ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП Российский патент 2015 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления.

Известен твердотельный волновой гироскоп (см. патент EP 0141621 A2), содержащий металлический вакуумируемый корпус, снабженный штенгелем, газопоглотителем и соответствующими установочно-присоединительными элементами, во внутренней полости которого размещены изготовленные из кварцевого стекла и жестко скрепленные между собой и с корпусом инерциальный чувствительный элемент, в виде полусферического резонатора, с проходящим через полюс его полусферы двухсторонним держателем стержневого типа и электрически взаимодействующие с полусферической сферой через емкостной зазор возбудитель высокочастотных эллиптических колебаний резонатора и узел съема электрических сигналов, отображающий азимутальную ориентацию колебательной картины вибрирующей оболочки резонатора с металлизированными рабочими поверхностями, и группой скоммутированных соответствующим образом электродов, соединенных через гнездовые контакты со штыревыми контактами проходных электрических гермовыводов, а также сопрягаемую с ножками указанных контактов, многоконтурную электронную систему, обеспечивающую возбуждение и поддержание колебаний резонатора с заданной амплитудой, постоянной частотой и фазой независимо от местонахождения колебательной картины вибрирующей оболочки, и измерение, преобразование и соответствующую обработку считываемой информации.

На торцевой кромке указанной оболочки сформированы соответствующие балансировочные зубцы, значительно усложняющие конструкцию детали и технологию ее изготовления.

Обе, внутренняя и наружная, ножки двухстороннего стержневого держателя резонатора имеют примерно одинаковую длину, не менее трех диаметров их поперечного сечения, и используются для его закрепления по двухопорной схеме, что обуславливает увеличение размеров гироскопа.

Возбудитель колебаний полусферической оболочки резонатора известного твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) выполнен в виде располагаемой под ней полой многоступенчатой детали, образованной достаточной совокупностью соответствующих поверхностей вращения (конических, цилиндрических, плоских, сферических).

В зоне примыкания к наружной поверхности оболочки резонатора внутренняя поверхность возбудителя выполнена в виде зеркально отображающей ее полусферы. На ней сформированы кольцевой и четыре группы по четыре, в общей сумме шестнадцать, дискретно, через 22,5°, разнесенных в окружном направлении и скоммутированных соответствующим образом локальных управляющих электродов круговой конфигурации. Эти электроды подсоединенных к восьми контактным гнездам узла съема, сопряженных со штыревыми однопроводящими контактами высоковольтных походных электрических гермовыводов, встроенных в изоляторы, привариваемых к нижнему срезу вакуумируемого корпуса металлической крышки с выходом их ножек за ее внешние обводы. Токоподводы от кольцевого электрода возбудителя и наружной поверхности полусферической оболочки резонатора подсоединены к двум, расположенным с противоположной стороны ТВГ отдельным проходным электрическим гермовыводам такого же исполнения, встроенным в соответствующие изоляторы вакуумируемого металлического корпуса с выходом их ножек за его внешние обводы. Кольцевой электрод возбудителя используется для поддержания колебаний полусферической оболочки резонатора с постоянной амплитудой, а шестнадцать локальных электродов - для подавления квадратурных вибраций резонатора. Большое количество и удаленность управляющих электродов возбудителя колебаний от проходных электрических гермовыводов существенным образом затрудняет прокладку соответствующих токопроводов, соединяющих данные элементы конструкции.

Вследствие особенностей исполнения конструкции возбудителя колебаний резонатора известного ТВГ слишком сложна и нетехнологична. Большая трудоемкость ее изготовления в значительной мере обуславливает достаточно высокую цену рассматриваемого изделия в целом.

Узел съема электрических сигналов известного ТВГ выполнен в виде плоского основания фланцевого типа с шаровым сегментом, на наружной поверхности которого сформированы восемь, дискретно, через 45°, разнесенных в окружном направлении и скоммутированных соответствующим образом локальных электродов съема круговой конфигурации, используемых для измерения параметров азимутальной ориентации колебательной картины вибрирующей оболочки резонатора. Каждый из электродов съема сопряжен при помощи токопроводов с индивидуальными разъемными соединителями коаксиалього типа низковольтных электрических гермовыводов, встроенных в изоляторы, упоминавшейся выше металлической крышки вакуумируемого корпуса, с выходом их ножек наружу за внешние обводы. Такое (коаксиальное) исполнение указанных гермовыводов обусловлено наличием в конструкции известного ТВГ высоковольтных цепей управления и необходимостью соответствующей защиты слаботочных измерительных цепей от их негативного воздействия электрических наводок и уменьшения паразитных емкостей.

В шаровой зоне указанного узла, между локальными электродами съема прорезаны насквозь щелевидные радиальные пазы, отделяющие их друг от друга. Наличие таких пазов, а также большое количество (шестнадцать) разнотипных проходных электрических гермовыводов от собственных низковольтных и высоковольтных цепей управления значительно усложняет конструкцию узла съема, увеличивает трудоемкость изготовления, а следовательно, и цену изделия.

Шаровая зона узла съема введена внутрь пулусферической оболочки резонатора до упора верхней поверхностью своего фланца в нижнюю торцевую кромку возбудителя и жестко скреплен с ним при помощи индия.

Кольцевой и локальные электроды возбудителя и узла съема в совокупности с примыкающими к ним фрагментами наружной и внутренней поверхностей полусферической оболочки резонатора образуют сферические конденсаторы, одни из обкладок которых (фрагменты оболочки) вследствие упругости последней обладают соответствующей подвижностью по отношению к шаровой зоне возбудителя.

Резонатор известного ТВГ жестко закрепляется при помощи своих ножек, в соосно располагаемых напротив друг друга вдоль измерительной оси соответствующих посадочных отверстий возбудителя и узла съема, по двухопорной схеме в процессе их сопряжения. Скрепленные друг с другом резонатор, возбудитель его колебаний и узел съема представляют собой соответствующий промежуточный (неокончательно собранный) модуль, который в таком виде вставляется внутрь вакуумируемого корпуса и фиксируется там при помощи специально предусмотренных для этого крепежных деталей. Двухсторонняя схема закрепления резонатора, с формированием при этом двух емкостных зазоров между его полусферической оболочкой и возбудителем колебаний и съема, гораздо сложнее одинарной. В этом случае существенным образом затрудняется взаимная выставка указанных деталей ТВГ и контроль упомянутых зазоров.

Снизу вакуумированный корпус известного ТВГ герметизируется при помощи привариваемой к нему плоской металлической крышки. Она не имеет центрирующего буртика, обеспечивающего необходимую соосность свариваемых частей корпуса и соответствующую силовую разгрузку стыкуемых при этом гнездовых и штыревых контактов разъемных соединений проходных электрических гермовыводов от воздействия, возникающих при сварке, поводок (механических напряжений), которые могут привести к изменению переходных сопротивлений упомянутых соединений.

Известный ТВГ имеет нерациональную компоновку газопоглотителя в центральной части металлической крышки вакуумируемого корпуса с формированием там консольного выступа. Это усложняет конструкцию как самой крышки, так и присоединяемой к ней соответствующей розетки электронной системы. Указанная компоновка приводит к существенному увеличению размеров ТВГ как в осевом, так и поперечном направлениях, и ограничению размеров, следовательно, и соответствующей емкости газопоглотителя.

В конструкции корпуса известного ТВГ нет общей (как механической, так и электрической) экранировки выходящих наружу ножек проходных электрических гермовыводов.

Электрическая система известного ТВГ - неадаптивная. Основные ее контуры построены на относительно устаревших технических решениях, без использования цифровой элементной базы, что обуславливает чувствительность к экстремальным условиям эксплуатации.

За прототип взят твердотельный волновой гироскоп (см. патент RU 2362121 C2), в котором устранены отмеченные недостатки аналога (см. патент EP 0141621 A2).

В этом ТВГ возбудитель колебаний резонатора и узел съема электрических сигналов выполнены в виде размещаемой внутри полусферы резонатора единой монолитной детали. Эта деталь является комбинированной электромеханической платой универсального назначения. Она используется для возбуждения и поддержания колебаний вибрирующей оболочки резонатора и для съема электрических сигналов со сплошной без радиальный пазов рабочей поверхности, на которой сформирована группа локальных электродов, образующих систему соответствующих емкостных датчиков перемещения и силовых электродов одновременно.

Полусферическая оболочка резонатора выполнена сплошной, без балансировочных зубцов, с обеспечением прецизионного уровня геометрической и массовой осевой симметрии, достигаемой в первом случае. Путем высокоточной технологии механической обработки и контроля размеров, а во втором - посредством соответствующей балансировки резонатора с разложением массового дефекта в ряд Фурье и последующим устранением первых четырех гармоник дефекта и, в частности, первых трех из них - до минимально возможного уровня, позволяющего снизить влияние азимутальной неравномерности демпфирования и уменьшить до необходимых размеров вибрационные воздействия на волновую картину, а массовый дефект четвертой гармоники, разночастотность, минимизировать до уровня, обеспечивающего нормальное функционирование электроники управления при малых значениях напряжения электропитания.

