СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ДВУХСТЕПЕННЫМ РОТОРНЫМ ВИБРАЦИОННЫМ ГИРОСКОПОМ Российский патент 2003 года по МПК G01C19/42 G01P9/02 

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к двухстепенным роторным вибрационным гироскопам (РВГ) с переменной угловой скоростью привода, используемым для измерения угловой скорости подвижных объектов, в частности к двухстепенным РВГ, применяемым для измерения угловой скорости относительно экваториальной оси вращающегося летательного аппарата (ЛА), в которых приводом является сам вращающийся по крену ЛА.

Упрощенное уравнение движения чувствительного элемента (ЧЭ) под действием постоянных угловых скоростей ω_x и ω_y может быть записано в виде (Пельпор Д. С. , Осокин Ю.А., Рахтеенко Е.Р. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации - М.: Машиностроение, 1977 - с.82-83):

или

где β - угол поворота ЧЭ относительно оси подвеса;
ω_д - круговая динамическая частота собственных недемпферированных колебаний,
(3)
к - угловая жесткость элементов подвеса;
А, В, С - моменты инерции ЧЭ относительно осей подвеса;
- угловая скорость привода;
ξ - степень затухания собственных колебаний ЧЭ;

b - коэффициент демпфирования,

Вынужденные колебания ЧЭ РВГ при постоянной угловой скорости привода (при этом ) и постоянных значениях угловых скоростей ω_x и ω_y имеют вид:

где К_рвг - коэффициент передачи (чувствительность) РВГ;

ε - фаза колебаний;

Из выражении (7) следует, что чувствительность, а следовательно, точность РВГ зависит от угловой скорости привода.

Известен способ устранения влияния угловой скорости привода на точность РВГ [Пельпор Д.С., Осокин Ю.А., Рахтеенко Е.Р. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации. - М.: Машиностроение, 1977 - с.83-87], который реализуется путем обеспечения условия резонансной динамической настройки, т.е. когда добиваются равенства

при котором чувствительность РВГ

не зависит от угловой скорости привода. Однако, при малых габаритах РВГ и небольшой скорости вращения привода (сотни радиан в секунду), что имеет место при использовании в качестве привода вращающегося ЛА, требуются упругие элементы подвеса весьма малой угловой жесткости:

что во многих случаях сложно реализовать технически. Кроме того, в случае резонансной динамической настройки чувствительность РВГ возрастает до максимального значения, что приводит к ограничению величины измеряемой угловой скорости.

Известен способ уменьшения влияния угловой скорости на точность микромеханического РВГ, при котором основным моментом, уравновешивающим измеряемый момент, является момент демпфирования [Коновалов С.Ф., Кулешов А.В., Фролов Е.Н. Микромеханический датчик угловой скорости для вращающегося носителя// Приборы и системы. Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции "Приборы и приборные системы". Тула, 2001 г., с.25-28]. В этом случае значение чувствительности РВГ приближенно определяется формулой (10). Большой коэффициент демпфирования ЧЭ РВГ в обсуждаемом способе удалось достигнуть благодаря возможностям технологии твердотельной микроэлектроники. При этом ЧЭ вибрирует в малом зазоре (измеряемом микронами), заполненном азотом. Получить столь значительный коэффициент демпфирования в РВГ обычной механической схемы затруднительно. Кроме того, коэффициент демпфирования сильно зависит от температуры, что нежелательно при использовании РВГ на вращающемся ЛА. Нестабильность коэффициента передачи рассмотренной схемы достигает 30%.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности динамически ненастроенного двухстепенного РВГ при переменной угловой скорости привода. Техническим результатом решения поставленной задачи является обеспечение пропорциональности поступающего в измерительную цепь сигнала величине измеряемой угловой скорости и его независимость от угловой скорости привода.

Поставленная задача достигается тем, что из электрического сигнала датчика угла ЧЭ по отношению к корпусу выделяется информация об угловой скорости привода, в соответствии с которой по формуле (7) вычисляется чувствительность РВГ, соответствующая текущему значению угловой скорости. Затем сигнал с датчика угла ЧЭ РВГ делится на величину, равную текущему значению чувствительности К_рвг, и после этого поступает в измерительную цепь. Амплитуда поступающего в измерительную цепь электрического сигнала пропорциональна величине измеряемой угловой скорости ω_x1 = ω_xcosγ+ω_ysinγ и не зависит от угловой скорости привода.

