ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП С ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ КОЛЕБАНИЙ РЕЗОНАТОРА 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 металлизированными внутренней полусферической поверхностью и торцевой поверхностью, закрепленный 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 является 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, резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала, по меньшей мере часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей, на корпусе под углом 45 градусов друг к другу относительно оси симметрии закреплены по меньшей мере два источника оптического излучения, оптическое излучение источников направлено через резонатор на светоотражающую часть поверхности резонатора, отраженное оптическое излучение каждого источника направлено через резонатор на закрепленный на корпусе по меньшей мере один фоточувствительный приемник, расположенный диаметрально противоположно, источниками оптического излучения, оптически прозрачным резонатором, 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,
- резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала.

- часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей,
сигналы колебаний резонатора снимаются с оптоэлектронных преобразователей перемещений [4] , образованных источниками оптического излучения, светоотражающей частью поверхности резонатора, оптически прозрачным резонатором 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, на торцевую поверхность резонатора и на поверхность источников оптического излучения или на поверхность фоточувствительных приемников может быть нанесен оптически непрозрачный растр, что увеличивает точность измерений.

В зависимости от того, какая часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей, и от расположения источников излучения и фоточувствительных приемников относительно светоотражающей поверхности резонатора, а также учитывая свойства оптически прозрачного материала резонатора, рассматривается несколько конструкций твердотельного волнового гироскопа.

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

Фиг.1 показывает общий вид варианта конструкции твердотельного волнового гироскопа.

Фиг. 2 показывает изменение величины оптического потока источника оптического излучения, расположенного напротив светоотражающей фаски на торцевой поверхности резонатора, на фоточувствительном приемнике при колебаниях резонатора. Фиг. 2А показывает взаимное расположение светоотражающей фаски на торцевой поверхности резонатора и источника оптического излучения. Фиг.2Б соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном напротив торцевой поверхности резонатора. Фиг.2В соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном напротив торцевой поверхности резонатора.

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

Фиг.5 показывает первый вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения, расположенными напротив светоотражающей фаски на торцевой поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками, расположенными напротив 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 с нанесенным оптически непрозрачным растром на торцевую поверхность резонатора и на поверхность фоточувствительных приемников. 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 фаской 2 на торцевой поверхности 3 и металлизированной светоотражающей внутренней поверхностью 4, фоточувствительные приемники 5, шестнадцать электродов управления 6, кольцевой электрод управления 7, расположенные на нижнем основание корпуса 8, и источники оптического излучения 9.

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 9 отраженного от светоотражающей фаски 2 на торцевой поверхности 3, проходящего через резонатор 1 из кварцевого стекла и попадающего на фоточувствительные приемники 5. Если пучность стоячей волны находится в центре фоточувствительного приемника, изменение величины оптического потока максимально (фиг. 2Б), а при нахождении в центре фоточувствительного приемника узла стоячей волны, изменения величины оптического потока не происходит (фиг.2В). 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 усилителей фототока.

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

В первом варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа часть торцевой поверхности резонатора выполнена светоотражающей, источники оптического излучения расположены напротив светоотражающей части торцевой поверхности резонатора, а фоточувствительные приемники расположены напротив торцевой поверхности резонатора (фиг.2-3). Фиг.3А показывает расположение источника оптического излучения напротив светоотражающей фаски на торцевой поверхности резонатора. Фиг. 3Б показывает расположение фоточувствительного приемника напротив края торцевой поверхности резонатора, а фиг.3В показывает расположение фоточувствительных приемников, включенных по дифференциальной схеме, напротив края торцевой поверхности резонатора и края светоотражающей фаски на торцевой поверхности резонатора.

Во втором варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа часть торцевой поверхности резонатора выполнена светоотражающей, источники оптического излучения расположены напротив торцевой поверхности резонатора, а фоточувствительные приемники расположены напротив светоотражающей части торцевой поверхности резонатора (расположение источника оптического излучения соответствует расположению фоточувствительного приемника на фиг.3Б, а расположение фоточувствительного приемника излучения соответствует расположению источника оптического излучения на фиг.3А).