Резонатор закреплен консольно, по одноопорной схеме, только в соответствующем посадочном отверстии комбинированной электромеханической платы съема/возбуждения, за вводимый в него внутренний наконечник - ножку двухстороннего стержневого держателя посредством соответствующего клеевого соединения или пайки без использования каких-либо промежуточных деталей. Другой, наружный, наконечник укорочен по сравнению с ножкой в несколько раз, и используется преимущественно в технологических целях и, в частности, при шлифовке детали в центрах, транспортировке и оценке ее несбалансированности через измерение амплитуды биений указанного наконечника.

Металлическая крышка введена в состав твердотельного волнового инерциального модуля и выполнена в виде жестко скрепляемой с нижним торцом основания комбинированной электромеханической платы съема/возбуждения посредством клеевого соединения или пайки и обращенной к низу дном тарели с отбортованным по краю, в зоне приварки к вакуумируемому корпусу, цилиндрическим центрирующим буртиком одинакового с торцевым фланцем платы диаметра, заглубленным при сборке в соответствующее посадочное гнездо корпуса такой же конфигурации и размеров до совмещения их привариваемых кромок.

Вакуумируемый корпус может быть выполнен в виде двух, по установочно-присоединительным элементам, модификаций - цилиндрической, либо квадратной в поперечном сечении конфигурации, образованной в последнем случае одинаковыми плоскими базовыми поверхностями, ортогонально располагаемыми по отношению друг к другу. Газопоглотитель размещен в свободном объеме верхнего отсека вакуумируемого корпуса, ограниченного стенками его полости и наружными поверхностями полусферы и технологического наконечника двухстороннего стержневого держателя резонатора, и может быть выполнен в виде любой из двух эквивалентных в функциональном отношении модификаций, а именно в нормальном или бескорпусном вариантах, причем в первом случае он представляет собой полностью законченный автономный насос с заключенным в герметизируемую корпусную оболочку кольцевидной или тороидальной формы реагентом типа титан/ванадий, способный поглощать газ, активируемым после обезгаживания, герметизации вакуумируемого корпуса посредством прожигания через оптически прозрачный стеклянный иллюминатор последнего лазерным лучом, либо механического вскрытия утоненной мембраны оболочки, а во втором - рабочее вещество крепится в той же зоне непосредственно к стенкам вакуумируемого корпуса и активируется путем соответствующего нагрева указанных стенок снаружи внешним тепловым излучателем.

Штенгель вакуумируемсмого корпуса может быть выполнен в виде разъединяемого посредством оплавления стеклянного либо металлического ниппеля, пережимаемого путем пластического деформирования до полного перекрытия прохода и "холодной сварки" сближаемых стенок с одновременной его обрезкой.

Габариты твердотельного волнового инерциального модуля, а следовательно, и вакуумируемого корпуса минимизированы до пределов, обеспечивающих возможность компоновки их в крайне малых по диаметру монтажных объемах как при продольной, так и поперечной ориентации оси чувствительности.

Электронная система выполнена адаптивной, основные контуры ее и, в частности, измерения и управления колебаниями построены на цифровой, малочувствительной к экстремальным условиям эксплуатации элементной базе с минимизацией количества размеров и рассеиваемой мощности электронных компонент, использованием импульсных сигналов управления и съема и закладкой соответствующих алгоритмов обработки данных и управления во введенный в состав указанной системы микропроцессор, обеспечивающий функционирование упомянутых контуров в импульсном режиме с формированием рабочего цикла, разделяемого во времени на интервалы измерения и управления, и использования при регистрации выходных электрических сигналов способа "обратного" включения, когда они снимаются с ножки двухстороннего держателя резонатора.

Отдельный проходной гермовывод, сообщенный с металлизированной поверхностью полусферы резонатора, размещен на комбинированной электромеханической плате съема/возбуждения со встраиванием гнездового контакта непосредственно в ножку двухстороннего стержневого держателя резонатора и расположением сопрягаемого с ним штыревого однопроводящего контакта прямо по центру дна тарельчатой металлической крышки твердотельного волнового инерциального модуля.

Величина емкостного зазора между обращенными друг к другу поверхностями полусфер резонатора и локальных электродов комбинированной электромеханической плата съема/возбуждения прядка 100 мкм выбрана исходя из низковольтного питания электроники и возможности технической осуществимости геометрического контроля его при сборке.

Регистрация электрических сигналов и управления колебаниями резонатора замкнуты на одни и те же электроды соединенными с однотипными проходными электрическими гермовыводами комбинированной электромеханической платы съема/возбуждения.

Электронная система сопряжена с проходными электрическими гермовыводами комбинированной электромеханической платы через подсоединяемый к располагаемым с наружи ножкам из штыревых контактов предварительный усилитель сигналов.

Выходящие наружу ножки штыревых контактов проходных электрических гермовыводов комбинированной электромеханической платы и подсоединяемый к ним предварительный усилитель сигналов обеспечены общей экранировкой при помощи пристыковываемого к вакуумируемому корпусу тонкостенного защитного металлического кожуха. Токоподводы предварительного усилителя сформированы в контактный жгут, выводимый наружу сквозь эластичный проход в донной части кожуха.

У ТВГ, взятого за прототип, можно отметить следующие недостатки.

Гироскоп имеет неравномерный зазор между вакуумируемым корпусом и внешней полусферической оболочкой резонатора. Эта неравномерность зазора обуславливает температурный градиент в меридианальной плоскости полусферического резонатора при внешних тепловых воздействиях и возникновение скорости дрейфа.

При кубическом исполнении вакуумируемого корпуса гироскоп соприкасается с установочной поверхностью объекта всей площадью грани корпуса. При цилиндрическом исполнении вакуумируемого корпуса гироскоп соприкасается с установочной поверхностью всей привалочной плоскостью его фланцевого кольца. Как в первом, так и во втором вариантах имеется значительная площадь контакта с объектом, что обуславливает из-за малости теплового сопротивления контакта существенное тепловое влияние температуры установочного места объекта на гироскоп, вызывая температурную скорость дрейфа.

С нижним торцом основания комбинированной электромеханической платы съема/возбуждения жестко скрепляется металлическая крышка инерциального модуля с помощью клеевого соединения или пайки. В свою очередь, металлическая крышка через отбортовку по краю приваривается к центрирующему цилиндрическому буртику вакуумируемого корпуса. Такое соединение комбинированной платы с вакуумируемим корпусом имеет малое тепловое сопротивление, что обуславливает существенное влияние температуры корпуса на плату. Возникающие при этом температурные деформации платы вызывают температурную скорость дрейфа ТВГ. При таком соединении деталей сборка инерциального модуля становится неразборной, что исключает ее переборку для достижения требуемых технических параметров при производстве.

В меридианальном сечении полусферический резонатор имеет равномерную толщину стенки до зоны сопряжения с двухсторонним стержневым держателем. Толщина стенки резонатора определяет величину приведенной массы, находящейся в области воздействия возбудителя колебаний, и жесткость ее упругой связи с держателем. Величина приведенной массы и жесткость ее упругой связи с держателем обуславливают величину собственной частоты резонатора. При совпадении собственной частоты резонатора с возможной при эксплуатации частотой внешнего вибрационного воздействия с определенным ускорением вибрации возникает резонансное явление, которое может вызвать разрушение конструкции резонатора. Для устранения резонансного явления необходимо изменять конструктивные параметры резонатора. В известной конструктивной схеме толщина стенки резонатора определена радиусами внешней и внутренней полусферическими концентрическими поверхностями. Следуя этой конструктивной схеме изменение собственной частоты резонатора, можно выполнить, изменяя величину радиуса внешней полусферы. Например, для увеличения собственной частоты резонатора можно увеличить радиус внешней полусферы, тем самым увеличить жесткость упругой связи с держателем. Однако при таком подходе будет происходить увеличение толщины стенки резонатора в области его рабочей кромки, что одновременно с увеличением жесткости приведет к увеличению приведенной массы. При превалировании увеличения жесткости над увеличением приведенной массы произойдет увеличение собственной частоты резонатора. В известной конструктивной схеме нет однозначного воздействия только на величину жесткости изменением радиуса внешней полусферы, при этом также изменяется значение приведенной массы. Увеличение приведенной массы нежелательно и для системы возбуждения колебаний резонатора, так как при сохранении ее мощности уменьшается амплитуда его рабочих колебаний.

