ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП С ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ КОЛЕБАНИЙ РЕЗОНАТОРА И СПОСОБ СЧИТЫВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2002 года по МПК G01C19/56 

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

Известен вибрационный датчик вращения [1], содержащий полусферический кварцевый резонатор с металлизированными внешней и внутренней полусферическими поверхностями, резонатор закреплен в корпусе, состоящем из нижнего и верхнего оснований. На полусферической поверхности верхнего основания корпуса закреплены кольцевой и шестнадцать электродов управления, а восемь электродов датчиков закреплены на полусферической поверхности нижнего основания.

В вибрационном датчике вращения внутренняя металлизированная поверхность резонатора подключается к постоянному потенциалу. Сигналы колебаний резонатора снимаются с буферных усилителей со сверхвысоким входным импедансом, подключенных к электродам емкостных датчиков на нижнем основании корпуса, и подаются на вход электронного блока управления, выходы которого подключены к кольцевому и дискретным электродам управления.

Недостатком данной конструкции является снижение добротности резонатора, вызванное металлизацией внешней и внутренней поверхностей; датчики на нижнем или верхнем основании находятся в области середины полусферической поверхности резонатора, где амплитуда колебаний резонатора значительно меньше, чем амплитуда колебаний кромки резонатора, что приводит к снижению точности измерений; постоянное напряжение на электроде резонатора приводит к накоплению заряда на поверхности корпуса и появлению токов утечки между электродами датчиков и, как следствие, возникновению дополнительных составляющих ухода гироскопа.

Эти недостатки устранены в твердотельном волновом гироскопе [2], содержащем полусферический кварцевый резонатор с метализированными внутренней полусферической поверхностью и торцевой поверхностью, закрепленной на нижнем основании корпуса. Сигнал колебаний резонатора снимается с емкостных преобразователей перемещений, образованных электродами нижнего основания и электродом на торцевой поверхности резонатора.

Недостатком такой конструкции являются сложность используемой высокочастотной электроники, необходимость применения схем с высоким входным импедансом для уменьшения паразитных емкостей, приводящих к снижению точности измерений.

Недостатки емкостных датчиков колебаний резонатора частично устранены в вибрационном датчике вращения со считыванием сканирующим туннельным преобразователем [3], являющимся наиболее близким по конструкции и способу считывания и управления к предлагаемому изобретению. Вибрационный датчик вращения со считыванием сканирующим туннельным преобразователем содержит полусферический кварцевый резонатор с металлизированными внешней и внутренней полусферическими поверхностями, резонатор закреплен в корпусе, состоящем из нижнего и верхнего оснований.

На полусферической поверхности верхнего основания корпуса закреплены кольцевой и шестнадцать электродов управления, а восемь преобразователей датчиков расположены напротив внутренней поверхности резонатора на полусферической поверхности нижнего основания. Расстояние между поверхностями преобразователей датчиков и внутренней поверхностью резонатора достаточно мало для осуществления квантово-механического туннелирования. При колебаниях резонатора изменяется расстояние между поверхностями преобразователей и поверхностью резонатора, что вызывает изменение тока туннелирования и измеряется электроникой блока управления.

К недостаткам приведенной конструкции можно отнести:
- снижение добротности резонатора, вызванное металлизацией внешней и внутренней поверхностей,
- сложность используемых датчиков и прецизионной электроники,
- сложность конструкции и сборки прибора,
- малая величина зазора между поверхностью нижнего основания и внутренней поверхностью резонатора требует поддержания высокой степени вакуума в приборе.

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

Для получения указанного технического результата представлен 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 управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей, на корпусе под углом 45^o друг к другу относительно оси симметрии закреплены по меньшей мере два источника оптического излучения, оптическое излучение источников направлено на светоотражающую часть поверхности резонатора, отраженное оптическое излучение каждого источника оптического излучения направлено на закрепленный на корпусе по меньшей мере один фоточувствительный приемник, источниками оптического излучения, светоотражающей частью поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками образованы фотоэлектрические преобразователи перемещений. Электронный блок управления содержит устройства управления источниками оптического излучения, соединенные с источниками оптического излучения, и устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников, соединенные с фоточувствительными приемниками, для выделения сигналов колебаний резонатора.

