ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ДАТЧИК И ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ, ОСНОВАННЫЙ НА ЕГО ПРИМЕНЕНИИ Российский патент 2002 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к гироскопическим датчикам вообще, содержащим механический элемент, так называемый резонатор, обладающий способностью вибрировать в резонанс с механической вибрацией, детекторы, чувствительные к удлинению резонатора, вызываемому вибрацией, и измерительные преобразователи сил, прилагаемых к резонатору, и, в частности, к гироскопическим датчикам, резонатор которых, в виде колокола или сферического сегмента вращения, закреплен по оси и выполнен с кольцевым ободком, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси, на удалении от точки крепления в аксиальном направлении.

Известны гироскопические датчики, использующие такой резонатор. Примеры осуществления можно найти в патенте США 4157041 (Корпорация Дженерал Моторс) и патенте США 4951508. Обычно резонатор состоит из полусферы из двуокиси кремния, позволяющей получать очень высокую добротность, которая может превышать 5.10⁶. Детекторы емкостного типа устанавливаются таким образом, что вибрационное удлинение резонатора в радиальном направлении изменяет расстояние между электродами. Измерительные преобразователи, предназначенные для возбуждения резонанса, размещаются для возбуждения электростатических сил по меньшей мере в двух отдельных радиальных направлениях, где удлинение определяется по изменению расстояния между электродами.

Для получения достаточной эффективности обнаружения и возбуждения межэлектродные зазоры детектора и преобразовательные датчики должны быть маленькими. На практике, неподвижные электроды измерительных преобразователей и детекторов устанавливаются на сферические детали, -вогнутые или выпуклые, - в зависимости от того, находятся ли они снаружи или внутри резонатора, которые точно подгоняются для получения межэлектродных зазоров. Практически невозможно выйти на значения менее 100-200 мкм.

Изготовление такого датчика обходится очень дорого. Получение малых и идентичных межэлектродных зазоров между сферическими деталями требует при изготовлении высокой степени точности и точного соблюдения концентричности. Причем, получить электроды на сферической поверхности значительно труднее, чем на плоской. Трассы электропроводки, предназначенные для формирования электрических связей, и, возможно, создаваемые вокруг электродов детектора и измерительного преобразователя роговые разрядники, также трудно изготовить в трехмерном варианте. И, наконец, необходимо обеспечить соответствие коэффициентов теплового линейного расширения резонатора и сферической детали, на которую устанавливаются неподвижные электроды.

Все эти ограничивающие условия до сих пор сдерживали применение датчиков с резонатором в виде полусферы или колокола для изделий верхнего диапазона качества, для которых приемлема высокая стоимость.

Целью данного изобретения является создание гироскопического датчика вышеописанного типа, который можно будет получать значительно дешевле, чем существующие на сегодняшний день датчики.

С этой целью для изобретения используется незамеченный до сих пор факт, заключающийся в том, что ободок колоколообразного или сферообразного резонатора, приводимый в возбуждение в режиме вибрации, вызывающем деформацию с радиальными и тангенциальными составляющими, содержит также составляющую смещения, параллельную оси резонатора. В частном случае полусферического резонатора можно видеть, что амплитуда осевого смещения равна половине амплитуды радиального смещения.

Изобретение, в частности, предлагает датчик, содержащий:
- резонатор в виде колокола или полусферы вращения, закрепленный по оси и имеющий кольцевой ободок, расположенный в перпендикулярной оси плоскости, на удалении от точки крепления резонатора в осевом направлении,
- и основание, снабженное средствами детектирования и возбуждения, взаимодействующими с резонатором, отличающийся тем, что средства детектирования и возбуждения взаимодействуют с осевой составляющей вибрации резонатора.

Согласно одному из вариантов выполнения изобретения целесообразно, чтобы данные средства включали детекторы и измерительные преобразователи, которые могут размещаться на основании, которое расположено ортогонально оси (под прямым углом), против проводящего ободка резонатора.

Детекторы и/или измерительные преобразователи могут иметь любую известную различную конструкцию. Они могут содержать электроды, взаимодействующие с резонатором для получения емкостных датчиков и электроды, взаимодействующие с резонатором для получения емкостных измерительных преобразователей возбуждения.

Средства детектирования и возбуждения могут быть представлены одними и теми же элементами, работающими в режиме разделенного времени или использующими модуляцию несущей частоты на разных частотах. Обнаружение смещений при наличии сигнала возбуждения может в этом случае осуществляться путем синхронного детектирования. Кроме того, детекторы и/или измерительные преобразователи могут быть иного, а не электростатического типа.