В комбинированной электромеханической плате съема/возбуждения отсутствует точное установочное отверстие с жесткими посадочными размерами для точной фиксации резонатора относительно шаровой зоны платы с электродами. В комбинированной плате имеется только установочно-закрепительное отверстие с большим зазором, которое используется для клеевого соединения. Такой конструктивный вариант установки резонатора на плате может вносить существенные погрешности в обеспечение равномерности зазора.

Плата съема/возбуждения является в целом монолитной деталью без существенных полостей, что обуславливает ее излишний вес и невозможность использования ее объема для размещения других элементов с целью общего уменьшения объема гироскопа.

На рабочей поверхности шаровой зоны электромеханической платы съема/возбуждения находится группа локальных электродов, которая образует систему емкостных датчиков перемещения и силовых электродов управления одновременно. Для обеспечения требуемой точности ТВГ, используемого на высокоманевренном объекте, требуется высокая частота съема информации и воздействия сигналов управления вибрационным состоянием резонатора. За счет совмещения на одних и тех же электродах функций съема и управления в известном способе как минимум в два раза снижается частота съема информационного сигнала и управляющего воздействия, которую может обеспечить электронная система гироскопа.

В конструкции гироскопа для герметизации вакуумируемого корпуса используют верхнюю и нижнюю торцевые крышки. Это обусловлено тем, что сборка гироскопа производится с двух торцевых сторон герметизируемого корпуса. С одной торцевой стороны устанавливают геттерный насос (газопоглотитель), с другой торцевой стороны - сборку инерциального модуля. Корпус также имеет еще отверстие для штенгеля. Наличие двух крышек, расположенных в разных частях герметизируемого корпуса, усложняет конструкцию гироскопа, технологические операции по проверке герметичности, а также затрудняет поддержание высокого вакуума в процессе эксплуатации.

Для электрической связи с электродами в гироскопе используются гнездовые контакты со штыревыми однопроводящими контактами проходных электрических гермовыводов, встроенных в изоляторы (слезоки), которые привариваются к нижнему срезу металлической крышки. Применение слезок обуславливает три контактные зоны: штыревой контакт-стекло слезки; стекло слезки-металлический корпус слезки; металлический корпус слезки-металлическая крышка. Для обеспечения высокой надежности общей герметизации гороскопа требуется высокая надежность этих контактных зон по газопроницаемости, что не всегда достигается при большом сроке службы и реальных условиях эксплуатации. Так как в гироскопе применяется достаточно значительное количество слезок, то их использование снижает надежность ТВГ в целом.

Газопоглотитель гироскопа (геттерный насос) в корпусном варианте (с мембранной оболочкой) активируется после обезгаживания, герметизации вакуумируемого корпуса посредством прожигания через оптически прозрачный стеклянный иллюминатор лазерным лучом либо механического вскрытия утоненной мембраны оболочки. В бескорпусном варианте газопоглотителя рабочее вещество устанавливается в непосредственной зоне к стенкам вакуумируемого корпуса и активируется путем соответствующего нагрева указанных стенок снаружи внешним тепловым излучателем. Использование прозрачного иллюминатора для активации или механического вскрытия усложняет конструкцию ТВГ и уменьшает его надежность при эксплуатации, так как требуется специальная вакуумноплотная установка иллюминатора или механического устройства в герметизируемый корпус. Локальный внешний нагрев герметизируемого корпуса в зоне расположения газопоглотителя усложняет технологический процесс изготовления гироскопа, так как требуется специальное устройство, реализующее этот нагрев. Локальный нагрев корпуса гироскопа до соответствующей температуры может приводить к тепловым деформациям конструкции и появлению погрешностей в показаниях ТВГ.

Локальные электроды при помощи соответствующих токоподводов соединены через индивидуальные гнездовые контакты со штыревыми однопроводящими контактами проходных электрических гермовыводов. Индивидуальные гнездовые контакты не имеют пружинных элементов, выбирающих зазор между штыревыми контактами и электропроводящими элементами розетки, сохраняющими постоянное прижимное усилие. В процессе эксплуатации в гнездовом контакте, не имеющем пружинных элементов, может изменятся усилие прижима контактирующих элементов, вплоть до возникновения зазора, что приведет к изменению электрического контактного сопротивления и появлению помех в информационном сигнале гироскопа.

Сопряжение электронной системы с проходными электрическими гермовыводами комбинированной электромеханической платы происходит через блок предварительных усилителей гироскопа, который имеет электрическую связь с наружными ножками штыревых контактов. Блок предварительных усилителей имеет восемь гнездовых контактов, обеспечивающих электрическую связь отдельно с каждым из восьми электродов резонатора. Объединение электродов в пары происходит в конструкции предварительного усилителя. У блока предварительных усилителей нет другой жестко фиксирующей связи с корпусом гироскопа кроме связи через гнездовые контакты. Блок предварительных усилителей и гироскоп имеют один проходной жгут, в котором объединены электропровода информационного канала и канала управления.

В известном гироскопе гнездовые контакты также выполняют силовую функцию, фиксируя блок предварительных усилителей относительно корпуса. Такое использование гнездовых контактов при силовых, вибрационных воздействиях может привести к нарушению контакта и возникновению помех в информационном сигнале. Возникающие при этом инерционные силы воздействуют на конструкцию слезок проходных штыревых контактов, что может вызвать разгерметизацию и выход из строя гироскопа. Объединение в пары электродов в предварительном усилителе обуславливает максимальное количество гнездовых контактов в нем, что снижает надежность гироскопа. Совмещение в одном жгуте электропроводов информационного канала и канала управления, а также выполнение электродами функций как сигнальных, так и управляющих, накладывает ограничение на частоту опроса и управления, которая должна быть в этом случае не больше частоты переходных процессов в электрических контурах электродов. При несоблюдении этого условия может возникать влияние контура управления на информационные сигналы, что приведет к погрешностям гироскопа. Соблюдение этого условия накладывает ограничение на частоту работы контуров гироскопа, что может снижать его точность при применении на высокоманевренных летательных аппаратах.

Тепловыделения в блоке предварительных усилителей передаются через гнездовые соединения и штыревые контакты во внутреннюю полость гироскопа, что может вызвать температурные деформации элементов инерциального блока и температурные погрешности гироскопа. Блок предварительных усилителей располагается в непосредственной близости к герметизирующей крышке, что также вызывает тепловое влияние на элементы инерциального модуля.

Общее управление работой ТВГ осуществляется электронной системой. В составе системы имеется микропроцессор, обеспечивающий возбуждение и поддержание колебаний резонатора с заданной амплитудой, постоянной частотой и фазой независимо от фактической ориентации колебательной картины, и измерение, преобразование и соответствующую обработку считываемой информации. В соответствии с заложенными в него алгоритмами управление указанным процессом строится по циклическому принципу. Микропроцессор формирует рабочий цикл, разбиваемый во времени на интервалы измерения и управления. Рабочий цикл повторяется через равные промежутки времени и включает в себя некоторое количество периодов колебаний резонатора. На первом интервале в течение одного периода колебаний измеряется амплитуда синфазных и квадратурных колебаний по одной оси, а в течение очередного периода - по другой оси. Измерения выполняют неоднократно в ряде циклов, затем обрабатывают измерения по всем выборкам с вычислением параметров, отображающих угловое положение упругой волны относительно корпуса, и последующим формированием на втором интервале цикла соответствующих управляющих импульсов.

Считывание информации производится с металлизированной поверхности полусферической оболочки резонатора через ножку его двухстороннего держателя. Считанные сигналы усиливаются предварительным усилителем (ПУ) до необходимого уровня и поступают на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь осуществляет автоматическое преобразование (измерение, кодирование) непрерывно изменяющихся во времени аналоговых значений сигналов в эквивалентные им значения числовых кодов. Микропроцессор (МП) обрабатывает получаемую с выходов АЦП и ПУ информацию и с учетом результатов обработки (вычислений) формирует соответствующие управляющие сигналы. Декодирование выдаваемых с выходов МП сигналов управления, представленных цифровыми кодами, в эквивалентные им значения управляющего напряжения автоматически осуществляется формирователями ШИМх ШИМу. Преобразованные таким образом управляющие сигналы с выходов ШИМх и ШИМу поступают на соответствующие пары локальных электродов по одному и другому каналам, обеспечивая необходимое управление колебаниями вибрирующей оболочки резонатора. В известной электронной системе управления вибрационными параметрами резонатора в качестве управляющего воздействия используются только сжимающие резонатор электрические силы. Однако более качественного управления можно достичь при использовании нового известного принципа, когда электрическая сила, прикладываемая к резонатору, может как растягивать, так и сжимать его. Преимущество этого управления - линейность, низкий уровень управляющего напряжения, возможность реализовать режим управления прецессией волны, режим нуль-индикатора.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, является устранение выше рассмотренных недостатков прототипа, заявляемого ТВГ, а именно улучшение его технико-эксплуатационных качеств, позволяющих достигнуть технических характеристик гироскопа для систем ориентации и навигации современных летательных аппаратов.

