КОЛЬЦЕВОЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ГИРОСКОП СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2003 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к приборам навигации, контроля и управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, автомобилей, а также таких элементов, как валы, колеса и площадки, устанавливаемых на указанных подвижных объектах.

Уровень техники в данной области характеризуется приведенными ниже сведениями.

Известен гироскопический измеритель угловой скорости компенсационного типа [1, с.64-67], содержащий в своем составе рамку гироскопа с закрепленными на ней ротором и гиродвигателем, опорами ротора и рамки, датчик угла, датчик момента, усилитель, высокостабильное эталонное сопротивление для съема выходной информации. В высокоточных приборах в качестве рамки применяют поплавковый узел, обеспечивающий гидростатическую разгрузку опор.

Недостатком данного прибора является сложность обеспечения измерения больших угловых скоростей.

Известен волоконно-оптический измеритель угловой скорости [2], содержащий лазерный диод, светоделитель, катушку стекловолоконного контура, фотодетектор и электронное устройство обработки информации об угловой скорости объекта.

Недостатком прибора является подверженность влиянию магнитных, электрических и температурных полей на точность его выходного сигнала.

Известен "Кольцевой гироскоп радиоволнового диапазона" [3], содержащий катушку многосекционной конструкции, каждая секция выполнена в виде полого цилиндра с каркасом из немагнитного изоляционного материала, на внутренней поверхности которого выполнен металлический экран, а на наружной поверхности намотана катушка из провода малого диаметра. Катушки на полых цилиндрах установлены коаксиально, экраны их соединены между собой параллельно и с корпусом прибора, а конец предыдущей секции соединен с началом следующей секции последовательно.

Недостатком данного прибора является низкая чувствительность.

Известен кольцевой джозефсоновский гироскоп [4], содержащий сверхпроводящее кольцо, разделенное двумя переходами Джозефсона на два полукольца, при этом они подключены к источнику тока так, что переходы Джозефсона также подключены к этому источнику параллельно. В состав прибора входят источник магнитного поля, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен плоскости сверхпроводящего кольца, а также низкотемпературный холодильник.

Данное техническое решение имеет недостатки: сложность реализации и очень большую подверженность точности измерения угловой скорости влиянию нестабильности магнитной индукции источника магнитного поля.

Известен лазерный гироскоп, являющийся разновидностью кольцевых резонансных гироскопов [4]. 0н содержит корпус с герметичным замкнутым резонатором, анод, катод, расположенные в плоскости полости внутри нее, источник постоянного магнитного поля в составе ячейки Фарадея, вектор индукции которого коллинеарен направлению распространения волн, устройство съема выходной информации об измеряемой угловой скорости, источники напряжений питания. Его недостатком является существенная температурная погрешность. Данное техническое решение принято за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения.

Задачей изобретения является снижение температурной погрешности измерения угловой скорости кольцевым резонансным гироскопом сверхвысокочастотного диапазона.

Поставленная задача решается за счет того, что в кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона, содержащий чувствительный элемент в виде герметичной замкнутой полости с резонатором, анод, катод, расположенные в плоскости полости внутри нее, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, введены еще один чувствительный элемент, а также кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну чувствительных элементов и два прецизионных переменных резистора, причем в качестве чувствительного элемента применен митрон, один из них укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора, второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону, причем прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявленного изобретения - это создание прибора с малой температурной погрешностью и предназначенного для работы в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.

На фиг.1 и 2 представлена конструктивная схема; на фиг.3 - схема электрическая; на фиг. 4 - схемы распространения электромагнитных волн к выводу уравнения для выходной информации прибора.

В герметичном корпусе 1¹(1¹¹) установлен источник постоянного магнитного поля, содержащий полюсные наконечники 2¹(2¹¹) и 3¹(3¹¹) и магнитопровод 4¹(4¹¹), создающий магнитное поле, вектор магнитной индукции которого коллинеарен измерительной оси прибора ξ¹-ξ¹(ξ¹¹-ξ¹¹); эта ось перпендикулярна опорной плоскости, моделируемой тремя опорными сферическими поверхностями 5¹(5¹¹) тpex опор. Если магнитные наконечники 2¹ (2¹¹), 3¹(3¹¹) - постоянные магниты, то их изготовляют из самарий-кобальтового или другого высококоэрцитивного сплава. Если они являются электромагнитами, то их сердечники изготовляют из армко или сплава пермаллой; из этих же материалов изготовляют магнитопровод. Нахальный катод 6¹(6¹¹) - это спиральный эмитирующий катод, например пленочный. Управляющий конический электрод 7¹(7¹) представляет собой анод; вместе с накальным катодом они образуют электронную пушку. Холодный катод 8¹(8¹¹) имеет цилиндрическую форму и выполнен из сплава с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом вторичной эмиссии. Ламели 9¹(9¹¹), соединенные кольцами 10¹ и 11¹(10¹¹ и 11¹¹ ), составляют анодную систему митрона; плоскости этих колец перпендикулярны вектору магнитной индукции источника постоянного магнитного поля. Кольца и ламели (штыри) образуют резонатор, который предназначен для замедления фазовой скорости распространения бегущей волны. С наружной стороны резонатор закрыт кольцом 12¹(12¹¹). Для соединения и взаимной ориентировки электродов и резонатора служит керамический каркас 13¹(13¹¹) металлическая шайба 14¹ (14¹¹). Электроды и резонатор электрически изолированы.

