ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВИБРАЦИОННОГО КОРИОЛИСОВА ГИРОСКОПА Российский патент 2012 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к устройствам гироскопопической техники и может быть использовано в качестве волнового резонатора.

Известен волновой гироскоп (патент Украины №22153), в котором резонатор выполнен в виде тонкостенной цилиндрической оболочки с днищем и узлом крепления оболочки к основанию по ее оси.

В данном устройстве, на свободной кромке резонатора, по его боковой поверхности по окружности расположены восемь пьезоэлектрических элементов, предназначенных для возбуждения упругих стоячих волн в резонаторе и для съема полученного сигнала.

Переменный сигнал возбуждения с частотой, близкой к частоте основной собственной формы колебаний резонатора, подается на два диаметрально противоположных пьезоэлектрических элемента, деформации изгиба которых вызывают радиальные колебания оболочки резонатора и приводят к возникновению в резонаторе упругой стоячей волны.

При вращении резонатора вокруг оси с угловой скоростью Ω появляются Кориолисовы силы, за счет которых в узлах возникают радиальные колебания, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости Ω.

Кориолисовы силы смещают стоячую волну с ее пучностями и узлами по окружности, что вызывает изменение сигналов пьезоэлектрических элементов, размещенных в узлах, при этом сигналы пропорциональны угловой скорости Ω.

К недостаткам данного резонатора относятся:

1) размещение пьезоэлектрических элементов возле свободной кромки резонатора способствует демпфированию стоячей волны, что ведет к уменьшению его добротности, снижению масштабного коэффициента гироскопа и его чувствительности;

2) приклеивание пьезоэлектрических элементов создает неравномерное распределение жесткости по окружности резонатора, вследствие чего оси упругой волны не совпадают с осями расположения пьезоэлектрических элементов, что ведет к нелинейности масштабного коэффициента гироскопа и снижению его чувствительности, в особенности - к малым угловым скоростям вращения.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является чувствительный элемент вибрационного гироскопа (патент США №4644793), выполненный в виде цилиндрического стакана, жестко установленного на упругой плоской пластине, соединенной с керамическим диском, на котором расположена система электродов.

Деформации изгиба мембраны при подаче на нее переменного сигнала возбуждения передаются на цилиндрический стакан и вызывают его радиальные колебания вокруг оси, при этом узловые точки радиальных колебаний перемещаются по окружности стакана благодаря воздействию сил Кориолиса.

Смещения узловых точек передаются мембране, на которой расположены датчики перемещения, регистрирующие данные смещения.

Недостатками данного устройства являются:

1) наличие в составе чувствительного элемента мембраны, которая защемлена по наружному контуру и нагружена цилиндрическим стаканом, связанным с ней по ее внутреннему контуру, приводит к тому, что в случае возникновения неинерционных воздействий (вибрации, удары) возможно появление мембранных форм колебаний, частоты которых могут совпадать, или быть близкими, с основной частотой колебаний цилиндрического стакана, а это, в свою очередь, ограничивает чувствительность гироскопа при его работе и приводит к существенным ошибкам измерения;

2) установка датчиков перемещения на мембране способствует несовпадению осей стоячей волны с осями расположения упомянутых датчиков, что также снижает чувствительность гироскопа и точность измерения угловой скорости Ω.

Задачей заявляемого решения является повышение чувствительности и точности гироскопа путем разработки новой конструкции чувствительного элемента и мест размещения пьезоэлектрических элементов, а также упрощения его механической балансировки.

Поставленная задача решается тем, что в чувствительном элементе вибрационного кориолисова гироскопа, содержащем тонкостенный цилиндр с днищем, элемент его крепления к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема сигнала, цилиндр выполняют с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором, днище цилиндра разбивают на сектора посредством множества пазов, расположенных главным образом симметрично и главным образом радиально по окружности от ее центра до периферийной части днища цилиндра, при этом внутри каждого сектора выполняют паз с возможностью размещения в нем множества пьезоэлектрических элементов возбуждения и съема сигнала, пазы выполняют с наружной или внутренней стороны днища, и дополнительно, пазы, образующие сектора, располагают (продлевают) на часть боковой поверхности цилиндра резонатора.

Предложенная конструкция чувствительного элемента позволяет достичь более точного совпадения осей упругой волны с осями расположения пьезоэлектрических элементов (системой координат, связанной с пьезоэлектрическими элементами), что ведет к упрощению контура коррекции стоячей волной и к повышению чувствительности и точности гироскопа.

Возможна механическая балансировка резонатора за счет уменьшения жесткости по осям упругого подвеса, так как дебалансируемую массу можно снимать в области пазов, меняя ширину паза (изменением жесткости секторов можно компенсировать массовый дебаланс кольцевого резонатора).