Технический результат достигается тем, что в известном твердотельном волновом гироскопе, содержащем металлический вакуумируемый корпус, имеющий установочно-присоединительные элементы, и герметизирующую крышку, во внутренней полости которого размещены твердотельный волновой инерциальный чувствительный модуль, включающий в себя изготовленный из кварцевого стекла полусферический резонатор с металлизированной рабочей поверхностью, способный приводиться в колебательное движение при помощи вешнего переменного электрического поля, с проходящим через полюс его полусферы двухсторонним держателем стержневого типа, с помощью которого он жестко скреплен с комбинированной платой возбудителя колебаний резонатора и съема электрических сигналов, отражающих вибрационное состояние резонатора, геттерный насос с заключенным в корпусную оболочку реагентом, электронную систему измерения и управления колебаниями резонатора, являющуюся цифровой с использованием микропроцессора и импульсных сигналов управления, состоящую из аналоговой и цифровой частей, дополнительно вакуумируемый корпус выполнен в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной, имеющей в полюсной области выступающую полость для размещения внешнего держателя стержневого типа, а на экваторе расположен кольцеобразный пояс, на внешней стороне которого размещены три установочно-закрепительных элемента гироскопа, разнесенных друг относительно друга на 120°, а на внутренней стороне расположены три конусных сегментных элемента для установки с применением кольцевой разрезной пружины, комбинированной информационно-возбудительной платы, разнесенных относительно друг друга на 120° и на 60° относительно установочно-закрепительных элементов гироскопа, резонатор имеет переменную толщину стенки полусферической оболочки, образованной за счет смещения по оси симметрии в сторону наружного держателя центра наружной сферы резонатора относительно центра внутренней сферы, комбинированная информационно-возбудительная плата образована фланцевым основанием с конусной кромкой со стороны, примыкающей к конусным установочным элементам корпуса, выступающей над ним шаровой зоной с малым и большим основанием, над малым основанием по оси симметрии выступает цилиндрическая часть для установки резонатора, во фланцевом основании и со стороны большого основания шаровой зоны выполнена расточка, образующая полость для размещения геттерного насоса, а по центральной части шаровой зоны и цилиндрической части выполнены две расточки с разными диаметрами, образующими установочное и крепежное отверстия для внутреннего держателя резонатора, на наружной поверхности шаровой зоны со стороны малого основания сформированы восемь локальных электродов управления, разнесенных на поверхности шаровой зоны с шагом 45° и вырезанных лазерным лучом в напыленной на поверхности этой зоны хромовой пленке со стороны большого основания на наружной поверхности шаровой зоны, вблизи кромки резонатора сформированы восемь электродов съема информации, расположенных синхронно под электродами управления, образующими емкостную систему датчиков перемещения полусферической оболочки резонатора, зазор между корпусом и резонатором в сферической части является равномерным, герметизирующая крышка состоит из металлического кольца и металлокерамической вакуумноплотной колодки с впаянными проходными штыревыми однопроводящими контактами, манжетой по наружному диаметру колодки для сварки с кольцом, кольца в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки с внутренней стороны для крепления геттерного насоса, втулки в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки с наружной стороны для сварки с откачным штенгелем, геттерный насос, состоящий из активного вещества спеченного титан-ванадиевого порошка с объемной пористостью 43%, спирали из нихромовой проволоки для его активации путем нагрева при подаче в нее тока в режиме обезгаживания и активации, ее отключении в рабочем режиме гироскопа с сохранением насосом газопоглотительных свойств, на проходных контактах внутри гироскопа расположены позолоченные втулки с пружинами из золото-медного сплава для сопряжения с контактными площадками электродов комбинированной платы, переходная многослойная монтажная плата, расположенная в негерметичной части гироскопа, на которой коаксиальными проводниками соединяют в пары, противоположно расположенные на комбинированной плате, электроды съема информации и обеспечивают их связь через четыре коаксиальных разъема с входами предварительных усилителей гироскопа, электрический контакт предварительных усилителей с внешней электронной системой гироскопа производится через малогабаритный разъем, установленный на плате предварительных усилителей, с выходом вилочной части разъема за пределы кожуха гироскопа, электрический контакт электродов управления и съема, металлизации резонатора и экранов электродов управления и съема с внешней электронной системой обеспечивается через другой малогабаритный разъем, закрепленный на элементе кольца, связанного с герметизирующей крышкой, путем подвода от него проводников к соответствующим проходным штыревым однопроводящим контактам герметизирующей крышки, между переходной монтажной платой и платой с предварительными усилителями расположен теплозащитный экран, уменьшающий тепловое влияние предварительных усилителей на инерциальный чувствительный модуль, предварительные усилители гироскопа являются повторителями напряжения со смещением нуля питания по отношению к общей земле на величину постоянного высоковольтного напряжения питания электродов съема, аналоговая часть электронной системы содержит приемники информационных сигналов синуса и косинуса, формирователь сигналов управления, блоки коммутации, инверторы и сумматоры, приемники информационных сигналов синуса и косинуса имеют схемы дифференциаторов сигналов и последовательно соединенных электронных устройств отсечки высоковольтного напряжения, предварительного и конечного усиления, смещения нулей сигналов синуса и косинуса, аналого-цифровых преобразователей с дифференциальным входом, цифровая часть электронной схемы дополнительно к процессору цифровой обработки сигналов содержит буферы аналого-цифровых преобразователей, синтезатор частот, асинхронный микроконтроллер последовательного интерфейса и по алгоритмам обработки определяет углы приращения и ориентации волны резонатора относительно корпуса, амплитуду колебаний резонатора, квадратурные составляющие этих колебаний и, используя эту информацию, вырабатывает для двух каналов по алгоритму управления весовые коэффициенты для законов управления, каждый из двух каналов формирователей сигналов управления содержит четыре цифро-аналоговых преобразователя, на вход которых в цифровом виде поступает информация о весовых коэффициентах управления, и как опорные сигналы синусов и косинусов и их производные с приемников информационных сигналов, с выхода аналого-цифровых преобразователей информация о произведениях этих сигналов поступает на сумматоры канальных формирователей управления, формирующих законы управления U₁ и U₂, коммутаторы каналов функционально соединены с синтезатором частот, формирователями сигналов управления и по команде процессора обеспечивают при старте возбуждение колебаний резонатора, используя частоту резонатора, а в рабочем режиме выдачу сформированных законов управления на выходные инверторы и сумматоры, где формируют итоговые сигналы управления, поступающие на электроды управления, по двум каналам в виде V₀+U₁ и V₀-U₁ для одного канала и V₀+U₂ и V₀-U₂ для другого канала, где V₀ рабочее высоковольтное напряжение, подаваемое с источника питания.

Таким образом, предлагаемый ТВГ имеет следующие отличия от прототипа:

- герметизируемый корпус выполнен в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной;

- закрепление гироскопа на основании выполняется с использованием трех установочных секторов на внешней части корпуса, разнесенных относительно друг друга на 120°, а установка комбинированной информационно-возбудительной платы производится на внутренней части корпуса на три конусных сегментных элемента, разнесенных относительно друг друга на 120° и на 60° относительно установочных секторов на внешней части корпуса;

- резонатор имеет переменную толщину стенки полусферической оболочки, образованную за счет смещения по оси симметрии в сторону наружного держателя центра наружной сферы резонатора относительно центра внутренней сферы;

- комбинированная информационно-возбудительная плата образована цилиндрическим фланцевым основанием с конусной кромкой со стороны, примыкающей к конусным установочным элементам корпуса;

- над малым основанием шаровой зоны комбинированной платы по оси симметрии выступает цилиндрическая часть;

- во фланцевом основании и со стороны большого основания шаровой зоны выполнена расточка, образующая полость для размещения геттерного насоса;

- по центральной части шаровой зоны и цилиндрической части выполнены две расточки с разными диаметрами, образующими установочное и крепежное отверстие для внутреннего держателя резонатора;

- на наружной поверхности шаровой зоны со стороны малого основания сформированы дополнительно восемь локальных управляющих электродов, разнесенных на поверхности шаровой зоны с шагом 45°, информационные электроды расположены со стороны большого основания на наружной поверхности шаровой зоны синхронно под управляющими электродами;

- зазор между корпусом и резонатором в сферической части является равномерным;

- твердотельный волновой инерциальный чувствительный модуль закрепляется в вакуумируемом корпусе с помощью кольцевой разрезной прижимной пружины;

- герметизирующая крышка состоит из металлического кольца и металло-керамической вакуумноплотной колодки с впаянными проходными штыревыми однопроводящими контактами, манжетой по наружному диаметру колодки для сварки с кольцом, кольца в области центрального отверстия внутри для крепления геттерного насоса, втулки в области центрального отверстии с наружи для сварки с откачным штенгелем;

