ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГИРОСКОПА С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОДВЕСОМ РОТОРА Российский патент 1998 года по МПК G01C19/24 

Изобретение относится к области гироскопической и навигационной техники и может быть использовано при изготовлении гироскопов с электрическим подвесом ротора (ЭСГ).

В навигационной технике широко используется в качестве датчиков первичной информации ЭСГ, обладающие более высокими точностными параметрами по сравнению с другими типами гироскопов. Известны различные принципиальные схемные построения ЭСГ, в которых используется оптический съем информации об угловом положении ротора относительно корпуса (Малеев П.И. Новые типы гироскопов, Л.: Судостроение, 1971 г.). Однако конкретная реализация этих схемных решений построения ЭСГ в публикации не раскрыта.

Известна разработка ЦНИИ "Электроприбор" "Исследование возможности создания отдельных элементов и узлов электростатического гироскопа" (Технический отчет по теме "Гном", 1967 г. Научно-техническая библиотека ЦНИИ "Электроприбор", С.-Петербург). В этой публикации описаны различные варианты создания элементной базы ЭСГ.

Известна вакуумная камера ЭСГ (ДНИЯ 408111.016 разработка ЦНИИ "Электроприбор", С.-Петербург), которая по большинству признаков совпадает с предлагаемым техническим решением и принята за прототип.

Вакуумная камера содержит две керамические полусферы с оптическими окнами на полосах из лейкосапфира, присоединенными через токопроводящую композицию. На внутренней поверхности каждой полусферы нанесен рисунок электродов в виде металлической пленки, части которых выведены в выемки полусфер, в области плоскости их разъема. Полусферы сцентрированы в керамическом кольце вакуумной камеры, образуя единую сферу электродов, относительно которой с помощью электроники системы подвеса сферический ротор взвешивается концентрично сфере электродов камеры и с помощью статора разгоняется до заданной скорости вращения. В центрирующее кольцо этой камеры вмонтированы гермовыводы в зонах выемок полусфер. Со стороны вакуумного объема на каждый гермовывод насажен токопроводящий упругий элемент в виде пружинок, которые соединяют в выемках части электродов полусфер. В этом гироскопе на полюсах камеры размещены фотооптические датчики, и он может использоваться в кардановом варианте навигационной системы со съемом информации о положении вектора кинетического момента в пределах малого угла. Съем информации о любом угловом положении ротора относительно камеры в этом гироскопе невозможен. К недостатку этого гироскопа следует отнести наличие большого количества гермовыводов-электродов, необходимых для связи с внешней электроникой подвеса, которые являются потенциальным источником натекания газов в вакуумный объем камеры, что снижает надежность ЭСГ.

Предлагается чувствительный элемент гироскопа с электрическим подвесом ротора, вакуумная камера которого позволяет расширить область применения гироскопа и исключить недостатки, присущие прототипу.

Предлагаемое техническое решение состоит в том, что в тело его центрирующего кольца вакуумной камеры через токопроводящие прослойки с двухсторонними кольцевыми зонами присоединены четыре оптических окна, образующих два ортогональных друг другу экваториальных оптических канала, перпендикулярных полярному каналу, причем в вакуумном объеме камеры в зонах, охватывающих оптические окна на кольцевых токопроводящих прослойках, смонтированы шесть металлических диафрагм, оси отверстий которых образуют ортогональный трехгранник оптических осей. Центр трехгранника совмещен с центром электродной системы подвеса ротора в камере, а на четыре экваториальных диафрагмы центрирующего кольца насажены упругие токопроводящие элементы, соединяющие между собой части электродов полусфер камеры. Внутри камеры размещен ротор с контрастным растром на его поверхности. Такой чувствительный элемент ЭСГ благодаря наличию трехкоординатной оптической системы обеспечивает расширение диапазона съема информации об угловом положении ротора, что позволяет использовать его в бескардановом варианте. Присоединение экваториальных оптических окон через токопроводящие прослойки и установка внутри вакуумного объема диафрагм с насаженными на них упругими элементами позволяет исключить множество гермовыводов, так как функцию гермовыводов, обеспечивающих электрическую связь электродов камеры с внешней электроникой подвеса ротора, выполняют токопроводящие элементы оптических окон.

Входные зрачки диафрагм, образующие оптические оси, максимально приближены к поверхности ротора, что обеспечивает наиболее резкое диафрагмирование поля зрения и улучшает энергетические характеристики оптической системы. Оси отверстий диафрагм образуют ортогональный трехгранник, общий центр которого совмещен с центром электродной системы камеры. Это обеспечивается размещением экваториальных диафрагм в едином центрирующем полусферы кольце вакуумной камеры.

Высокая точность совмещения центра поверхности ротора с центром ортогонального оптического трехгранника и совмещение их с центром электродной системы обеспечивается схемой электроники подвеса. Перечисленные выше достоинства чувствительного элемента позволяют повысить точность съема информации об угловом положении ротора, расширить область использования и повысить надежность ЭСГ.

На фиг. 1 представлен разрез чувствительного элемента ЭСГ; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - один из элементов оптического окна центрирующего кольца камеры в увеличенном виде; на фиг. 4 - вид Б фиг. 3.

