ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2001 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к конструкции чувствительных элементов волновых твердотельных гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, космических аппаратов, управляемых бурильных головок.

Известен чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа, включающий полусферический резонатор из кварцевого стекла с металлизированной полусферической поверхностью, узел емкостных электродов, вакуумный корпус. В известном чувствительном элементе полусферический резонатор из кварцевого стекла имеет металлическое покрытие на полусферической поверхности. Узел емкостных электродов также выполнен из кварцевого стекла в виде полусферической поверхности, на которую напылены электроды. Узел емкостных электродов соединяют с крепежной ножкой полусферического резонатора таким образом, чтобы между полусферическими поверхностями резонатора и узла электродов имелся зазор. Каждый напыленный электрод образует с металлизированной поверхностью полусферического резонатора электрическую емкость. Колебания полусферической оболочки в радиальном направлении, перпендикулярно оси симметрии резонатора, приводят к изменению этого зазора и соответственно к изменению емкости. Изменение емкости преобразуют с помощью электронного блока в электрический сигнал, который используют затем для вычисления ориентации стоячей волны в резонаторе. Эти же электроды используют для управления стоячей волны, в том числе для поддержания постоянной ее амплитуды, путем прикладывания к ним напряжений, которые создают электростатические силы между электродами и полусферической оболочкой, с помощью которых и управляют колебаниями [D.Lynch, A.Matthews, G.Varty "Innovative Mechanizations to Optimize Inertial Sensors for High of Low Rate Operations", Symposium Gyro Technology, 1997, Stuttgart, Germany, 16-17 September 1997. Proc. Ed.H.Sorg. pp. 9.0-9.21.]
К недостаткам известной конструкции следует отнести:
- необходимость металлизации всей полусферической поверхности резонатора. Нанесение металлического покрытия на всю полусферическую поверхность резонатора по данным автора снижает его добротность в 2-3 раза. Так как самопроизвольный угловой дрейф стоячей волны (ошибка чувствительного элемента гироскопа) обратно пропорционален добротности, то наличие металлического покрытия на всей полусферической поверхности в 2-3 раза увеличивает ошибку чувствительного элемента гироскопа;
- газовое демпфирование колебаний резонатора. Колебания полусферической оболочки резонатора сжимают и вытесняют остаточный газ из зазора между поверхностями резонатора и узла электродов. При этом возникает тормозящая сила, на преодоление которой расходуется энергия резонатора, поэтому газовое демпфирование снижает добротность резонатора и увеличивает ошибку чувствительного элемента гироскопа. По данным автора при величине зазора около 100 мкм необходимо обеспечить давление внутри вакуумного корпуса чувствительного элемента гироскопа менее 10^-7 мм рт.ст. Увеличение давления остаточного газа, связанное с десорбцией молекул с поверхности, газовыделением из материалов и т.д. приводит к увеличению ошибки чувствительного элемента гироскопа и в конечном счете к прекращению его функционирования. Обеспечение указанного уровня вакуумирования требует применения специальных материалов и сложных технологий сборки чувствительного элемента гироскопа;
- необходимость обеспечения постоянной величины зазора между полусферической поверхностью резонатора и полусферической поверхностью узла емкостных электродов. Отклонения в величине этого зазора приводят к различию характеристик электрических емкостей, образованных разными электродами, что приводит к ошибкам в вычислении положения стоячей волны и к несимметричному действию управляющих электростатических сил. Кроме того, это приводит к дополнительной ошибке из-за несимметричного газового демпфирования. Необходимость обеспечения постоянной величины этого зазора вынуждает повышать точность изготовления всех полусферических поверхностей и точность сборки.

По мнению автора, указанные недостатки снижают точность работы прибора до 0,1-0,01 град/ч и значительно усложняют и удорожают его изготовление.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.

Задача решается предложенной конструкцией чувствительного элемента, имеющей полусферическую оболочку, торцевая поверхность которой металлизирована, скрепленную ножкой с плоской пластиной с напыленными дискретными емкостными электродами, расположенной параллельно торцевой поверхности оболочки.

Предложенный чувствительный элемент отличается тем, что полусферическая оболочка резонатора металлизирована по ее торцевой поверхности и узел емкостных электродов выполнен в виде плоской пластины с напыленными электродами и расположен параллельно торцевой поверхности резонатора.

На чертеже показан предлагаемый чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа.