Отличительными признаками в заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа является то, что:
- металлизируется полностью или частично одна из полусферических поверхностей резонатора, что повышает добротность резонатора и увеличивает точность прибора,
- часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей (либо часть торцевой поверхности, либо часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности, либо часть торцевой поверхности и часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности),
- сигналы колебаний резонатора снимаются с оптоэлектронных преобразователей перемещений [4] , образованных источниками оптического излучения, светоотражающей частью поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками, что упрощает конструкцию всего прибора в целом,
- источники оптического излучения и фоточувствительные приемники закреплены в непосредственной близости к торцевой поверхности резонатора, амплитуда торцевых колебаний резонатора максимальна, что повышает точность измерения параметров колебаний,
- использование оптоэлектронных преобразователей перемещений позволяет значительно увеличить зазор между поверхностями основания и резонатора, что снижает требования к степени вакуума в приборе,
- для повышения уровня сигналов, снимаемых с фоточувствительных приемников при колебаниях резонатора, светоотражающая поверхность резонатора может быть выполнена в виде растра и на поверхность источников оптического излучения или на поверхность фоточувствительных приемников может быть нанесен оптически непрозрачный растр, что увеличивает точность измерений.

В предложенном способе считывания и управления твердотельного волнового гироскопа, включающем считывание сигналов колебаний резонатора и подачу управляющих сигналов, генерируют оптические излучения, направляют их на резонатор, имеющий светоотражающую поверхность, отражаясь от которой оптические излучения попадают на фоточувствительные приемники, и определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения действий над сигналами фоточувствительных приемников.

Отличительными признаками данного способа является то, что, используя для определения параметров колебаний резонатора фотоэлектрические преобразователи перемещений, генерируют оптические излучения, направляют их на резонатор, имеющий светоотражающую поверхность, отражаясь от которой, оптические излучения попадают на фоточувствительные приемники, и определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения действий над сигналами фоточувствительных приемников. Это позволяет отказаться от применения сложной высокочастотной и прецизионной электроники, повысить точность измерения параметров колебаний резонатора и, соответственно, точность прибора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-6.

Фиг.1 показывает общий вид твердотельного волнового гироскопа.

Фиг.2 показывает изменение величины оптического потока источников оптического излучения, расположенных напротив светоотражающих поверхностей резонатора, на фоточувствительных приемниках при колебаниях резонатора. Фиг.2А соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном напротив светоотражающей торцевой поверхности резонатора, Фиг. 2Б соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном напротив светоотражающей торцевой поверхности резонатора, Фиг.2В соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном напротив светоотражающей внутренней поверхности резонатора, Фиг.2Г соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном напротив светоотражающей внутренней поверхности резонатора.

Фиг. 3 и 4 показывают варианты расположения светоотражающей поверхности на резонаторе и расположения источников оптического излучения и фоточувствительных приемников на корпусе. Фиг.3А показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительного приемника напротив светоотражающей торцевой поверхности резонатора, Фиг.3Б показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительных приемников, включенных по дифференциальной схеме, напротив светоотражающей торцевой поверхности резонатора, Фиг.3В показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительного приемника напротив светоотражающей внутренней поверхности резонатора, Фиг.3Г показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительных приемников, включенных по дифференциальной схеме, напротив светоотражающей внутренней поверхности резонатора. Фиг.4А показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительного приемника напротив светоотражающей фаски на торцевой поверхности резонатора, Фиг.4Б показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительных приемников, включенных по дифференциальной схеме, напротив светоотражающих фасок на торцевой поверхности резонатора, Фиг.4В показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительного приемника напротив светоотражающих фасок на торцевой поверхности резонатора, Фиг.4Г показывает расположение источника оптического излучения и фоточувствительных приемников, включенных по дифференциальной схеме, напротив светоотражающих фасок на торцевой поверхности резонатора.

Фиг. 5 показывает вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения и фоточувствительными приемниками, расположенными напротив светоотражающей торцевой поверхности резонатора. Фиг. 5А показывает конструкцию твердотельного волнового гироскопа, Фиг.5Б показывает взаимное расположение источников оптического излучения и фоточувствительных приемников, Фиг. 5В показывает функциональную схему устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Фиг. 6 показывает изменение величины оптического потока при колебаниях резонатора для варианта конструкции твердотельного волнового гироскопа со светоотражающей торцевой поверхностью, выполненной в виде растра, фоточувствительными приемниками с нанесенным оптически непрозрачным растром. Фиг. 6А соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике, Фиг. 6Б соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике.