Целесообразно, чтобы нижняя часть резонатора крепилась на основании при помощи средств, выполняемых из материала, имеющего примерно такой же коэффициент теплового линейного расширения, что и резонатор, с тем, чтобы обеспечить малую чувствительность датчика к температурным колебаниям.

Как мы видим, датчик по предлагаемому изобретению использует осевую (аксиальную) составляющую смещения ободка резонатора для обнаружения амплитуды вибрации в точках измерения, а также для возбуждения вибрации.

В случае, когда резонатор не является полусферическим, амплитуда аксиального смещения ободка не будет больше обязательно равна половине амплитуды радиального смещения. В частности, амплитуда аксиальных деформаций ободка уменьшается, когда глубина (аксиальная длина) резонатора возрастает по сравнению с полусферической формой.

На практике, в нерабочем положении следует принимать межэлектродный зазор в пределах от 5 до 100 мкм, обычно в пределах от 5 до 20 мкм, то есть значения, которые гораздо легче соблюдать при наличии плоских, обращенных друг к другу поверхностей, чем в случае сферических поверхностей. Для сохранения приемлемых размеров обычно следует применять резонатор, имеющий собственную частоту менее 10 кГц. Целесообразно размещать датчик в вакууме для уменьшения затухания.

Резонатор может иметь постоянную толщину стенки. Толщина стенки может также быть увеличена в части, прилегающей к ободку, с тем, чтобы увеличить активную поверхность электродов, устанавливаемых на основании. Целесообразно, чтобы радиальный размер устанавливаемых на основании электродов превышал радиальный размер ободка резонатора, с тем, чтобы они выступали с каждого края, и чтобы небольшое нарушение центровки не оказывало воздействия на измерение.

Вышеуказанные особенности, а также иные особенности предлагаемого изобретения будут лучше поняты из нижеследующего описания конкретных не ограничивающих вариантов выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 схематично показывает полусферический резонатор и указывает параметры, участвующие в вибрации;
фиг. 2 показывает крайние формы, которые принимает при вибрации второго порядка резонатор изображенного на фиг. 1 типа, причем деформация на чертеже утрирована для большей ясности;
фиг. 2 А показывает в плоскости, расположенной под 45 градусов относительно плоскости фиг.2, крайнюю форму, который может принимать резонатор;
фиг. 3 представляет собой возможный вариант установки резонатора на основание;
фиг. 4 представляет собой схему в плане, показывающую возможное расположение электродов, измерительных преобразователей и детекторов на основании,
фиг. 5 и 6 представляют собой схемы, показывающие варианты выполнения резонатора, и
фиг. 7 схематично в плане показывает межэлектродный зазор конденсатора, применяемого в качестве детектора, вместо электродов фиг. 4.

Перед тем, как описывать материальное устройство гироскопического датчика, следует показать, что деформация резонатора в виде полусферы или колокола носит сложный характер и не может рассматриваться как приводящая к чисто радиальному или тангенциальному колебанию ободка.

В системе сферических координат, и с учетом обозначений, показанных на фиг. 1, аналитическими уравнениями для моды n=2, (то есть, основной моды) являются следующие:



В точке, соответствующей экватору α=90^o, уравнения приобретают следующий вид:
u = Acos2(ϕ-ϕ₀)sinω(t-t₀)+Bsin2(ϕ-ϕ₀)cosω(t-t₀)
v = Asin2(ϕ-ϕ₀)sinω(t-t₀)-Bcos2(ϕ-ϕ₀)cosω(t-t₀)

В этих формулах u, v и w соответственно обозначают амплитуду аксиального смещения, тангенциального смещения и радиального смещения, а ϕ-обозначает азимут.

Фиг. 2 показывает сплошной и пунктирной линией последовательные формы, соответственно принимаемые резонатором, испытывающим вибрацию, а также наличие аксиального удлинения, составляющего половину от радиального удлинения.

До сих пор использовалось только радиальное смещение w. Изобретение же предлагает использовать аксиальное смещение u. Амплитуда данного смещения равна в случае полусферического резонатора половине амплитуды радиального смещения w, что, на первый взгляд, может восприниматься как недостаток.

Однако в действительности, данное уменьшение подлежащей измерению амплитуды более чем компенсируется весьма благоприятными характеристиками. Благодаря тому, что межэлектродный зазор (расстояние между электродами) является плоским, его можно точно измерить, например, при помощи щупа, при установке резонатора на основание. Можно легко сократить значение межэлектродного зазора до величины в пределах от 10 до 20 мкм, то есть в десять раз меньше, чем у традиционной структуры. Эффективность измерительных преобразователей и детекторов в первом приближении пропорциональна поверхности электродов, поделенной на межэлектродный зазор в квадрате. Из этого видно преимущество предлагаемого изобретения, которое позволяет значительно сократить межэлектродный зазор. Поскольку значение зазора берется в квадрате, уменьшая зазор, мы компенсируем, и с избытком, уменьшение активной поверхности электродов.