Чувствительный элемент ЭСГ содержит керамическую вакуумную камеру (фиг. 1, состоящую из двух полусфер 1 и 2 с оптическими окнами на полюсах, например из лейкосапфира, которые присоединены через токопроводящую композицию, прослойка которой в виде колец охватывает каждое из окон, как со стороны вакуумного объема, так и с наружной стороны камеры. Оптические окна полусфер образуют полярный оптический канал. На внутренней поверхности каждой полусферы в виде металлической пленки нанесены электроды. Пленка электродов перекрывает токопроводящие кольцевые прослойки полярных окон, чем обеспечивается электрическая связь через прослойку, охватывающую каждое окно и выходящую на наружные поверхности полусфер в виде колец.

Части электродов в виде пленки в области плоскости разъема полусфер 1 и 2 выведены на торцевые поверхности выемок 9 (фиг. 4).

Полусферы 1 и 2 сцентрированы на керамическом кольце 3. Внутри камеры размещен ротор 4 с контрастным растром на его поверхности. В тело центрирующего кольца 3 (фиг. 2, 3) через токопроводящие прослойки 5 с двухсторонними кольцевыми зонами, присоединены четыре оптических окна 6, образующих два ортогональных оптических канала, перпендикулярных полярному каналу. В вакуумном объеме камеры, в зонах, охватывающих оптические окна, на кольцевых токопроводящих прослойках 5 смонтированы шесть металлических диафрагм 7, оси отверстий которых образуют ортогональный трехгранник общих оптических осей. Центр этого трехгранника совмещен с центром электродной системы подвеса ротора в камере. На четыре экваториальных диафрагмы 7 (фиг. 2, 3, 4) насажены упругие токопроводящие элементы 8, выполненные, например, в виде ленточных пружинок, которые соединяют между собой в выемках 9 полусфер 1 и 2 (фиг. 4) части электродов этих полусфер камеры.

Формирование герметичных оптических каналов в центрирующем кольце осуществляется за один прием в вакуумной печи в специальной оснастке при высокой температуре. Предварительно приготавливается токопроводящая композиция, например, из компонентов молибдена и лантанового стекла в определенном весовом отношении, и производится нанесение ее в виде кольцевых прослоек на сопрягаемые поверхности кольца и оптических стержней из лейкосапфира.

Присоединение четырех диафрагм к центрирующему кольцу камеры в кольцевых токопроводящих зонах осуществляют за один прием с использованием кольцевых алюминиевых прослоек. Операция выполняется в вакуумной печи при температуре ниже температуры присоединения оптических окон с использованием керамической оснастки, базирующейся на центральном отверстии кольца камеры.

В оснастке размещают четыре пуансона с насаженными на них диафрагмами, которые имеют возможность перемещаться вдоль своих осей. Присоединение диафрагм производят за счет термонатяга пуансонов оснастки и кольца. Ортогональность осей отверстий диафрагм обеспечивается ортогональностью осей пуансонов оснастки.

Присоединение упругих элементов к диафрагмам осуществляют с помощью лазерной сварки.

При стыковке по плоскости разъема полусфер на центрирующем кольце камеры лепестки упругих элементов вступают в контакт с натягом в зонах выемок полусфер, соединяя между собой части электродов полусфер. Таким образом обеспечивается электрическая связь электродов, размещенных внутри вакуумной камеры, с внешними кольцевыми и токопроводящими прослойками на ее наружной поверхности, позволяющими осуществить связь электродов с электроникой подвеса ротора.

Чувствительный элемент предназначен для использования в гироскопах с электрическим подвесом ротора (ЭСГ). Внутри керамической вакуумной камеры из двух полусфер, соединенных на центрирующем кольце, размещен ротор с контрастным растром на его поверхности. В камеру вмонтированы шесть оптических окон, по одному окну на полюсе каждой полусферы и четыре - в центрирующем кольце. Оптические окна присоединены через токопроводящую композицию, слой которой охватывает каждое из окон в виде колец, расположенных с обеих торцевых поверхностей каждого окна. На внутренних поверхностях полусфер в виде металлической пленки нанесены электроды, части которых выведены в выемки плоскости разъема. Внутри вакуумного объема камеры в зонах оптических окон размещены шесть металлических диафрагм, четыре из которых расположены в экваториальной плоскости кольца камеры, а две других - на полюсах полусфер. Оси отверстий диафрагм образуют ортогональный оптический трехгранник, центр которого совмещен с центром электродов подвеса ротора. Диафрагмы расположены на кольцевых токонесущих слоях камеры, на них насажены упругие элементы, которые контактируют с частями электродов полусфер. 4 ил.

Чувствительный элемент гироскопа с электрическим подвесом ротора, соединяющий керамическую вакуумную камеру из двух полусфер с оптическими окнами на полюсах, присоединенными через токопроводящую композицию, прослойка которой в виде колец охватывает каждое из окон с обеих их торцевых поверхностей и в совокупности образующих соосный полярный оптический канал, электроды подвеса ротора на полусферах в виде металлической пленки, части которых соединены между собой в выемках плоскости разъема полусфер через упругие токопроводящие элементы, центрирующее полусферы кольцо камеры и ротор с контрастным растром на его поверхности, отличающийся тем, что в тело его центрирующего кольца через прослойки с двусторонними кольцевыми зонами герметично присоединены четыре оптических окна, образующие два ортогональных друг другу экваториальных оптических канала, перпендикулярных полярному каналу, причем в вакуумном объеме камеры в зонах, охватывающих оптические окна на кольцевых токопроводящих прослойках, смонтированы шесть металлических диафрагм, оси отверстий диафрагм образуют ортогональный трехгранник оптических осей, центр которого совмещен с центром электродов подвеса ротора в камере, а на четыре экваториальных диафрагмы центрирующего кольца насажены упругие токопроводящие элементы, соединяющие между собой части электродов полусфер камеры.