ГИРОСКОП Российский патент 2020 года по МПК G01C19/5783 

Настоящее изобретение относится к вибрационному гироскопу.

Гироскоп представляет собой устройство, которое может быть использовано для измерения угловой скорости вращения. Измерения угловой скорости вращения гироскопа могут быть проинтегрированы по времени для определения изменения угловой ориентации гироскопа. Если начальная ориентация гироскопа известна, то определение изменения угловой ориентации гироскопа может быть использовано для получения изменения ориентации гироскопа во времени при изменении его угловой ориентации. Гироскоп, например, может быть использован в таких применениях, как системы инерционной навигации (INS), для стабилизации транспортного средства на земле, в самолете, на морских судах и/или в других применениях.

Вибрационный гироскоп - это разновидность гироскопа, в котором имеется колеблющаяся резонансная конструкция. Вибрационный гироскоп может обозначаться как гироскоп с колебательной конструкцией и/или вибрационный гироскоп Кориолиса (CVG). Для формирования вибрационного гироскопа могут быть использованы самые разнообразные резонансные конструкции, включая кольца, цилиндры, полусферы, перестраиваемые камертоны и балки. Вибрационные гироскопы имеют много преимуществ относительно традиционных гироскопов (основанных на вращающейся массе) и относительно гироскопов, основанных на стекловолоконных и/или других оптических технологиях. Например, вибрационные гироскопы могут быть более дешевыми, чем волоконные оптические гироскопы, и могут иметь меньшие размеры и включать в себя меньше частей, чем вращающиеся массовые гироскопы.

Цель настоящего изобретения заключается в устранении или смягчении недостатков, присущих известным вибрационным гироскопам.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым объектом изобретения, предоставляется гироскоп, содержащий резонансную конструкцию, и множество преобразователей, предназначенных для возбуждения колебательной моды в резонансной конструкции и для обнаружения колебаний резонансной конструкции, причем по меньшей мере один из множества преобразователей содержит пьезоэлектрический монокристалл.

Обнаруживаемые колебания резонансной конструкции могут быть использованы для определения угловой скорости вращения гироскопа. Масштабный коэффициент гироскопа может быть использован для определения угловой скорости вращения гироскопа из обнаруженных колебаний резонансной конструкции. Масштабный коэффициент может варьироваться во времени и/или может варьироваться с вариациями температуры. Не учитываемые вариации масштабного коэффициента гироскопа могут снизить точность определения угловой скорости вращения гироскопа. