ВИБРАЦИОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01P9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразованию параметров вращения в электрический сигнал с помощью гироскопов вибрационного типа с пьезоэлектрическими элементами. Оно может быть использовано, например, в системах навигации.

Известен вибрационный датчик угловой скорости, содержащий вибрирующий стержень, прямоугольного поперечного сечения, на боковых гранях которого закреплены приводной и выходные пьезоэлементы, и поддерживающие элементы для подвески вибрирующего стержня в корпусе. Оси поддерживающих элементов, выполненных в виде спиц, проходят через пару параллельных граней стержня в области узловых точек. Приводной пьезоэлемент, расположенный на грани стержня, параллельной осям поддерживающих элементов, служит для возбуждения поперечных колебаний стержня на резонансной частоте.

При вращении вокруг продольной оси вибрирующего стержня под действием кориолисовых сил инерции в нем возникают поперечные колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости возбужденных колебаний. В пьезоэлементах, расположенных на гранях, перпендикулярых осям поддерживающих элементов, возникают противофазные электрические напряжения с возбуждающей частотой и амплитудами, пропорциональными угловой скорости вращения, в совокупности представляющие полезный выходной сигнал.

Недостатком такого датчика является низкая точность из-за существенного влияния на выходной сигнал погрешностей изготовления и параметров пьезоэлементов, так как отклонения от заданной плоскости колебания порождают на выходных пьезоэлементах сигнал, совпадающий по фазовому соотношению с полезным сигналом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является вибрационный датчик угловой скорости, содержащий вибрирующий стержень, выполненный в виде призмы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника, приводные пьезоэлементы, закрепленные на двух смежных гранях стержня, и поддерживающие элементы, прикрепленные к продольному ребру, расположенному между приводными пьезоэлементами. С этих же пьезоэлементов снимается выходной сигнал. Таким образом, каждый из указанных пьезоэлементов является и приводным, и выходным.

Недостатками такого датчика являются низкая чувствительность и узкий диапазон измеряемых скоростей из-за наличия паразитных колебаний поддерживающих элементов, которые искажают выходной сигнал и изменяют резонансную частоту колебаний в плоскости обнаружения полезного сигнала, а также сложность разделения возбуждающего и выходного сигналов и обработки последнего.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности датчика и расширение диапазона измеряемых скоростей путем упрощения конструкции и сближения резонансных частот колебаний вибрирующего стержня в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Указанная задача решается за счет того, что в известном вибрационном датчике вибрирующий стержень выполнен в виде призмы четырехугольного поперечного сечения со взаимно перпендикулярными диагоналями, на двух одинаковых смежных гранях которого закреплены выходные диагонали упомянутого сечения.

На чертеже показана схема датчика по настоящему изобретению. Датчик содержит приводные пьезоэлементы 1, 2 и выходные пьезоэлементы 3, 4, которые закреплены с помощью клея или припоя на боковых гранях стержня 5. Пьезоэлементы представляют собой пластинки из пьезоэлектрического материала толщиной в 10 - 30 раз меньшей размеров поперечного сечения стержня. Поддерживающие элементы 6, 7 выполнены в виде спиц круглого или иного поперечного сечения. Они соединяют стержень 5 с корпусом 8. Продольные оси спиц проходят через диагонали параллельных поперечных сечений стержня на определенном расстоянии от его концов, соответствующем положению узловых точек при колебании стержня.

Поскольку резонансная частота поперечных колебаний стержня определяется его упругими характеристиками и жесткостью связей, то принятая в изображении форма сечения вибрирующего стержня позволяет выбором соотношения сторон сечения получить различные изгибные жесткости относительно осей, проходящих через его диагонали. В результате при определенном соотношении сторон и диагоналей резонансные частоты соответствующих поперечных колебаний с учетом жесткости подвески становятся одинаковыми.

Датчик работает следующим образом. При подаче от внешнего генератора переменного напряжения на приводные одинаковые пьезоэлемнты 1 и 2, они периодически сокращаются и расширяются в своей плоскости. Частота генератора устанавливается равной частоте собственных поперечных колебаний стержня. За счет жесткой связи пьезоэлементов с гранями стержня 5, последний изгибается с указанной частотой в плоскости, проходящей через диагональ 9.