Заявляемое решение иллюстрируется чертежами:

на фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента,

на фиг.2 показано сечение чувствительного элемента,

на фиг.3 представлен ввод и вывод электрических сигналов, подаваемых на пьезоэлектрические элементы и снимаемых с них,

на фиг.4 представлено распределение максимальных узловых перемещений чувствительного элемента при его вращении с угловой скоростью Ω со шкалой относительных перемещений.

Заявляемое техническое решение может быть реализовано следующим образом.

Чувствительный элемент выполняют из тонкостенного цилиндра 1 с кольцевым резонатором 2, выполненным в виде цилиндрического обода длиной L с толщиной стенок H, и цилиндрического упругого подвеса 3, состоящего из части длиной l и толщиной стенок h и днища 4, разбитого на сектора 5 с помощью пазов 6 шириной b₂.

Толщина стенок h упругого подвеса 3 меньше толщины стенок кольцевого резонатора 2, при этом средний радиус R₀ разнотолщинного цилиндра 1 одинаков.

Внутри каждого сектора 5 выполняют паз 7 шириной b₁ для размещения в нем одного или нескольких пьезоэлектрических элементов 8 для возбуждения резонатора и съема сигнала.

На днище 4 внутри цилиндра 1 и соосно с ним располагают патрубок 9 с соосными отверстиями 10 и 11, используемый для упругого крепления чувствительного элемента к основанию.

Патрубок 9 выполняют с отверстием радиуса r и с осесимметричной базовой поверхностью В, необходимой при изготовлении чувствительного элемента, и задающей его ось.

Чувствительный элемент соединяют с основанием при помощи патрубка 9 по конусной посадке, что позволяет центрировать чувствительный элемент относительно основания гироскопа.

Пазы 7 могут быть размещены на обеих сторонах днища 4, а пазы 6, образующие сектора 5, могут располагаются на части боковой поверхности цилиндра 1, в области упругого подвеса 3.

Предлагаемое устройство может быть использовано следующим образом.

От генераторного блока на диаметрально противоположные пьезоэлектрические элементы 8А и 8E подается управляющий сигнал в виде синусоидального напряжения Asin(ω₀t), где ω₀ - частота подачи переменного сигнала, равная (или близкая) к собственной частоте основной формы колебаний чувствительного элемента.

Вследствие изгибных деформаций днища 4 чувствительного элемента возникает изгибающий момент, который вызывает эллиптические деформации упругого подвеса 3 по второй форме колебаний, в результате чего в чувствительном элементе возбуждается стоячая волна с четырьмя узловыми областями, ориентированными вдоль пьезоэлектрических элементов 8A и 8E и 8G и 8С, и четырьмя узловыми областями, расположенными вдоль пьезоэлектрических элементов 8В и 8F и 8H и 8D.

Съем сигнала производят с использованием пьезоэлектрических элементов 8G и 8С и 8H и 8D: первые из них используют для съема сигналов с пучностей стоячей волны, вторые - для съема сигналов с ее узлов.

Так как пьезоэлектрические элементы 8 расположены симметрично по окружности, то возможно, что ось узлов и ось пучностей могут взаимно меняться.

При вращении гироскопа с колеблющимся чувствительным элементом вокруг его центральной оси с постоянной угловой скоростью Q возникают Кориолисовы силы, которые способствуют смещению узловых областей стоячей волны по окружности, в результате чего на пьезоэлектрических элементах 8B и 8F, расположенных в узлах, появляется сигнал, пропорциональный угловой скорости Ω, который поступает в блок для выработки сигнала компенсации инерциального смещения стоячей волны.

Сигнал компенсации выводится из блока электроники в качестве выходного сигнала, пропорционального измеряемой угловой скорости Ω.

При механической балансировке чувствительного элемента изменяют его массу путем изменения ширины пазов.

Изобретение относится к области гироскопов и может использоваться в волновых твердотельных гироскопах, работающих в режиме датчика угловой скорости. Чувствительный элемент гироскопа содержит тонкостенный цилиндр с днищем, элемент его крепления к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема сигнала. Цилиндр выполнен с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором, днище и часть боковой поверхности цилиндра посредством пазов разбиты на сектора, а внутри каждого сектора выполнен паз с возможностью размещения в нем пьезоэлектрических элементов возбуждения и съема сигнала. Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность гироскопа. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Чувствительный элемент вибрационного кориолисова гироскопа, содержащий тонкостенный цилиндр с днищем, элемент его крепления к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема информации, отличающийся тем, что цилиндр выполнен с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором, днище цилиндра разбито на сектора посредством множества пазов, при этом внутри каждого сектора выполнен паз с возможностью размещения пьезоэлектрических элементов возбуждения и съема сигнала.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что пазы выполнены с наружной стороны днища цилиндра.

3. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что пазы выполнены с внутренней стороны днища цилиндра.

4. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что пазы продлены на боковую поверхность цилиндра.