- геттерный насос, состоящий из активного вещества спеченного титан-ванадиевого порошка с объемной пористостью 43%, спирали из нихромовой проволоки для ее активации путем нагрева при подаче а нее тока в режиме обезгаживания и активации, ее отключении в рабочем режиме гироскопа с сохранением насосом газопоглотительных свойств;

- на проходных контактах внутри гироскопа расположены позолоченные втулки с пружинами из золото-медного сплава для соединения с контактными площадками электродов платы;

- дополнительно имеется переходная многослойная монтажная плата, расположенная в негерметичной части гироскопа, в которой коаксиальными проводниками соединяются в пары, противоположно расположенные на информационной плате, электроды съема информации и через четыре коаксиальных разъема обеспечивается соединение с входами каждого канала предварительных усилителей;

- электропровода информационного канала и канала управления разделены и выведены на разные разъемы; электрический контакт предварительных усилителей с внешней электронной системой гироскопа обеспечивается через малогабаритный разъем, установленный на плате предварительных усилителей, с выходом вилочной части разъема за пределы кожуха гироскопа, а электрический контакт электродов системы возбуждения, резонатора и экранов систем возбуждения и съема с внешней электронной системой обеспечивается через другой малогабаритный разъем, закрепленный на кожухе, путем подвода от него проводников к соответствующим проходным однопроводящим контактам герметизирующей крышки.

- построение электронной системы обеспечивает принцип управления вибрационным состоянием резонатора, при котором управляющие силы не только сжимают, но и растягивают резонатор;

- предварительные усилители информационных каналов являются повторителями напряжения со смещением нуля питания по отношению к общей земле на величину постоянного высоковольтного напряжения питания информационных электродов;

- аналоговая часть электронной системы содержит приемники информационных сигналов синуса и косинуса, формирователь сигналов управления, блоки коммутации, инверторы и сумматоры;

- приемники информационных сигналов и косинусы имеют схемы дифференциаторов сигналов и последовательно соединенных электронных устройств отсечки высоковольтного напряжения, предварительного и конечного усиления, смещения нулей сигналов синуса и косинуса, аналого-цифровых преобразователей с дифференциальным входом;

- цифровая часть электронной схемы дополнительно к процессору цифровой обработки сигналов содержит буферы аналого-цифровых преобразователей, синтезатор частот и по алгоритмам обработки определяет углы приращения и ориентации волны резонатора относительно корпуса, амплитуду колебаний, квадратурные составляющие этих колебаний и, используя эту информацию, вырабатывает для двух каналов по алгоритму управления весовые коэффициенты для законов управления;

- каждый из двух каналов формирователей сигналов управления содержит четыре цифро-аналоговых преобразователя, на вход которых в цифровом виде поступает информация о весовых коэффициентах управления и как опорные сигналы синусов и косинусов и их производные с приемников информационных сигналов, с выхода аналого-цифровых преобразователей информация о произведениях этих сигналов поступает на сумматоры канальных формирователей управления, формирующих законы управления U1 и U2;

- коммутаторы каналов функционально соединены с синтезатором частот, формирователями сигналов управления и по команде процессора обеспечивают при старте возбуждение колебаний резонатора, используя частоту резонатора, а в рабочем режиме выдачу сформированных законов управления на выходные инверторы и сумматоры, где формируют итоговые сигналы управления, поступающие на электроды управления по двум каналам в виде V₀+U₁ и V₀-U₁ для одного канала и V₀+U₂ и V₀-U₂ для другого канала, где V₀ - рабочее высоковольтное напряжение, подаваемое с источника питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-9.

На фиг.1 представлено трехмерное изображение основных элементов заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.2 изображен общий вид конструкции заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.3 показано трехмерное изображение корпуса заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.4 представлено трехмерное изображение комбинированной платы возбуждения/съема заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.5 показано трехмерное изображение геттерного насоса заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.6 показано трехмерное изображение монтажной платы заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.7 показано трехмерное изображение платы с предварительными усилителями заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.8 представлено трехмерное изображение общего вида заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

На фиг.9 изображена функциональная схема заявляемого твердотельного волнового гироскопа.

Конструктивно заявляемый ТВГ содержит (см. фиг.1, 2, 3, 8) металлический вакуумируемый корпус 1, имеющий установочно-присоединительные элементы 2-4 (см. фиг.). Вакуумируемый корпус 1 закрывается герметизирующей крышкой 5.

Вакуумируемый корпус 1 (см. фиг.1, 2) имеет внутреннюю полость 6, в которой размещен твердотельный волновой инерциальный чувствительный модуль 7, включающий в себя изготовленный из кварцевого стекла, полусферический резонатор 8 с металлизированной рабочей поверхностью 9. Полусферический резонатор 8 имеет полюс полусферы 10, через который проходит двухсторонний держатель стержневого типа 11, с помощью которого он жестко скреплен с комбинированной платой возбудителя колебаний резонатора и съема электрических сигналов 12.

Во внутренней полости 6 также размещен геттерный насос 13.

Вакуумируемый корпус 1 (см. фиг.2, 3) в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной в зоне полусферической оболочки резонатора 8 имеет в полюсной области выступающую полость 14 для размещения внешней части двухстороннего держателя стержневого типа 11, а на экваторе - кольцеобразный пояс 15, на внешней стороне которого расположены три установочно-закрепительных элемента 2-4, разнесенных относительно друг друга на 120°, а на внутренней стороне расположены три конусных сегментных элемента 16-18 для установки с помощью кольцевой разрезной пружины 19, прокладки 20 комбинированной информационно-возбудительной платы 12, разнесенных относительно друг друга на 120° и на 60° относительно установочно-закрепительных элементов гироскопа 2-4. Равномерная толщина полусферической оболочки вакуумируемого корпуса 1 в зоне полусферической оболочки резонатора 8 обеспечивает в локальных точках корпуса одинаковые тепловые сопротивления, что обуславливает равномерное распределение температуры по полусферической оболочке резонатора при изменениях температуры окружающей среды и уменьшения температурной скорости дрейфа гироскопа. Внешняя часть двухстороннего держателя стержневого типа является технологической, используемой в производственных операциях. Исполнение вакуумируемого корпуса 1 в форме, обтекаемой резонатор и внешнюю часть двухстороннего держателя, кроме уменьшения температурных градиентов резонатора, также позволяет уменьшить объем гироскопа.

Использование трех установочно-закрепительных элементов гироскопа 2-4 (см. фиг.3), в отличие от прототипа, в котором установка выполняется на грань или полностью на площадь фланца, позволяет значительно уменьшить площадь контакта с объектом и, как следствие, его температурное влияние на ТВГ.

Применение трех конусных сегментных элементов 16-18 (см. фиг.3) на внутренней стороне экваториального кольцевого пояса 15 вакуумируемого корпуса 1 позволяет выполнить точное центрирование твердотельного волнового инерциального чувствительного модуля 7 относительно внутренней сферической части корпуса. Разнесение на 60° конусных элементов 16-18 относительно установочно-закрепительных элементов гироскопа 2-4 обеспечивает уменьшение температурного влияния на твердотельный волновой инерциальный чувствительный модуль 7 изменения температуры вакуумируемого корпуса 1 за счет максимального увеличения при этом сопротивления теплопроводности между элементами 2-4 и 16-18. Точная установка и закрепление твердотельного волнового инерциального чувствительного модуля 7 в вакуумируемом корпусе 1 обеспечивается с помощью конусных сегментных элементов 16-18 и кольцевой разрезной прижимной пружины 19. Такая установка модуля 7 позволяет создать разборную, в отличие от прототипа, конструкцию ТВГ, что позволяет в процессе его изготовления, при необходимости, производить снятие с корпуса 1 модуля 7.

Резонатор 8 (см. фиг.2) имеет переменную толщину стенки полусферической оболочки, образованной за счет смещения по оси симметрии в сторону наружной части двухстороннего держателя стержневого типа 11 центра наружной сферы резонатора относительно центра внутренней сферы. Применение в конструкции переменной толщины стенки полусферической оболочки позволяет изменять жесткость резонатора, добиваясь разнесения собственной частоты резонатора и частоты внешнего возмущения. При этом в рабочей зоне толщина стенки резонатора меньше, чем в зоне ее сопряжения с двухсторонним держателем, что обуславливает более сильное изменение жесткости, чем массы и, как следствие, собственной частоты резонатора.

Комбинированная информационно-возбудительная плата 12 (см. фиг.1, 2, 3, 4) образована фланцевым основанием 21 с конусной кромкой 22 со стороны, примыкающей к конусным сегментным элементам корпуса 16-18, выступающей над шаровой зоной 23 с малым 24 и большим основанием. Над малым основанием 24 по оси симметрии расположена цилиндрическая часть 25 комбинированной платы для установки резонатора. Во фланцевом основании комбинированной платы 21 со стороны большого основания шаровой зоны 23 выполнена расточка, образующая полость 26 для размещения геттерного насоса 13 (см. фиг.5), а по центральной части шаровой зоны 23 цилиндрической части 25 выполнены две расточки с разными диаметрами, образующими установочное 27 и крепежное 28 отверстия для внутреннего держателя 11 резонатора 8. Наличие в конструкции комбинированной платы 21 полости 26 для размещения геттерного насоса позволило уменьшить размеры гироскопа. Применение установочного отверстия 27 обеспечило точное центрирование резонатора 8 относительно комбинированной платы 21 при закреплении с помощью клеевого соединения 29 в крепежном отверстии для нижнего двухстороннего держателя стержневого типа 11. На наружной поверхности шаровой зоны 23 комбинированной платы 12, со стороны малого основания 24, сформированы восемь локальных электродов управления 30-37, разнесенных на поверхности шаровой зоны с шагом 45° и вырезанных лазерным лучом в напыленной на поверхности этой зоны хромовой пленке. Со стороны большого основания, на наружной поверхности шаровой зоны, вблизи кромки резонатора сформированы восемь локальных электродов съема информации 38-45, расположенных синхронно под управляющими электродами 30-37 и образующих емкостную систему датчиков перемещения полусферической оболочки резонатора 8.

Формирование отдельных групп электродов съема информации и электродов управления обеспечивает повышение качества управления вибрационным состоянием резонатора, что улучшает точностные характеристики гироскопа.

Вокруг электродов управления 30-37 и съема 38-45 из напыленной пленки хрома сформированы по всему их периметру экраны электродов управления 47 и экран электродов съема 46. Формирование экранов позволяет уменьшить влияние канала управления на канал съема и тем самым уменьшить сигналы помех в электронных трактах.

На комбинированной плате 12 для электродов управления 30-37 из хромовой пленки сформированы токопроводы 130-137, идущие от электродов управления на верхнее основание шаровой зоны, далее через проходные отверстия 171-178 в теле комбинированной платы к контактным площадкам 114-121 (см. фиг.1) электродов управления, расположенным на поверхности комбинированной платы, обращенной к герметизирующей крышке 5.

Для электродов съема информации 38-45 сформированы токопроводы 138-145, идущие от электродов съема, через проходные отверстия 179-186 во фланце 21 комбинированной платы 12 к контактным площадкам 122-129, расположенным на поверхности основания комбинированной платы, обращенной к герметизирующей крышке 5.

Для обеспечения электрической связи металлизированной поверхности 9 резонатора 8 на комбинированной плате 12 сформирован токопровод 146, заканчивающийся контактной площадкой 147, расположенной на поверхности комбинированной платы, обращенной к герметизирующей крышке 5.

Для электрической связи экрана 47 в области электродов управления на комбинированной плате 12 сформирован токопровод 148, идущий от экрана 47 на верхнее основание шаровой зоны, далее через проходное отверстие 187 в теле комбинированной платы 12 к контактной площадке 149, расположенной на поверхности комбинированной платы 12, обращенной к герметизирующей крышке 5.

Для электрической связи экрана 46 в области электродов съема информации на комбинированной плате 12 сформирован токопровод 150, идущий от экрана 46 через проходное отверстие 188 во фланце комбинированной платы 12 к контактной площадке 151, расположенной на поверхности основания комбинированной платы, обращенной к герметизирующей крышке 5.

Зазор 48 (см. фиг.2) между корпусом 1 и разъемом 8 в сферической части является равномерным, что обуславливает одинаковые тепловые сопротивления в локальных зонах между корпусом и резонатором и равномерность температуры поверхности резонатора.

Герметизирующая крышка 5 (см. фиг.1, 2) состоит из металлического кольца 49, металлокерамической вакуумноплотной колодки 50 с встроенными проходными штыревыми однопроводящими контактами электродов управления 51-58, электродов съема 59-66 экранов 67, 68, резонатора 69, манжетой 70 по наружному диаметру колодки 50 для сварки с кольцом 49, кольца 71 в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки 50 с внутренней стороны для крепления геттерного насоса 13, втулки 72 в области центрального отверстия колодки 50 с наружной стороны для сварки с откачным штенгелем 73. В конструкции герметизирующей крышки 5 не используются слезки: проходные штыревые однопроводящие контакты встроены непосредственно в тело металлокерамической вакуумноплотной колодки 50. Такое конструктивное решение повышает вакуумностойкость гироскопа. На герметизирующей крышке 5, в отличие от известной конструкции, установлены: откачной штенгель 73 и геттерный насос 13. При этом для размещения геттерного насоса 13 не используется специальное пространство в гироскопе - он расположен в полости 26 комбинированной платы 12, что позволило уменьшить объем и размеры гироскопа.

Геттерный насос 13 (см. фиг.5) имеет активное вещество 74 из спеченного титан-ванадиевого порошка с объемной пористостью 43% и спираль из нихромовой проволоки 75 для его активации путем нагрева при подаче в нее тока в режиме обезгаживания и активации и его отключения в рабочем режиме гироскопа с сохранением насосом газопоглотительных свойств. В предлагаемой конструкции геттерного насоса не используется лазерное, механическое или внешнее тепловое воздействия: активация вещества 74 производится путем его нагрева электрическим током. Такое решение упрощает конструкцию гироскопа в целом, а также повышает его надежность. При этом геттерный насос не только обеспечивает поддержание требуемого вакуума во внутреннем объеме гироскопа в рабочем режиме, но и выполняет функцию обезгаживания совместно с внешним оборудованием в технической операции по газовой очистке ТВГ.

Электроды управления 30-37 соединены через контактные площадки 114-121 с проходными штыревыми однопроводящими контактами 51-58, имеющими позолоченные втулки 76-83 с пружинами 95-102 из золото-медного сплава.

Электроды съема информации 38-45 соединены через контактные площадки 122-129 с проходными штыревыми однопроводящими контактами 59-66, имеющими втулки 84-91 с пружинами 103-110.

Металлизированная поверхность 9 резонатора 8 соединена через контактную площадку 147 с проходным штыревым однопроводящим контактом 69, имеющим втулку 92 с пружиной 111.

Экран электродов управления 47 соединен через контактную площадку 149 с проходным штыревым однопроводящим контактом 67, имеющим втулку 93 с пружиной 112.

Экран электродов съема информации 46 соединен через контактную площадку 151 с проходным штыревым однопроводящим контактом 68, имеющим втулку 94 с пружиной 113.

Использование пружин 95-113 в качестве электрического контакта вместо гнездового контакта, применяемого в прототипе, позволяет повысить надежность электрической связи в процессе эксплуатации.

Многослойная монтажная плата 152 (см. фиг.1, 2, 6), расположенная в негерметичной части гироскопа, коаксиальными проводниками, подпаянными к проходным штыревым однопроводящим контактам 59-66 электродов съема, соединяет в пары противоположно расположенные на комбинированной плате 12 электроды съема информации 38-45 и через четыре малогабаритных коаксиальных разъема 153-156, розетки которых установлены на монтажной плате, обеспечивает связь с входами четырех предварительных усилителей 157-160. Многослойная монтажная плата с помощью винтов 161-163 жестко скреплена с манжетой 70 герметизирующей крышки, которая приварена к вакуумируемому металлическому корпусу 1. Для обеспечения заданного расположения монтажной платы 152 относительно герметизирующей крышки 5 используется установочное кольцо 164.

Предварительные усилители 157-160 (см. фиг.1, 2, 7) установлены на плате предварительных усилителей 165. Плата 165 жестко крепится с помощью винтов 166-168, входящих в резьбовые отверстия головок винтов 161-163. Расположение платы 165 относительно многослойной монтажной платы 152 определяется высотой головок 161-163. На корпусах предварительных усилителей 157-160 установлены вилочные части малогабаритных коаксиальных разъемов 153-156, которые при установке платы 165 соединяются с вилочной частью разъемов 153-156, расположенных на монтажной плате. После закрепления платы 165 предварительных усилителей с помощью винтов 166-168 происходит разгрузка контактов малогабаритных разъемов 153-156 от механических воздействий, так как возникающие при ускорениях силы инерции, действующие со стороны платы 165, воспринимаются не контактами разъемов, как в прототипе, а крепежными винтами 165-168.

Применение монтажной платы 152 и ее винтовое закрепление совместно с платой предварительных усилителей 165 на герметизирующей крышке 5 позволило разгрузить от инерционных воздействий проходные штыревые контакты и контакты предварительных усилителей, обеспечив надежную электрическую связь между элементами гироскопа.