Первый и второй митроны имеют встречно-параллельное расположение измерительных осей, направлений векторов магнитной индукции и инжекции электронных потоков в электронных пушках. Этим самым обеспечивается возможность вращения электронных спиц в рабочем режиме в противоположных направлениях. Для вывода информации об угловой скорости объекта служит коаксиально-полосковый переход 15¹(15¹¹)(15¹, 16¹) в разрез не попали). Резьба 16¹(16¹¹) предназначена для соединения этого перехода со штекером и коаксиальным кабелем. Корпус 1¹(1¹¹) с помощью фланца 17¹(17¹¹) и прецизионных регулируемых опор 18¹(18¹¹) c винтами 19¹(19¹¹) крепится к кронштейну 20, который, в свою очередь, крепится к корпусу подвижного объекта (крепление не показано). С помощью прецизионных опор, которых у каждого митрона по три штуки, производится регулировка параллельности их измерительных осей. Для подвода питающих напряжений предназначена клеммная колодка 21¹(21¹¹) типoвoй конструкции. На электрической схеме фиг. 3 U_a - анодное напряжение, минусом подводимое к корпусу 1 и плюсом, например, к кольцу 10¹(10¹¹) анодной системы через переменный резистор R¹(R¹¹). Он предназначен для регулировки частоты генерируемых митроном колебаний, одинаковой при отсутствии измеряемой угловой скорости с частотой другого митрона путем изменения анодного напряжения. Резисторы должны быть переменными высокостабильными; U_a1 - напряжение питания управляющего электрода 7¹(7¹¹); U_H - напряжение питания накального катода 6¹(6¹¹). Источники питания являются высокостабильными.

Рассмотрим работу прибора при настройке и в нормальном режиме функционирования. После подключения питающих напряжений вначале к накальным катодам, а затем - к анодам с помощью переменных резисторов R¹ и R¹¹ производят настройку частот колебаний митронов, контролируя их по показаниям прецизионного частотомера до полного уравнивания. Прибор при этом должен быть установлен измерительной осью в направлении, например, Восток-Запад, при котором измеряемая угловая скорость равна нулю. Питание от прибора отключают и его устанавливают на подвижном объекте.

В нормальном режиме прибор работает следующим образом.

После включения питания электронные пушки 6¹-7¹ (6¹¹-7¹¹) начинают инжектировать электронные потоки в пространства взаимодействий, находящиеся между катодами 8¹ (8¹¹) и анодными системами 9¹-12¹ (9¹¹-12¹¹). Электроны попадают в скрещенные магнитные и электрические поля и под действием радиальных электростатических сил и тангенциальных сил Лоренца при влиянии резонаторов группируются в сгустки, образующие бегущие волны. Имеют место колебания п-типа, фазовые скорости распространения волн являются замедленными по сравнению со скоростью света. За счет перевернутого положения второго митрона по отношению к первому направления вращения электронных втулок со спицами являются встречными. При отсутствии измеряемой угловой скорости частоты вращения спиц одинаковы, а их разность равна нулю.

При наличии вращения объекта вокруг измерительной оси с абсолютной угловой скоростью ω частота выходного сигнала, например, в первом митроне уменьшается на величину, пропорциональную ω, а во втором - на эту же величину возрастает. Разность частот выходных сигналов пропорциональна измеряемой угловой скорости.

Докажем это утверждение, для чего используем схему фиг.4. Периметры пробега волн в первом и втором магнетронах L₁ и L₂ соответственно равны:
L₁=L+ΔL; L₂=L-ΔL,
где L - периметр резонаторов при ω = 0, равный 2πr, где r - радиус анода.