В третьем варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа источники оптического излучения расположены напротив светоотражающей, например, внутренней поверхности резонатора, получающейся при изготовлении резонатора после полировки поверхности и металлизации (фиг.4А). Источники располагаются таким образом, чтобы происходило полное внутреннее отражение в резонаторе, часть оптического потока рассеивается от внешней поверхности, но данная конструкция не требует выполнения светоотражающей фаски на торцевой поверхности. Фоточувствительные приемники расположены напротив торцевой поверхности. Фиг.4Б показывает расположение фоточувствительного приемника напротив края торцевой поверхности резонатора, а фиг.4В показывает расположение фоточувствительных приемников, включенных по дифференциальной схеме, напротив краев торцевой поверхности резонатора.

Конструкция первого варианта твердотельного волнового гироскопа показана на (фиг.5А). Источники оптического излучения и11, и12 и соответствующие фоточувствительные приемники п11, п12 расположены по первой оси колебаний резонатора, а источники оптического излучения и21, и22 и соответствующие фоточувствительные приемники п21, п22 расположены по второй оси колебаний резонатора (фиг. 5Б). Сигналы с фоточувствительных приемников подаются на устройство преобразования сигналов фоточувствительных приемников, содержащее, например, усилители фототока 10 и дифференциальные усилители 11 (фиг. 5В).

Напряжения с выходов устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников V_c и V_s, 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 на торцевую поверхность и на поверхность источников оптического излучения или на поверхность фоточувствительных приемников может быть нанесен оптически непрозрачный растр. На фиг.6 показана светоотражающая торцевая поверхность резонатора 3 и фоточувствительные приемники 5 с нанесенным оптически непрозрачный растром 12. Растр на торцевой поверхности резонатора и растр на поверхности фоточувствительных приемников смещены относительно друг друга. Фиг. 6А показывает изменение величины оптического потока при нахождении пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике. Фиг.6Б соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике. 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.

В электронном блоке управления могут быть применены аналого-цифровые преобразователи суммарных сигналов и цифровые процессоры обработки сигналов, выполняющие считывание, обработку сигналов колебаний резонатора, вычисление управляющих функций и цифроаналоговые преобразователи, вырабатывающие управляющие напряжения.

Испытания заявляемой конструкции 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 500 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, принятые во внимание
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.

Гироскоп может быть использован 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 крепится резонатор и множество электродов управления, находящихся в непосредственной близости к электродам резонатора. Резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала. По меньшей мере часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей. Напротив светоотражающей части поверхности резонатора закреплены по меньшей мере два источника оптического излучения, а в непосредственной близости к торцевой поверхности резонатора закреплен по меньшей мере один фоточувствительный приемник. При этом повышается точность и упрощается конструкция прибора. 8 з.п. ф-лы, 15 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 внешний 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 резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала, по меньшей мере 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 через резонатор на светоотражающую часть поверхности резонатора, отраженное оптическое излучение каждого источника направлено через резонатор на дополнительно закрепленный на корпусе по меньшей мере один фоточувствительный приемник, расположенный диаметрально противоположно, источниками оптического излучения, оптически прозрачным резонатором, 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. 3, отличающийся тем, что источники оптического излучения расположены напротив светоотражающей части торцевой поверхности резонатора, фоточувствительные приемники расположены напротив торцевой поверхности резонатора. 5. Твердотельный волновой гироскоп по п. 4, отличающийся тем, что на торцевую поверхность резонатора и на поверхность фоточувствительных приемников по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 6. Твердотельный волновой гироскоп по п. 3, отличающийся тем, что источники оптического излучения расположены напротив торцевой поверхности резонатора, фоточувствительные приемники расположены напротив светоотражающей части торцевой поверхности резонатора. 7. Твердотельный волновой гироскоп по п. 6, отличающийся тем, что на торцевую поверхность резонатора и на поверхность источников оптического излучения по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 8. Твердотельный волновой гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере часть поверхности резонатора, прилегающая к торцевой поверхности резонатора, выполнена светоотражающей, источники оптического излучения расположены напротив светоотражающей части поверхности резонатора, фоточувствительные приемники расположены напротив торцевой поверхности резонатора. 9. Твердотельный волновой гироскоп по п. 8, отличающийся тем, что на торцевую поверхность резонатора и на поверхность фоточувствительных приемников по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр.