СПОСОБ СЧИТЫВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА С ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ КОЛЕБАНИЙ РЕЗОНАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 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 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], являющемся наиболее близким по конструкции и способу считывания и управления к 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.

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, на корпусе напротив торцевой поверхности резонатора закреплены под углом 45 градусов друг к другу относительно оси симметрии по меньшей мере два источника оптического излучения, оптическое излучение каждого источника направлено через резонатор на находящийся диаметрально противоположно закрепленный на корпусе по меньшей мере один фоточувствительный приемник, источниками оптического излучения, оптически прозрачным резонатором 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.

Отличительные признаки заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа:
- металлизируется полностью или частично одна из полусферических поверхностей резонатора, что повышает добротность резонатора и увеличивает точность прибора,
- резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала,
- сигналы колебаний резонатора снимаются с оптоэлектронных преобразователей перемещений [4], 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, на поверхность источников оптического излучения и 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 через оптически прозрачный резонатор 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 через оптически прозрачный резонатор на фоточувствительные приемники и определяют параметры одной или более стоячих волн, выполняя действия 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.

Фиг.1 показывает общий вид твердотельного волнового гироскопа.

Фиг. 2 показывает изменение величины оптического потока источников оптического излучения на фоточувствительных приемниках, расположенных напротив края торцевой поверхности резонатора, при колебаниях резонатора. Фиг.2А соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике. Фиг. 2Б соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике. Фиг.2В показывает изменение величины оптического потока на фоточувствительных приемниках, включенных по дифференциальной схеме. Фиг. 2Г показывает изменение величины оптического потока, проходящего через резонатор, с источника оптического излучения, расположенного напротив края торцевой поверхности резонатора.

Фиг. 3 показывает вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения, расположенными напротив центра торцевой поверхности резонатора, и фоточувствительными приемниками, расположенными напротив края торцевой поверхности резонатора. Фиг.3А показывает конструкцию твердотельного волнового гироскопа. Фиг.3Б показывает взаимное расположение источников оптического излучения и фоточувствительных приемников. Фиг.3В показывает функциональную схему устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Фиг. 4 показывает вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения, расположенными напротив центра торцевой поверхности резонатора, и фоточувствительными приемниками, расположенными напротив краев торцевой поверхности резонатора, включенными по дифференциальной схеме. Фиг.4А показывает конструкцию твердотельного волнового гироскопа. Фиг.4Б показывает взаимное расположение источников оптического излучения и фоточувствительных приемников. Фиг.4В показывает функциональную схему устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Фиг. 5 показывает вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения и фоточувствительными приемниками, расположенными напротив края 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 с нанесенным оптически непрозрачным растром и оптически непрозрачным растром, нанесенным на поверхность фотоприемников. 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 с полированной торцевой поверхностью 2 и металлизированной 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 через оптически прозрачный резонатор 1 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 с источников оптического излучения 8, попадающего на фоточувствительные приемники 5 через полированную торцевую поверхность 2 и через полусферический резонатор 1. Если пучность стоячей волны находится в центре фоточувствительного приемника, изменение величины оптического потока максимально (Фиг.2А), а при нахождении в центре фоточувствительного приемника узла стоячей волны изменения величины оптического потока не происходит (Фиг.2Б). 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 изменение амплитуды напряжений на выходе устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Предлагается рассмотреть три варианта конструкции твердотельного волнового гироскопа с оптическими датчиками колебаний резонатора.

В первом варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа источники оптического излучения расположены напротив центра торцевой поверхности резонатора, а фоточувствительные приемники расположены напротив края торцевой поверхности резонатора (Фиг.3А). Источники оптического излучения и11, и12 и соответствующие фоточувствительные приемники п1l, 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.3Б). Сигналы с фоточувствительных приемников подаются на устройство преобразования сигналов фоточувствительных приемников, содержащее, например, усилители фототока 9 и дифференциальные усилители 10 (Фиг.3В).

Во втором варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа для повышения точности источники оптического излучения расположены напротив центра торцевой поверхности резонатора, а фоточувствительные приемники, включенные по дифференциальной схеме, расположены напротив краев торцевой поверхности резонатора (Фиг.4А). Использование дифференциальной пары фоточувствительных приемников позволяет повысить чувствительность к изменению оптического потока при колебаниях резонатора и повысить точность измерения амплитуды колебаний резонатора (Фиг.2В). Источники оптического излучения и11, и12 и соответствующие фоточувствительные приемники п11, п12, п13, п14 расположены по первой оси колебаний резонатора, а источники оптического излучения и21, и22 и соответствующие фоточувствительные приемники п21, п22, п23, п24 расположены по второй оси колебаний резонатора (Фиг.4Б). Сигналы с фоточувствительных приемников подаются на устройство преобразования сигналов фоточувствительных приемников, содержащее, например, усилители фототока 9 и дифференциальные усилители 10 (Фиг.4В).