Приращение длины периметра
ΔL = ωrt, (1)
где t - время пробега волной периметра, которое приближенно, равно
t=L/V_s. (2)
Здесь V_s - замедленная фазовая скорость бегущей волны. Поскольку линейная скорость точки отбора выходной информации митрона гораздо меньше скорости Vs и практически постоянна, по аналогии с лазерным гироскопом будем полагать, что условия резонанса в первом и втором митронах не нарушаются и определяются соотношениями:
L₁ = kλ₁; L₂ = kλ₂; L = kλ,
где к - число, равное числу длин волн, укладывающихся на периметре;
λ,λ₁,λ₂ - длины волн при ω = 0, а также для первого и второго митронов при /ω/>0 (фиг.4 ). Имеем:
L₁-L₂ = k(λ₁-λ₂) = kV_sΔν/ν². (3)
Здесь Δν,ν - приращение частоты в каждом митроне от действия измеряемой угловой скорости, а также частота колебаний в митронах при отсутствии этой скорости. Сравнивая между собой формулы (1)-(3), получаем:
Δν = 4Sνω/LV_s; (4)
S = πr²; V_s = 2πCr/(n+pN)λ.
Здесь С - скорость света;
N - число резонаторных ячеек;
n, р - числа, соответствующие виду колебаний [5-7].

Например, при N=8 для π-вида колебаний имеем n=4; λ=10 см; r=0,5 см; p= 4; V_s= C/40, в силу чего имеем Δν = ω/π (угловая скорость - в рад/с, а частота выходного сигнала Δν - в герцах). Этим показано, что предложенный прибор является измерителем абсолютной угловой скорости.

Показателями технико-экономической целесообразности предлагаемого изобретения являются:
- относительная простота создания прибора: митроны освоены промышленностью, и для изготовления прибора готова вся элементная база за исключением кронштейна и элементов крепления;
- высокий верхний предел измерения, трудный для достижения имеющимися приборами;
- широкий интервал рабочих температур. Так, в [5] для промышленного образца митрона указан диапазон температур от -60^oС до +85^oС;
- меньшая подверженность влиянию изменения окружающей температуры на точность измерения угловой скорости, что объясняется тем, что длина волны в данном гироскопе на три порядка больше, чем лазерном гироскопе. Значит, температурное изменение размеров периметра в меньшей степени влияет на условия резонансной настройки;
- возможность создания прибора малого диаметра - имеются митроны диаметром порядка одного сантиметра [5-7], что недостижимо для лазерных гироскопов.

Источники информации
1. Гироскопические системы. Ч.2 /Под ред. Д.С. Пельпора. - М.: Высшая школа. 1988,-424 с.

2. Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. - М.: Радио и связь, - 152 с.

3. Патент РФ 2090842, бюл.26, 20.09.97.

4. Малеев П.И. Новые типы гироскопов. - Л.: Судостроение, - 160 с.

5. Электронные приборы сверхвысоких частот./Под. ред. В.Н.Шевчика. - Издательство Сарат. Ун-та. 1980, 416 с.

6. Электронные сверхвысокочастотные приборы. Том 2 /Под ред. М.М. Федорова - М.: Иностранная литература, - 552 с.

7. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ.-М.:В.Ш., 1972,-376 с.

Использование: в приборах навигации, контроля и управления подвижных объектов - самолетов, кораблей, автомобилей, а также в таких элементах, как валы, колеса и площадки, устанавливаемых на указанных подвижных объектах. Сущность: кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона содержит два чувствительных элемента, в качестве которых использован митрон, резонатор, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации источники питающих напряжений, кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну чувствительных элементов и два прецизионных переменных резистора. Один из чувствительных элементов укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы митрона, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора. Второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону. Прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона. Технический результат: снижение температурной погрешности при широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. 4 ил.

Кольцевой резонансный гироскоп сверхвысокочастотного диапазона, содержащий чувствительный элемент в виде герметичной замкнутой полости с резонатором, анод, катод, расположенные в плоскости полости внутри нее, источник постоянного магнитного поля, устройство для съема выходной информации, источники питающих напряжений, отличающийся тем, что в его состав введены еще один чувствительный элемент, а также кронштейн, регулируемые опоры для крепления к кронштейну чувствительных элементов и два прецизионных переменных резистора, причем в качестве чувствительного элемента применен митрон, один из них укреплен на кронштейне так, что ось холодного катода и анодной системы митрона, являющаяся измерительной, параллельна вектору магнитной индукции источника магнитного поля, совпадает с направлением инжекции электронной пушки, перпендикулярна плоскости размещения кольцевой анодной системы, входящей в состав резонатора, второй митрон укреплен на кронштейне в перевернутом на 180 угловых градусов положении по отношению к первому митрону, причем прецизионный переменный резистор включен между плюсовым зажимом источника анодного напряжения и анодом каждого митрона.