ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП Российский патент 2002 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано для измерения углов в системах управления.

Известен акустический колоколообразный вибрационный гироскоп, содержащий полусферический кварцевый резонатор с металлизированными внешней и внутренней полусферическими поверхностями, корпус, состоящий из нижнего и верхнего оснований. Восемь электродов датчиков расположены на полусферической поверхности верхнего основания корпуса, а кольцевой и шестнадцать дискретных электродов управления расположены на полусферической поверхности нижнего основания корпуса [1].

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому изобретению является вибрационный датчик вращения, содержащий полусферический кварцевый резонатор с металлизированными внешней и внутренней полусферическими поверхностями, корпус, на котором закреплен резонатор, на полусферической поверхности верхнего основания корпуса закреплены кольцевой и шестнадцать электродов управления, а восемь электродов датчиков закреплены на полусферической поверхности нижнего основания [2].

В указанных гироскопах внешняя или внутренняя металлизированная поверхность резонатора подключается к постоянному потенциалу. Сигналы колебаний резонатора снимаются с буферных усилителей со сверхвысоким входным импедансом, подключенных к электродам верхнего или нижнего основания корпуса соответственно и подаются на вход электронного блока управления, выходы которого подключены к кольцевому и дискретным электродам управления.

К недостаткам известных конструкций гироскопов можно отнести следующее:
- металлизация внешней и внутренней поверхностей значительно снижает добротность резонатора;
- постоянное напряжение на поверхности резонатора приводит к появлению токов утечки между электродами и, как следствие, возникновению дополнительных составляющих ухода гироскопа;
- малая величина рабочих зазоров между поверхностями верхнего основания, резонатора и нижнего основания требует высокой точности изготовления деталей и поддержания высокого вакуума в приборе.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности, надежности и технологичности твердотельных волновых гироскопов.

Для достижения поставленной задачи твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации по меньшей мере на одной из множества мод стоячих волн, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков, электродов управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и вычисления угла, электрод резонатора, закрепленный напротив электродов датчиков, присоединен к нулевому потенциалу, а электроды датчиков - к источникам опорных переменных токов высокой частоты, электродами датчиков и электродом резонатора образованы емкостные преобразователи перемещений.

Для питания емкостных преобразователей перемещений электронный блок управления дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, дифференциальные усилители-сумматоры сигналов с емкостных преобразователей перемещений, устройства детектирования и фильтрации низких частот для выделения сигналов колебаний резонатора.

Для работы электродов управления и электродов датчиков необходим одинаковый потенциал на электроде резонатора, поэтому электроды управления и электроды датчиков закреплены на одной поверхности корпуса.

Отличительными признаками в заявляемой конструкции является то, что
- металлизируется полностью или частично одна внешняя или внутренняя поверхность резонатора, что приводит к увеличению добротности резонатора;
- сигналы колебаний резонатора снимаются с емкостных преобразователей перемещения [3], образованных электродами датчиков и электродом резонатора, на электроды датчиков подаются опорные токи высокой частоты, не влияющие существенно на динамику резонатора, работа датчиков на высокочастотном переменном токе позволяет избежать появления составляющих ухода, вызванных постоянными токами утечки;
- использование емкостных преобразователей перемещения, образованных электродами датчиков и электродом резонатора, а также расположение электродов датчиков и электродов управления на одной поверхности корпуса, упрощает конструкцию всего прибора для любого типа резонаторов - полусферических, конических, цилиндрических и т.п., при этом существенно увеличивается рабочий зазор между основаниями корпуса и резонатором, что позволяет снизить требования к степени вакуума в приборе.

В заявляемых конструкциях твердотельного волнового гироскопа с полусферическим резонатором либо отсутствует полусферическая поверхность на нижнем основании корпуса, либо полностью отсутствует верхнее основание корпуса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-3.

Фиг.1 показывает общий вид твердотельного волнового гироскопа с металлизированной внешней полусферической поверхностью резонатора, электродами датчиков и электродами управления, закрепленными на внутренней полусферической поверхности верхнего основании корпуса.

Фиг.2 показывает общий вид твердотельного волнового гироскопа с металлизированной внутренней полусферической поверхностью резонатора, электродами датчиков и электродами управления, закрепленными на внешней полусферической поверхности нижнего основании корпуса.

Фиг. 3 показывает функциональную схему устройства выделения сигналов колебаний резонатора электронного блока управления.

Твердотельный волновой гироскоп (фиг. 1) содержит верхнее основание корпуса 1 с дискретными электродами 2, кольцевым электродом 3 и электродами датчиков 4, полусферический кварцевый резонатор 5 с металлизированной внешней поверхностью 6 и ножкой 7, нижнее основание корпуса 8.

Твердотельный волновой гироскоп (фиг.2) отличается от гироскопа (фиг.1) тем, что отсутствует верхнее основание корпуса 1, а дискретные электроды 2, кольцевой электрод 3 и электроды датчиков 4 расположены на нижнем основании корпуса 8.