Твердотельный волновой гироскоп (фиг.1) содержит полусферический резонатор 1 из кварцевого стекла со светоотражающей торцевой поверхностью 2 и металлизированной светоотражающей внутренней поверхностью 3, нижнее основание корпуса 4 с фоточувствительными приемниками 5, шестнадцатью электродами управления 6, кольцевым электродом управления 7, источниками оптического излучения 8.

Способ считывания и управления твердотельным волновым гироскопом заключается в том, что генерируют оптические излучения источниками оптического излучения 8, направляют их на резонатор 1, имеющий светоотражающую поверхность 3, отражаясь от которой, оптические излучения попадают на фоточувствительные приемники 5, и определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения операций обработки сигналов фоточувствительных приемников, включающих, например, усиление и преобразование сигналов.

Твердотельный волновой гироскоп работает следующим образом. При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн электродом управления, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется величина оптического потока источников оптического излучения 8, отраженного от торцевой поверхности 2 или от внутренней поверхности 3 и попадающего на фоточувствительные приемники 5. Если пучность стоячей волны находится в центре фоточувствительного приемника, изменение величины оптического потока максимально (Фиг. 2А, 2В), а при нахождении в центре фоточувствительного приемника узла стоячей волны, изменения величины оптического потока не происходит (Фиг.2Б, 2Г). При нахождении стоячей волны между фоточувствительными приемниками изменение величины оптического потока для второй собственной моды стоячей волны по соответствующим осям пропорционально удвоенному косинусу и синусу угла положения пучности стоячей волны. Изменение оптического потока вызывает изменение величины, например, светового тока для фотодиодов и, соответственно, изменение амплитуды напряжений на выходе устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Предлагается несколько вариантов расположения светоотражающей поверхности на резонаторе и расположения источников оптического излучения и фоточувствительных приемников.

В первом варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив светоотражающей торцевой поверхности резонатора (Фиг.3А, 3Б, Фиг. 4А-Г), по меньшей мере часть торцевой поверхности резонатора выполнена светоотражающей, источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив торцевой поверхности резонатора. Светоотражающей может быть выполнена часть торцевой поверхности резонатора, например фаска (Фиг. 4А), для повышения чувствительности на торцевой поверхности резонатора могут быть выполнены две светоотражающие фаски, расположенные под углом 90^o друг к другу (Фиг.4Б), фоточувствительные приемники в этом случае включаются по дифференциальной схеме. Аналогичные результаты могут быть получены и при выполнении светоотражающими двух внутренних фасок на торцевой поверхности резонатора (Фиг.4В), для повышения чувствительности фоточувствительные приемники включаются по дифференциальной схеме (Фиг.4Г), при этом источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены в одной плоскости.

Во втором варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа по меньшей мере часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности резонатора, выполнена светоотражающей, источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив светоотражающей части поверхности резонатора, например внутренней поверхности резонатора (Фиг.3В, 3Г).

В третьем варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа по меньшей мере часть торцевой поверхности резонатора и по меньшей мере часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности резонатора, выполнена светоотражающей, источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив светоотражающих торцевой и, например, внутренней поверхностей резонатора. Когда фоточувствительные приемники расположены напротив светоотражающей торцевой поверхности, то аналогичны показанным на Фиг.3А, 3Б, а фоточувствительные приемники напротив светоотражающей внутренней поверхности резонатора могут быть расположены аналогично показанным на Фиг.3В, 3Г.

Конструкция варианта твердотельного волнового гироскопа показана на Фиг. 5А. Источники оптического излучения и11, и12, и13, и14 и соответствующие фоточувствительные приемники п11, п12, п13, п14 расположены по первой оси колебаний резонатора, а источники оптического излучения и21, и22, и23, и24 и соответствующие фоточувствительные приемники п21, п22, п23, п24 расположены по второй оси колебаний резонатора (Фиг.5Б). Сигналы с фоточувствительных приемников подаются на устройство преобразования сигналов фоточувствительных приемников, содержащее, например, усилители фототока 9 и дифференциальные усилители 10 (Фиг.5В).

Напряжения с выходов устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников Vc и Vs, пропорциональные сигналам колебаний резонатора по соответствующим осям, 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 устройства управления источниками оптического излучения, позволяющие регулировать величину оптического излучения источников, что позволяет скомпенсировать погрешности сборки прибора и разницу в чувствительности фотоприемников.