На чертеже приведен пример реализации предлагаемого способа увеличения точности двухстепенного РВГ.

ЧЭ 2 крепится элементами подвеса 3 на приводном валу 1, который вращается с угловой скоростью Параметры колебания ЧЭ измеряются бесконтактным датчиком 4, преобразующим перемещение ЧЭ в электрический сигнал. Выходной сигнал с датчика 4 поступает на вход частотомера 5 и вход делителя 7. Выход частотомера 5 соединен с входом вычислителя 6. Выход вычислителя 6 соединен с входом делителя 7. Выходной сигнал с делителя 7 подается в измерительную цепь.

Схема работает следующим образом:
При вращении корпуса РВГ вокруг оси х с угловой скоростью ω_x ЧЭ начинает совершать колебания с частотой вращения ракеты по крену. Амплитуда этих колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости, а фаза зависит от направления этой скорости. При изменении скорости вращения ракеты по крену изменяется частота колебаний ЧЭ. Аналогично РВГ реагирует на вращение корпуса вокруг оси у. Колебания ЧЭ измеряются датчиком, частота изменения выходного напряжения которого равна частоте вращения привода. Т.о. с выхода РВГ на частотомер подается напряжение модулированное по частоте. Выходное напряжение частотомера, пропорциональное скорости вращения привода, поступает в вычислитель. В вычислителе, в соответствии с формулой (7) происходит расчет коэффициента передачи РВГ при определенной скорости вращения привода.

Выходные сигналы с РВГ и вычислителя подаются на делитель, в котором напряжение с выхода РВГ делится на напряжение с выхода вычислителя. Выходной сигнал с делителя, подаваемый в измерительную цепь, пропорционален измеряемой угловой скорости ω_x1 = ω_xcosγ+ω_ysinγ и не зависит от изменения скорости вращения привода.

Изобретение относится к гироскопическим приборам, а именно к двухстепенным роторным вибрационным гироскопам (РВГ) с переменной угловой скоростью привода, используемым для измерения угловой скорости подвижных объектов, в частности к двухстепенным РВГ, применяемым для измерения угловой скорости относительно экваториальной оси вращающегося летательного аппарата (ЛА), в которых приводом является сам вращающийся по крену ЛА. Из электрического сигнала датчика угла чувствительного элемента (ЧЭ) по отношению к корпусу выделяется информация об угловой скорости привода, в соответствии с которой вычисляется коэффициент передачи РВГ, соответствующий текущему значению угловой скорости привода. Затем сигнал с датчика угла ЧЭ РВГ делится на величину, равную текущему значению коэффициента передачи, и после этого поступает в измерительную цепь. Амплитуда поступающего в измерительную цепь электрического сигнала пропорциональна величине измеряемой угловой скорости и не зависит от угловой скорости привода. Техническим результатом является повышение точности динамически ненастроенного двухстепенного РВГ при переменной угловой скорости привода. 1 ил.

Способ измерения угловой скорости двухстепенным роторным вибрационным гироскопом (РВГ), в котором формируют выходной сигнал, не зависящий от изменений угловой скорости привода, отличающийся тем, что электрический сигнал датчика угла чувствительного элемента РВГ подают на делитель и на частотомер, выходное напряжение которого пропорционально скорости вращения привода, вычисляют чувствительность РВГ по формуле

где - текущее значение угловой скорости привода;
ω_д - круговая динамическая частота собственных недемпферированных колебаний,

k - угловая жесткость элементов подвеса чувствительного элемента;
А, В, С - моменты инерции чувствительного элемента относительно осей подвеса;
ξ - степень затухания собственных колебаний чувствительного элемента,

b - коэффициент демпферирования,

затем вычисляют отношение выходного сигнала чувствительного элемента к чувствительности РВГ, соответствующей текущему значению угловой скорости привода, и по результату деления определяют искомую угловую скорость.