При этом на одинаковые выходных пьезоэлементах 3, 4 возникают синфазные напряжения с одинаковыми амплитудами за счет их периодического сжатия и растяжения с частотой колебаний стержня 5. При отсутствии вращения разность выходных напряжений на пьезоэлементах 3 и 4 равна нулю, то есть выходной сигнал отсутствует. При повороте датчика вокруг продольной оси стержня за счет кориолисовых сил инерции в вибрирующем стержне возникают поперечные колебания в направлении, перпендикулярном исходным колебаниям, то есть в плоскости отклика, параллельной диагонали 10. Амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости вращения. В результате изгиба в направлении диагонали 10 в пьезоэлементах 3 и 4 возникают напряжения разного знака. Выходной сигнал, равный разности этих напряжений, имеет величину, пропорциональную угловой скорости вращения, а его фаза определяется направлением вращения.

Коэффициент пропорциональности между измеряемой угловой скоростью и величиной выходного сигнала в известных датчиках вибрационного типа имеет максимальное значение при условии равенства резонансных частот колебаний в плоскости возбуждения (вдоль диагонали 9) и в плоскости отклика (вдоль диагонали 10). Поддерживающие элементы, выполненные в виде спиц, при возбуждающих колебаниях испытывают кручение, а при колебаниях отклика - изгиб. Поскольку жесткость поддерживающих элементов в этих двух случаях различна, - расчетная жесткость изгиба спиц круглого сечения в 4 - 6 раз превышает жесткость кручения, - то резонансные частоты вибрирующего стержня с сечением правильной формы (круг, квадрат, равносторонний треугольник) оказываются различными. Для получения максимальной чувствительности датчика соотношение диагоналей 9 и 10 принимается больше единицы, в результате чего собственная жесткость вибрирующего стержня относительно его взаимно перпендикулярных поперечных осей становится неодинаковой, что в совокупности с жесткостью поддерживающих элементов позволяет сблизить указанные резонансные частоты.

Изготовлен и испытан датчик по предлагаемому изобретению. Вибрирующий стержень длиной 40 мм и поперечным сечение со сторонами 4; 4, 5; 5 мм выполнен из кварцевого стекла. Поддерживающие элементы выполнены из медной проволоки диаметром 0,6 мм и длиной 12 мм. Пьезоэлементы длиной 10 мм, шириной 3 мм и толщиной 0,27 мм, выполненные из пьезоэлектрической керамики, припаяны к граням предварительно металлизированного стержня. Вибрирующий стержень посредством поддерживающих элементов укреплен в латунном корпусе.

В результате испытаний установлено, что чувствительность такого датчика возросла в 3,0 - 3,8 раза по сравнению с датчиком, имеющим треугольную форму сечения вибрирующего стержня, и в 250 - 280 раз по сравнению с датчиком, имеющим квадратную форму сечения стержня. Диапазон измеряемых угловых скоростей составляет от 0,1 до 150 угловых градусов в секунду.

Использование: в измерительной технике, в частности в области преобразования параметров вращения в электрический сигнал с помощью гироскопов вибрационного типа с пьезоэлектрическими элементами, например, в системах навигации. Сущность изобретения: вибрационный датчик угловой скорости содержит поддерживающие элементы, вибрирующий стержень, на одной паре смежных граней которого закреплены приводные пьезоэлементы, вибрирующий стержень выполнен в форме призмы с четырехугольным поперечным сечением, диагонали которого взаимно перпендикулярны, а на другой паре смежных граней закреплены выходные пьезоэлементы. 1 ил.

Вибрационный датчик угловой скорости, содержащий поддерживающие элементы, вибрирующий стержень в форме призмы, на одной паре смежных граней которой закреплены приводные пьезоэлементы, отличающийся тем, что призма выполнена с четырехугольным поперечным сечением, диагонали которого взаимно перпендикулярны, а на другой паре смежных граней призмы закреплены выходные пьезоэлементы.