Электроды управления 30-37 соединены соответствующим образом в пары проводниками на внешней стороне герметизирующей крышки 5; здесь же объединены цепи экрана электродов съема и металлизированной поверхности резонатора. Проводники, связанные с цепями электродов управления, экрана электродов съема и сферы выведены на внешний разъем электродов управления 169 (см. фиг.2, 8), закрепленный на площадке кольца 164 для установки многослойной монтажной платы. Выходы предварительных усилителей печатным монтажом подсоединены к выходному разъему 170 (см. фиг.1, 8), на который также подаются напряжения, обеспечивающие функционирование предварительных усилителей и схемы съема информации.

Между переходной монтажной платой 152 и платой предварительных усилителей 165 расположен теплозащитный экран 189 (см. фиг.1, 2), уменьшающий тепловое влияние предварительных усилителей на инерциальный чувствительный модуль 7.

ТВГ 190 имеет в своем составе плату 165 с предварительными усилителями 157-160 (см. фиг.9). Предварительные усилители 157-160 информационных каналов являются повторителями напряжения со смещением нуля питания по отношению к общей земле на величину постоянного высоковольтного напряжения питания электродов съема от источника 206. Предварительные усилители также запитываются от низковольтного источника постоянных напряжений 207. ТВГ 190 работает совместно с внешней электронной системой 191, включающей систему электропитания 192, блок электроники контура 193 гироскопа. Блок электроники контура 193 состоит из аналоговой части 194 и цифровой части 195.

Аналоговая часть 194 электронной системы содержит приемники информационных сигналов синуса 196 и косинуса 197, формирователь сигналов управления 198, блок коммутации 199, инверторы первого 200 и второго 201 каналов, сумматоры первого канала 202, 203 и сумматоры второго канала 204, 205.

Цифровая часть 195 электронной системы содержит буферы 230 аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 218, 219, процессор 231 цифровой обработки сигналов, синтезатор частот 232, универсальный микроконтроллер последовательного интерфейса 233.

Буфер 230 предназначен для трансляции цифровых значений входных сигналов с АЦП 218, 219 к процессору 231.

Процессор 231 предназначен для сбора данных с АЦП, расчета амплитуды, квадратуры, угла волны, моделей погрешностей ТВГ, расчетов коэффициентов для формирователя сигналов управления 198, переключения режимов "Разгон" и "Работа" и загрузки значений частоты в синтезаторе частот 232.

Синтезатор частот 232 является источником напряжения для начального запуска ТВГ.

Универсальный асинхронный микроконтроллер последовательного интерфейса предназначен для обмена с внешней средой блока электроники контура ТВГ посредством канала связи RS-232/422.

ТВГ имеет четыре выхода емкостных датчиков, образованных электродами съема 38-45, и четыре входа емкостных датчиков управления, состоящих из электродов управления 30-37. Чувствительным элементом ТВГ является полусферический кварцевый резонатор 8.

Выходные сигналы емкостных датчиков 38-45 имеют синусоидальную форму и являются источниками тока и входами для четырех предварительных усилителей 157-160.

Предварительные усилители 157, 158 находятся в синусном канале. Выходами синусных усилителей 157, 158 являются сигналы "+USin" и "-Usin", с них также в приемник синусных информационных сигналов поступает постоянное напряжение питания электродов съема.

Предварительные усилители 159, 160 находятся в косинусном канале. Выходами косинусных усилителей 159, 160 являются сигналы "+UCos" и "-UCos", с них также в приемник косинусных информационных сигналов поступает высоковольтное напряжение питания электродов съема.

Приемники входных сигналов 196, 197 предназначены для приема выходных сигналов с ТВГ. Приемники сигналов синуса и косинуса являются идентичными. Выходные сигналы с предварительных усилителей 157-160 ТВГ -"±USin" и "±Ucos" относительно высоковольтного напряжения подаются на схемы отсечки высоковольтного напряжения 210, 211, обеспечивающих приведение указанных сигналов к нулевой постоянной составляющей.

Предварительные усилители 212, 213 приемников входных сигналов выполняют требуемое усиление выходных сигналов ТВГ.

Оконечные усилители 214, 215 обеспечивают равенство выходящих с них амплитуд сигналов "±INSin" и "±INCos" для синусного и косинусного каналов соответственно.

Схемы смещения нулей 216, 217 смещают нули сигналов "±INSin" и "±INCos" в положительную область напряжений на величину сигнала опоры АЦП 218, 219, что обеспечивает линейность передаточных характеристик каналов приемников во всем диапазоне амплитуд входных сигналов.

АЦП 218, 219 с с дифференциальным входом обеспечивают преобразование дифференциальных сигналов "±INSin" и "±INCos" в цифровой коды, которые поступают в процессор 231, осуществляющий управление АЦП каналов приемников.

Дифференциаторы каналов 208, 209 обеспечивают формирование сигналов "+INSin90" и "+INCos90" с амплитудами, равными амплитудам сигналов "+INSin" и "+INCos" соответственно. Сигналы "+INSin" и "+INCos" и их производные "+INSin90" и "+INCos90" подаются на формирователь сигналов управления 198 ТВГ.

Формирователь сигналов управления 198 предназначен для формирования двух линейных комбинаций U₁ и U₂ сигналов управления для первого и второго каналов из выходных сигналов ТВГ и их производных. Величины коэффициентов линейных комбинаций вычисляются в процессоре 231 с использованием алгоритма контура управления. Формирователь сигналов управления функционально состоит из двух частей: первого канала формирования линейной комбинации U₁ и второго канала формирования линейной комбинации U₂.

Каждый из двух каналов содержит идентичные перемножители, построенные на четырех цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП). Для формирования комбинации U₁ используются АЦП 220, 222 224, 226, а для формирования последовательности U₂ применяются АЦП 221 223 225 227. Коэффициенты K₀ и K₄, рассчитанные процессором 231 для "+INSin", коэффициенты K₁ и K₅, рассчитанные процессором для сигнала "+INSin90", а также коэффициенты K₂ и K₆ - для сигнала "+INCos", коэффициенты K₃ и К₇ - для для сигнала "+INCos90" одновременно загружаются во все восемь ЦАП 220-227.

Для соответствующих ЦАП сигналы "+INSin", "+INCos", "+INSin90", "+INCos90" являются опорными. На выходе перемножителя первого канала формируются четыре сигнала произведений "+K₀INSin", "+K₂INCos", "+K₁INSin90", "+K₃INCos90", а на выходе перемножителя второго канала - четыре сигнала произведений "+K₄INSin", "+K₆INCos", "+K₅INSin90", "+K₇INCos90".

Сформированные сигналы произведений подаются на аналоговые сумматоры 228 и 229 первого второго каналов соответственно, с выходов которых снимаются линейные комбинации сигналов управления:

U₁=2("+K₀INSin" + "+K₁INSin90" + "+K₂INCos" + "+K₃INCos90");

U₂=2("+K₄INSin" + "+K₅INSin90" + "+K₆INCos" + "+K₇INCos90").

Эти линейные комбинации поступают на блоки коммутации 199, предназначенные для переключения управляющих сигналов в режимы "Разгон" и "Работа".

Коммутатор первого канала формирования представляет собой два последовательно включенных аналоговых ключа. При команде "WORK/FORSAGE"=0 он формирует и выдает разгонный меандр "FMNDR" с заданной амплитудой из частоты синтезатора 232 (частоты "SYNTHOT" процессора 231) на выход "+U₁" первого канала в режиме разгона. При команде "WORK/FORSAGE"=1 коммутатор первого канала выдает сформированную линейную комбинацию сигнала управления U₁ на выход "+U₁" первого канала в рабочем режиме.

Коммутатор второго канала представляет собой ключ. Он обеспечивает по команде "WORK/FORSAGE"=0 отсутствие сигнала управления на выходе "+U₂ " второго канала в режиме разгона. При команде "WORK/FORSAGE"=1 коммутатор второго канала формирования выдает сформированную линейную комбинацию сигнала управления U₂ на выход "+U₂" второго канала в рабочем режиме.

Инвертор 200 первого канала обеспечивает инверсию разгонного меандра (в режиме разгона) и инверсию линейной комбинации сигнала управления U₁ (в рабочем режиме) и выдачу их на выход "-U₁" первого канала.

На сумматорах 202, 203 формируют итоговые сигналы управления первого канала в виде V₀+U₁ и V₀-U₁, где V₀ - рабочее высоковольтное напряжение, подаваемое от источника питания 206.

Сигнал управления V₀+U₁ первого канала поступает на электроды 30, 34 ТВГ.

Сигнал управления V₀-U₁ первого канала поступает на электроды 32. 36.

Сигнал управления V₀+U₂ второго канала поступает на электроды 31, 35.

Сигнал управления V₀-U₂ второго канала поступает на электроды 33, 37.