Твердотельный волновой гироскоп работает следующим образом. При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн дискретным электродом, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется интегральная величина зазора емкостных преобразователей перемещения, образованных электродами датчиков 4 и металлизированной поверхностью резонатора 6. Если пучность стоячей волны находится в центре датчика, изменение величины зазора максимально, а при нахождении в центре датчика узла стоячей волны изменения величины зазора не происходит. При нахождении стоячей волны между датчиками изменение величины зазора в датчиках для второй собственной моды стоячей волны по соответствующим осям пропорционально удвоенному косинусу и синусу угла положения пучности стоячей волны.

Электронный блок управления (фиг.3) дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, подключенные к электродам датчиков, например эталонные резисторы, соединенные с выходом генератора переменного напряжения 9, вырабатывающего напряжение, являющееся периодической функцией времени t с частотой ω₁, причем значение ω₁ > 6ω, где ω является угловой частотой колебаний резонатора. Сигналы с датчиков д1 и д5 подаются на прямой вход, а сигналы с датчиков д3 и д7 - на инверсный вход дифференциального усилителя-сумматора 10, сигналы с датчиков д2 и д6 подаются на прямой вход, а сигналы с датчиков д4 и д8 - на инверсный вход дифференциального усилителя-сумматора 11. Выходы усилителей подключаются к синхронным детекторам 12 и 13, на которые подается опорное переменное напряжение, сигнал с детекторов подается на фильтры низких частот 14 и 15 с частотой среза меньше, чем 6ω, где ω является угловой частотой колебаний резонатора. Аналогичное устройство может быть реализовано и при подаче прямого и инверсного напряжения высокой частоты на соответствующие группы датчиков с последующим сложением сигналов на обычных сумматорах. Напряжения на выходе фильтров U1 и U2 пропорциональны сигналам колебаний резонатора по соответствующим осям и подаются на входы устройства стабилизации амплитуды колебаний, устройства возбуждения и подавления квадратурных составляющих колебаний, устройства вычисления угла электронного блока управления.

В электронном блоке управления могут быть применены аналого-цифровые преобразователи суммарных сигналов и цифровые процессоры обработки сигналов для выполнения операций цифровой демодуляции и фильтрации сигналов датчиков с последующей обработкой сигналов колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа.

Испытания заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа проводились с резонатором диаметром 60 мм и частотой собственных колебаний 2,7 кГц, с металлизацией внешней поверхности, при ширине электродов датчиков 10 мм, высоте электродов 5 мм, рабочем зазоре 100 мкм. Частота опорного переменного напряжения составляла 126 кГц, частота среза фильтров 10 кГц.

При амплитуде колебаний резонатора на воздухе 2 мкм и коэффициенте усиления 1000 амплитуда выходного сигнала для схемы фиг.3 составляла 640 мВ. Автоколебательная схема с одним дискретным электродом обеспечивала устойчивое возбуждение колебаний резонатора на воздухе.

Экспериментальные испытания заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа подтверждают эффективность ее применения, приводящую к повышению точности измерения параметров колебаний резонатора, значительному упрощению конструкции твердотельного волнового гироскопа и снижению требований к степени вакуума в приборе.

Источники информации
1. Патент США 4157041, G 01 C 19/56, (опубл. 05.06.79).

2. Патент США 4951508, G 01 С 19/56, (опубл. 28.08.90).

3. Ацюковский В. А. Емкостные преобразователи перемещения. - М.-Л.: Энергия, 1966 г.

Гироскоп предназначен для измерения углов в системах управления. Гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус с множеством закрепленных на нем электродов датчиков и электродов управления, находящихся в непосредственной близости к электродам резонатора. На электрод резонатора, расположенный напротив электродов датчиков, подается нулевой потенциал, на электроды датчиков подается опорный переменный ток высокой частоты, сигналы колебаний резонатора снимаются с емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами датчиков и электродом резонатора. Электроды датчиков и электроды управления находятся на одной поверхности корпуса. При этом повышается точность и упрощается конструкция прибора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации по меньшей мере на одной из множества мод стоячих волн, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков и электродов управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и вычисления угла, отличающийся тем, что электрод резонатора, закрепленный напротив электродов датчиков, присоединен к нулевому потенциалу, а электроды датчиков - к источникам опорных переменных токов высокой частоты, электродами датчиков и электродом резонатора образованы емкостные преобразователи перемещений. 2. Твердотельный волновой гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что электронный блок управления дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, дифференциальные усилители-сумматоры сигналов с емкостных преобразователей перемещений, устройства детектирования и фильтрации низких частот для выделения сигналов колебаний резонатора. 3. Твердотельный волновой гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что электроды управления и электроды датчиков закреплены на одной поверхности корпуса.