В третьем варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив края торцевой поверхности резонатора (Фиг.5А). При колебаниях резонатора изменяется величина оптического потока, излучаемого источниками оптического излучения, попадающая на фоточувствительные приемники (Фиг.2Г). Предлагаемый вариант конструкции позволяет повысить точность измерения амплитуды колебаний резонатора аналогично варианту на Фиг.4А при меньшем числе фоточувствительных приемников. 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 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 предлагаемых вариантах конструкций может быть нанесен оптически непрозрачный растр на торцевую поверхность 2 резонатора, поверхность источников оптического излучения 8 и на поверхность фоточувствительных приемников 5. В этом случае для максимального использования рабочей поверхности источники оптического излучения и фоточувствительные приемники могут быть расположены напротив центра торцевой поверхности резонатора. Растр 11 на торцевой поверхности резонатора и растр 12 на поверхности фоточувствительных приемников смещены относительно друг друга (Фиг.6). Нанесение оптически непрозрачного растра позволяет повысить точность измерения положения колебательной картины пропорционально числу нанесенных линий растра.

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 заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа проводились с кварцевым 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. При расстоянии от источников оптического излучения до торцевой поверхности резонатора, равном 0,5 мм, размеры светового пятна на противоположной стороне торцевой поверхности резонатора не превышали 2 мм, рассеяние светового потока в резонаторе составляло ~20%.

При амплитуде колебаний резонатора на воздухе 1 мкм амплитуда выходного сигнала для схемы фиг. 3 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
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 устройство предназначены для использования в гироскопическом приборостроении для измерения углов в системах управления. Гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на его внешней или внутренней поверхности, корпус, к которому крепятся резонатор и множество электродов управления в непосредственной близости к электродам резонатора. Резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала. Вблизи торцевой поверхности резонатора закреплены два источника оптического излучения и два фоточувствительных приемника так, что оптическое излучение источников, пройдя через резонатор, попадает на фоточувствительные приемники. При колебаниях резонатора изменяется величина светового потока, попадающего на фоточувствительные приемники. При этом повышается точность и упрощается конструкция прибора. 2 с. и 9 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 резонатор изготовлен из оптически прозрачного материала, на корпусе дополнительно закреплены под углом 45^o друг к другу относительно оси симметрии по меньшей мере два источника оптического излучения, оптическое излучение каждого источника направлено через резонатор на находящийся диаметрально противоположно дополнительно закрепленный на корпусе по меньшей мере один фоточувствительный приемник, источниками оптического излучения, оптически прозрачным резонатором 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 источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив торцевой поверхности резонатора. 4. Твердотельный волновой гироскоп по п. 3, отличающийся тем, что источники оптического излучения расположены напротив центра торцевой поверхности резонатора, а фоточувствительные приемники расположены напротив края торцевой поверхности резонатора. 5. Твердотельный волновой гироскоп по п. 3, отличающийся тем, что источники оптического излучения расположены напротив центра торцевой поверхности резонатора, а фоточувствительные приемники, включенные по дифференциальной схеме, расположены напротив краев торцевой поверхности резонатора. 6. Твердотельный волновой гироскоп по п. 3, отличающийся тем, что источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены напротив края торцевой поверхности резонатора. 7. Твердотельный волновой гироскоп по п. 3, отличающийся тем, что на торцевую поверхность резонатора по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 8. Твердотельный волновой гироскоп по п. 7, отличающийся тем, что на поверхность фоточувствительных приемников по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 9. Твердотельный волновой гироскоп по п. 7, отличающийся тем, что на поверхность источников оптического излучения по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 10. Твердотельный волновой гироскоп по п. 7, отличающийся тем, что на поверхность фоточувствительных приемников и на поверхность источников оптического излучения по меньшей мере частично нанесен оптически непрозрачный растр. 11. Способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа, включающий считывание сигналов колебаний резонатора и подачу управляющих сигналов, отличающийся тем, что генерируют оптические излучения, направляют их через оптически прозрачный резонатор на фоточувствительные приемники и определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения действий над сигналами фоточувствительных приемников.