Датчик, изображенный на фиг.3, содержит основание 10, на котором крепится при помощи стержня 12 резонатор 14. Для того чтобы размер межэлектродного зазора мало изменялся под воздействием температуры, предпочтительно, чтобы стержень крепления 12 был выполнен из того же материала, что и резонатор или из материала, имеющего близкий коэффициент теплового линейного расширения.

Резонатор может быть выполнен из двуокиси кремния, что позволяет получать высокие кратности перенапряжения и иметь токопроводящее металлическое покрытие. Такое металлическое покрытие может сводиться к металлическому кольцу, покрывающему ободок резонатора, или к металлизированным токопроводящим элементам для подачи опорного потенциала, которым может быть постоянный потенциал (обычно масса) или регулируемый потенциал. Часто будет возможно за счет простой химической поверхностной обработки двуокиси кремния создавать достаточный для получения высокого перенапряжения уровень качества сферической поверхности, что избавляет от необходимости проведения этапа шлифовки, неизбежного при традиционном выполнении устройства.

В то же время, учитывая, что кпд измерительных преобразователей возбуждения превышает кпд обычных схем, можно будет использовать более дешевый в производстве металлический резонатор. Стержень 12, если он выполнен из того же материала, что и резонатор, может выполняться за одно целое с последним и встраиваться в основание 10.

Основание может состоять из единой металлической детали, покрытой изолирующей пленкой, на которой будут расположены неподвижные электроды измерительных преобразователей и детекторов, толщина которых схематично показана позицией 16 на фиг.3.

Возможно различное расположение электродов. Обычно располагают по меньшей мере два электрода (или две пары противоположных электродов) в направлениях, которые являются взаимно ортогональными в системе координат выбранной моды, то есть под углом 45^o друг к другу в случае порядка 2. Аналогичным образом, можно разместить измерительные преобразователи приложения сил в двух взаимно ортогональных направлениях в той же системе отсчета.

Согласно варианту выполнения изобретения фиг.4 электростатические измерительные преобразователи определяются двумя парами электродов 24₁ и 24₂, каждая из которых установлена по одной, находящейся под углом 45^o к другой паре, линии, что позволяет поддерживать вибрацию порядка 2. Детекторы определяются двумя парами электродов 26₁ и 26₂, также расположенных по двум направлениям под углом 45^o друг к другу. Выходные сигналы, снимаемые с электродов 26₁ и 26₂, подаются на электронную вычислительную и силовую схему 22, которая питает измерительные преобразователи для поддержания постоянной амплитуды вибрации и выдает выходной сигнал, который, в зависимости от обстоятельств, будет пропорционален углу вращения или скорости.

Для того, чтобы неточность центровки резонатора не влияла на основание, и во избежание любого влияния радиальной составляющей вибрации на выходной сигнал, электроды 24 и 26 выполнены с радиальной шириной, превышающей ширину ободка резонатора 14, схематично показанную на позиции 28 фиг.4.

Можно видеть, что все внутренние связи датчиков можно выполнить в одном слое. Из чертежа также видно, что можно разместить роговые разрядники 30 по схеме, показанной прерывистой линией, для того чтобы исключить нежелательные связи.

Электронная схема измерения и управления 22 может иметь самую разную структуру. В частности, она может иметь устройство, описанное в документе ЕР-А-0810418, где она представляет собой ротаметрический датчик (гирометр). Можно также использовать один из вариантов устройства схемы, описанный в документе ЕР 0578519, который позволяет использовать данное устройство в варианте ротаметрического датчика (измеряет скорость вращения) и в варианте гироскопа (измеряет угол вращения).

Датчик также может, по прежнему работая в моде n=2, иметь 16 электродов, а не 8. Можно также заставить работать датчик в моде более высокого, чем второй, порядка, если увеличить число электродов, хотя такая модификация обычно не представляется целесообразной.

Вообще, следует выбирать механические характеристики резонатора таким образом, чтобы частота его собственных колебаний заключалась в пределах от 3 до 10 кГц, так как его кпд падает за пределами этого последнего значения. Полусферический резонатор с диаметром от 10 до 50 мм показал хорошие результаты. Амплитуду вибраций можно отрегулировать, с тем чтобы иметь диапазон в пределах от 0,5 до 1 мкм. Резонатор может быть подключен к массе через основание 12. В то же время, в иных случаях, может быть предпочтительным устанавливать для резонатора другой потенциал, как постоянный, так и регулируемый. Резонатор следует заключать в корпус (не показан), в котором будет устанавливаться пониженное давление, на практике менее 10^-3 миллибар, с тем, чтобы снизить воздушное демпфирование.