В настоящее время разработана опытная конструкторская документация на заявляемый ТВГ и проведены испытания проектных образцов, которые при работе в интегрирующем режиме имели среднеквадратическое значение стабильности скорости дрейфа 0,05°/ч.

Технический эффект от заложенных технических решений в заявляемый ТВГ заключается в устранении перечисленных выше недостатков известных аналогов и прототипа, обеспечивших улучшение его технико-эксплуатационных качеств, позволивших достигнуть уровня точностных характеристик, требуемых для инерциальных систем ориентации и навигации.

Достигнутые результаты при испытаниях заявляемого ТВГ показали возможность создания точного ТВГ, работающего в интегрирующем режиме, что открывает возможность его использования в бесплатформенных системах ориентации и навигации для высокоманевренных летательных аппаратов.

Учитывая также, что ТВГ обладает рядом технических и эксплуатационных характеристик, которые потенциально превосходят характеристики лазерных и волоконно-оптических гироскопов, дальнейшее совершенствование заявляемого ТВГ позволит создать инерциальные навигационные системы современного технического уровня, высокой конкурентной способности.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой твердотельный волновой гироскоп. Гироскоп имеет вакуумируемый корпус в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной, на внешней стороне которого размещены три установочно-закрепительных элемента, разнесенных относительно друг друга на 120°, а на внутренней - три конусных сегментных элемента, смещенных на 60° относительно установочно-закрепительных элементов, для установки комбинированной информационно-возбудительной платы с использованием кольцевой разрезной пружины. Резонатор гироскопа имеет переменную толщину стенки полусферической оболочки. В сферической части комбинированной платы сформированы электроды съема информации и электроды управления. В полости платы расположен геттерный насос. Электроды съема соединяются в пары на монтажной плате, имеющей коаксиальные разъемы для электрической связи с предварительными усилителями, между монтажной платой и платой с предварительными усилителями расположен теплозащитный экран. Для электрической связи электродов съема и электродов управления с внешней электроникой гироскоп имеет два разъема. Цифровая внешняя электронная система управляет вибрационным состоянием резонатора. Техническим результатом является улучшение технико-эксплуатационных качеств гироскопа. 9 ил.

Твердотельный волновой гироскоп, содержащий металлический вакуумируемый корпус, имеющий установочно-присоединительные элементы и герметизирующую крышку, во внутренней полости которого размещены твердотельный волновой инерциальный чувствительный модуль, включающий в себя изготовленный из кварцевого стекла полусферический резонатор с металлизированной рабочей поверхностью, способный приводиться в колебательное движение при помощи внешнего переменного электрического поля, с проходящим через полюс его полусферы двухсторонним держателем стержневого типа, с помощью которого он жестко скреплен с комбинированной платой возбудителя колебаний резонатора и съема электрических сигналов, отражающих вибрационное состояние резонатора, геттерный насос с заключенным в корпусную оболочку реагентом, электронную систему измерения и управления колебаниями резонатора, являющуюся цифровой с использованием микропроцессора и импульсных сигналов управления, состоящую из аналоговой и цифровой частей, отличающийся тем, что вакуумируемый корпус выполнен в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной, имеющей в полюсной области выступающую полость для размещения внешнего держателя стержневого типа, а на экваторе расположен кольцеобразный пояс, на внешней стороне которого размещены три установочно-закрепительных элемента гироскопа, разнесенных друг относительно друга на 120°, а на внутренней стороне расположены три конусных сегментных элемента для установки с применением кольцевой разрезной пружины, комбинированной информационно-возбудительной платы, разнесенных друг относительно друга на 120° и на 60° относительно установочно-закрепительных элементов гироскопа, резонатор имеет переменную толщину стенки полусферической оболочки, образованной за счет смещения по оси симметрии в сторону наружного держателя центра наружной сферы резонатора относительно центра внутренней сферы, комбинированная информационно-возбудительная плата образована фланцевым основанием с конусной кромкой со стороны, примыкающей к конусным установочным элементам корпуса, выступающей над ним шаровой зоной с малым и большим основанием, над малым основанием по оси симметрии выступает цилиндрическая часть для установки резонатора, во фланцевом основании и со стороны большого основания шаровой зоны выполнена расточка, образующая полость для размещения геттерного насоса, а по центральной части шаровой зоны и цилиндрической части выполнены две расточки с разными диаметрами, образующими установочное и крепежное отверстия для внутреннего держателя резонатора, на наружной поверхности шаровой зоны со стороны малого основания сформированы восемь локальных электродов управления, разнесенных на поверхности шаровой зоны с шагом 45° и вырезанных лазерным лучом в напыленной на поверхности этой зоны хромовой пленке, со стороны большого основания на наружной поверхности шаровой зоны, вблизи кромки резонатора, сформированы восемь электродов съема информации, расположенных синхронно под электродами управления, образующими емкостную систему датчиков перемещения полусферической оболочки резонатора, зазор между корпусом и резонатором в сферической части является равномерным, герметизирующая крышка состоит из металлического кольца и металлокерамической вакуумноплотной колодки с впаянными проходными штыревыми однопроводящими контактами, манжетой по наружному диаметру колодки для сварки с кольцом, кольца в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки с внутренней стороны для крепления геттерного насоса, втулки в области центрального отверстия вакуумноплотной колодки с наружной стороны для сварки с откачным штенгелем, геттерный насос, состоящий из активного вещества спеченного титан-ванадиевого порошка с объемной пористостью 43%, спирали из нихромовой проволоки для его активации путем нагрева при подаче в нее тока в режиме обезгаживания и активации, ее отключении в рабочем режиме гироскопа, с сохранением насосом газопоглотительных свойств, на проходных контактах внутри гироскопа расположены позолоченные втулки с пружинами из золото-медного сплава для сопряжения с контактными площадками электродов комбинированной платы, переходная многослойная монтажная плата, расположенная в негерметичной части гироскопа, на которой коаксиальными проводниками соединяют в пары, противоположно расположенные на комбинированной плате, электроды съема информации и обеспечивают их связь через четыре коаксиальных разъема с входами предварительных усилителей гироскопа, электрический контакт предварительных усилителей с внешней электронной системой гироскопа производится через малогабаритный разъем, установленный на плате предварительных усилителей, с выходом вилочной части разъема за пределы кожуха гироскопа, электрический контакт электродов управления и съема, металлизации резонатора и экранов электродов управления и съема с внешней электронной системой обеспечивается через другой малогабаритный разъем, закрепленный на элементе кольца, связанного с герметизирующей крышкой, путем подвода от него проводников к соответствующим проходным штыревым однопроводящим контактам герметизирующей крышки, между переходной монтажной платой и платой с предварительными усилителями расположен теплозащитный экран, уменьшающий тепловое влияние предварительных усилителей на инерциальный чувствительный модуль, предварительные усилители гироскопа являются повторителями напряжения со смещением нуля питания по отношению к общей земле на величину постоянного высоковольтного напряжения питания электродов съема, аналоговая часть электронной системы содержит приемники информационных сигналов синуса и косинуса, формирователь сигналов управления, блоки коммутации, инверторы и сумматоры, приемники информационных сигналов синуса и косинуса имеют схемы дифференциаторов сигналов и последовательно соединенных электронных устройств отсечки высоковольтного напряжения, предварительного и конечного усиления, смещения нулей сигналов синуса и косинуса, аналого-цифровых преобразователей с дифференциальным входом, цифровая часть электронной схемы дополнительно к процессору цифровой обработки сигналов содержит буферы аналого-цифровых преобразователей, синтезатор частот, асинхронный микроконтроллер последовательного интерфейса и по алгоритмам обработки определяет углы приращения и ориентации волны резонатора относительно корпуса, амплитуду колебаний резонатора, квадратурные составляющие этих колебаний и, используя эту информацию, вырабатывает для двух каналов по алгоритму управления весовые коэффициенты для законов управления, каждый из двух каналов формирователей сигналов управления содержит четыре цифроаналоговых преобразователя, на вход которых в цифровом виде поступает информация о весовых коэффициентах управления, и как опорные сигналы синусов и косинусов и их производные с приемников информационных сигналов, с выхода аналого-цифровых преобразователей информация о произведениях этих сигналов поступает на сумматоры канальных формирователей управления, формирующих законы управления U₁ и U ₂ , коммутаторы каналов функционально соединены с синтезатором частот, формирователями сигналов управления и по команде процессора обеспечивают при старте возбуждение колебаний резонатора, используя частоту резонатора, а в рабочем режиме выдачу сформированных законов управления на выходные инверторы и сумматоры, где формируют итоговые сигналы управления, поступающие на электроды управления, по двум каналам в виде V₀+U₁ и V₀-U₁ для одного канала и V₀+U₂ и V₀-U₂ для другого канала, где V₀ рабочее высоковольтное напряжение, подаваемое с источника питания.