Для повышения уровня сигнала, снимаемого с фоточувствительных приемников при колебаниях резонатора, во всех заявляемых вариантах конструкций светоотражающая поверхность может быть выполнена в виде растра и на поверхность источников оптического излучения или на поверхность фоточувствительных приемников может быть нанесен оптически непрозрачный растр. На фиг.6 показаны светоотражающая торцевая поверхность резонатора 2, выполненная в виде растра, фоточувствительные приемники 5 с нанесенным оптически непрозрачный растром. Растр 11 на торцевой поверхности резонатора и растр 12 на поверхности фоточувствительных приемников смещены относительно друг друга. Нанесение оптически непрозрачного растра позволяет повысить уровень сигналов колебаний резонатора и соответственно повысить точность измерения положения колебательной картины пропорционально числу нанесенных линий растра.

Во всех заявляемых конструкциях светоотражающая поверхность может быть выполнена, например, полированием или нанесением светоотражающего покрытия на полированную поверхность.

Предлагаемый способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа может быть реализован с использованием аналого-цифровых преобразователей сигналов фоточувствительных приемников, цифровых процессоров обработки сигналов, выполняющих считывание, обработку сигналов колебаний резонатора, вычисление управляющих функций, и цифроаналоговых преобразователей, вырабатывающих управляющие напряжения.

Испытания заявляемых конструкций твердотельного волнового гироскопа проводились с резонатором диаметром 30 мм и частотой собственных колебаний 5,7 кГц, с металлизацией внутренней поверхности и полированной торцевой поверхностью. В качестве источников оптического излучения использовались светодиоды, а в качестве фоточувствительных приемников использовались фотодиоды. Расстояние от источников оптического излучения и фоточувствительных приемников до торцевой поверхности резонатора составляло ~1 мм.

При амплитуде колебаний резонатора на воздухе 1 мкм амплитуда выходного сигнала для схемы фиг. 5 без нанесенного оптически непрозрачного растра составляла около 800 мВ.

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

Источники информации
1. Патент США 4951508, G 01 С 19/56 (опубл. 28.08.90).

2. Патент РФ 2168702, G 01 C 19/56 (опубл. 10.06.01).

3. Патент США 5712427, G 01 P 09/04 (опубл. 27.01.98).

4. Домрачев В.Г. и др. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 392 с.

Способ и гироскоп могут быть использованы 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, к которому крепятся резонатор и множество электродов управления, находящихся в непосредственной близости к электродам резонатора. Часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей. В непосредственной близости к светоотражающей части поверхности резонатора закреплены по меньшей мере два источника оптического излучения и по меньшей мере два фоточувствительных приемника. Оптическое излучение направляют на резонатор. Отражаясь от светоотражающей поверхности резонатора, излучение попадает на фоточувствительные приемники. Параметры стоячих волн определяют путем выполнения действий над сигналами фотоприемников. При этом повышается точность и упрощается конструкция прибора. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 6 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 управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, отличающийся тем, что часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей, на корпусе под углом 45^o друг к другу относительно оси симметрии дополнительно закреплены по меньшей мере два источника оптического излучения, оптическое излучение источников направлено на светоотражающую часть поверхности резонатора, отраженное оптическое излучение каждого источника оптического излучения направлено на дополнительно закрепленный на корпусе по меньшей мере один фоточувствительный приемник, источниками оптического излучения, светоотражающей частью поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками образованы фотоэлектрические преобразователи перемещений. 2. Твердотельный волновой гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что электронный блок управления дополнительно содержит устройства управления источниками оптического излучения, соединенные с источниками оптического излучения, и устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников, соединенные с фоточувствительными приемниками для выделения сигналов колебаний резонатора. 3. Твердотельный волновой гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере часть торцевой поверхности резонатора выполнена светоотражающей. 4. Твердотельный волновой гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности резонатора, выполнена светоотражающей. 5. Твердотельный волновой гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере часть торцевой поверхности резонатора выполнена светоотражающей и по меньшей мере часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности резонатора, выполнена светоотражающей. 6. Твердотельный волновой гироскоп по п. 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что светоотражающие части поверхности резонатора выполнены в виде растра. 7. Твердотельный волновой гироскоп по п. 6, отличающийся тем, что на поверхность фоточувствительных приемников по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 8. Твердотельный волновой гироскоп по п. 6, отличающийся тем, что на поверхность источников оптического излучения по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 9. Способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа, включающий считывание сигналов колебаний резонатора и подачу управляющих сигналов, отличающийся тем, что генерируют оптические излучения, направляют их на резонатор, имеющий светоотражающую поверхность, отражаясь от которой оптические излучения попадают на фоточувствительные приемники и определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения действий над сигналами фоточувствительных приемников.