Чувствительный элемент содержит полусферический резонатор, который имеет полусферическую оболочку 1 и ножку 2. Металлическое покрытие 3 нанесено на торцевую поверхность 4 полусферической оболочки 1. Узел емкостных электродов выполнен в виде плоской пластины 5 с напыленными дискретными электродами, которые расположены по окружности, радиус которой равен радиусу полусферической оболочки резонатора. Каждый напыленный дискретный электрод содержит две площадки 6, которые с помощью токопроводящих дорожек 7 соединены с гермовыводами вакуумного корпуса и затем с электронным блоком. Полусферическая оболочка 1 соединена через ножку 2 с пластиной 5 так, что между торцевой поверхностью 4 полусферической оболочки 1 и пластиной 5 образуется зазор D.

Предложенный чувствительный элемент работает следующим образом. Колебания полусферической оболочки 1 приводят к периодическому изменению зазора D между металлизированной торцевой поверхностью 4 полусферической оболочки 1 и площадками 6 с амплитудой d. Как показывает численное моделирование амплитуда этих колебаний равна:
d ≈ 0,5r,
где r - амплитуда радиальных колебаний полусферической оболочки.

Электрическая емкость C, которую образуют площадки 6 и расположенные напротив них металлизированные участки торцевой поверхности 4 полусферической оболочки 1, зависит от амплитуды колебаний следующим образом:
C = εε₀S/2(d+D),
где S - площадь площадки 5;
ε - диэлектрическая проницаемость среды, для вакуума ε = 1;
ε₀ - диэлектрическая постоянная.

Изменение емкости C при колебаниях преобразуется в электронном блоке в электрический сигнал, который используют для определения ориентации стоячей волны.

Для управления стоячей волной управляющее напряжение U прикладывают к площадкам 6, что приводит к появлению электростатической силы F. Для вакуума эта сила равна:
F = ε₀SU²/16D²
Оценим характеристики предложенного чувствительного элемента гироскопа. Пусть полусферическая оболочка 1 имеет диаметр 30 мм, толщину стенки 1 мм, величину зазора D = 20 мкм, площадь площадки 6 S = 5 мм². При амплитуде радиальных колебаний r = 1 мкм амплитуда d = 0.5 мкм, что приведет к относительному изменению емкости C на 2.5%. Это в 2.5 раза больше, чем для известного чувствительного элемента при такой же амплитуде радиальных колебаний.

Предполагая, что размер электродов в известном чувствительном элементе равен 4 х 11 мм, приложение управляющего напряжения U к электродам приведет к возникновению управляющей электростатической силы, примерно одинаковой для известного и предложенного чувствительного элемента. Однако в предложенном чувствительном элементе отсутствует металлическое покрытие полусферических поверхностей оболочки 1, поэтому добротность резонатора будет выше в 2-3 раза, а величина требуемых управляющих сил (например, для поддержания постоянной амплитуды колебаний) будет в 2-3 раза меньше, чем для известного чувствительного элемента. Это означает, что управляющее напряжение в предложенном чувствительном элементе может быть уменьшено в 1.4-1.7 раз. Высокая добротность резонатора позволит получить величину самопроизвольного дрейфа в гироскопе с предложенным чувствительным элементом в 2-3 раза меньше, чем с известным.

Сжимаемый при колебаниях объем газа в предложенном чувствительном элементе примерно в 20 раз меньше, чем в известном, а количество вытесняемого газа меньше примерно в 8 раз. Так как при газовом демпфировании тормозящая сила пропорциональна количеству вытесняемого газа и расстоянию, на которое вытесняются молекулы газа, то в предложенном чувствительном элементе тормозящая сила при одной и той же амплитуде радиальных колебаний полусферической оболочки будет меньше примерно в 30 раз. Поэтому предложенный чувствительный элемент позволяет иметь остаточное давление газа примерно в 30 раз больше, чем в известном чувствительном элементе.

Таким образом, по сравнению с известным чувствительным элементом предложенный чувствительный элемент имеет более простую конструкцию и технологию сборки, работает при давлении остаточного газа в 30 раз выше, имеет ошибку, связанную с самопроизвольным дрейфом, меньше в 2-3 раза и работает при величинах управляющих напряжений, меньших в 1.4-1.7 раз.

Гироскоп предназначен для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, космических аппаратов, управляемых бурильных головок. Чувствительный элемент имеет полусферическую оболочку, торцевая поверхность которой металлизирована, скрепленную ножкой с плоской пластиной с напыленными дискретными емкостными электродами. Пластина расположена параллельно торцевой поверхности оболочки. Обеспечивается повышение точности чувствительного элемента за счет увеличения добротности резонатора и снижения влияния газового демпфирования, а также упрощение и удешевление технологии его изготовления. 1 ил.

Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа, имеющий металлизированную полусферическую оболочку, скрепленную ножкой с узлом напыленных дискретных емкостных электродов, отличающийся тем, что полусферическая оболочка резонатора металлизирована по ее торцевой поверхности, узел электродов выполнен в виде плоской пластины с электродами и расположен параллельно торцевой поверхности резонатора.