Как было указано выше, резонатор может иметь иную, нежели полусферическую форму. В частности, сечение резонатора в плоскости, проходящей через ось, может быть в виде отрезка параболы или эллипса.

Для увеличения поверхности элементарных конденсаторов, образованных измерительными преобразователями или детекторами, можно придать утолщение резонатору у его ободка. На фиг.5 показан резонатор, у которого получен данный результат путем придания цилиндрической формы внутренней поверхности резонатора на длину h, незначительную относительно общей глубины резонатора. В случае фиг.6 данный результат достигается за счет придания внутренней и наружной поверхности формы, которая отклоняется от сферической поверхности в зоне h, также имеющей незначительную протяженность по отношению к глубине резонатора.

Как указывалось выше, измерительные преобразователи и/или детекторы могут иметь конструкцию, отличающуюся от той, что показана на фиг.4. Так, фиг. 7 показывает пример датчика, состоящего из двух электродов, установленных на основании 10. Центральный электрод 34 имеет форму радиальной полосы. Другой электрод 36 выполнен в виде буквы U, ветви которой охватывают центральный электрод 34. В этом случае конструкция резонатора упрощается, поскольку отпадает необходимость в проводящем слое. Емкость конденсатора, образованного электродами 34 и 36, изменяется при аксиальных вибрациях из-за того, что диэлектрическая константа материала, из которого выполнен резонатор, например, двуокись кремния, отличается от константы воздушной среды, обычно имеющей очень низкое давление, в промежутке между ободком резонатора и электродами.

Как в случае фиг.4, электроды 34 и 36 должны иметь достаточную радиальную протяженность для того, чтобы небольшая неточность центровки резонатора не влияла на измерение, несмотря на наличие радиальной составляющей в вибрации резонатора.

Изобретение относится к области приборостроения. Гироскопический датчик включает резонатор в виде колокола или сферы вращения, закрепленный по оси и выполненный с кольцевым ободком, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси, на удалении от точки крепления резонатора в осевом направлении. На основании установлены средства детектирования и возбуждения, взаимодействующие с резонатором. Эти средства детектирования и возбуждения взаимодействуют с осевой составляющей вибрации резонатора. Технический результат - снижение стоимости датчика. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Гироскопический датчик, содержащий резонатор в виде колокола или сферического сегмента, выполненного с кольцевым ободком, расположенным в плоскости, перпендикулярной оси резонатора, основание, на котором установлены средства детектирования и возбуждения, взаимодействующие с резонатором, и средство для крепления резонатора по его оси к основанию, причем кольцевой ободок резонатора расположен на удалении в осевом направлении от точки крепления резонатора, отличающийся тем, что средства детектирования и возбуждения взаимодействуют с кольцевым ободком резонатора для обнаружения осевой составляющей его смещения при вибрации резонатора. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что средства детектирования и возбуждения включают детекторы и преобразователи, размещенные на плоском основании, ортогональном оси резонатора, напротив проводящего кольцевого ободка резонатора. 3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что детекторы и преобразователи содержат соответственно электроды, взаимодействующие с резонатором с образованием емкостных детекторов, и электроды, взаимодействующие с резонатором с образованием емкостных преобразователей возбуждения. 4. Датчик по п. 3, отличающийся тем, что в нерабочем состоянии расстояние между электродами и кольцевым ободком резонатора находится в пределах от 5 до 100 мкм. 5. Датчик по п. 3 или 4, отличающийся тем, что электроды выступают в радиальном направлении за оба края кольцевого ободка резонатора. 6. Датчик по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что для вибрации на моде второго порядка содержит, по меньшей мере, два комплекта электродов детекторов, расположенных под углом 45^o друг к другу, и два комплекта электродов преобразователей, расположенных под углом 45^o друг к другу, при этом электроды в каждом комплекте расположены по одной линии противоположно относительно оси резонатора. 7. Датчик по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что резонатор выполнен из металла или металлизированной окиси кремния. 8. Датчик по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что средство для крепления резонатора выполнено из материала, имеющего примерно такой же коэффициент теплового линейного расширения, что и материал резонатора. 9. Датчик по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что к резонатору подводится опорный постоянный или регулируемый потенциал при помощи средства для крепления резонатора. 10. Прибор для измерения параметров вращения, включающий датчик по любому из пп. 3-5 и электронную схему для приема выходных сигналов с электродом детекторов и подачи питания на электроды преобразователей для поддерживания вибрации резонатора на резонансной частоте, и средства для вычисления параметров вращения резонатора вокруг его оси на основе обработки выходных сигналов.