоволнового диапазона и измеритель фазы, отличающийся тем, что в него введены экран, выполненный из магнитомягкого материала, эталонный резистор и дополнительные катушки с каркасами, при этом все катушки расположены коаксиально внутри экрана с образованием замкнутого магнитопровода, каждый каркас выполнен в виде цилиндра, на внутренней поверхности которого выполнен дополнительный экран, соединенный с магнитопроводом, а на наружной поверхности выполнены витки катушки, причем катушки соединены последовательно одна с другой так, что конец последней катушки соединен с эталонным резистором, выход генератора электромагнитных колебаний соединен параллельно с катушками через первую катушку и с первым высокоомным входом измерителя фазы, второй высокоомный вход которого соединен с концом последней катушки. 2. Гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что каркасы катушек выполнены из электрически изоляционного материала с большими диэлектрической и магнитной проницаемостями.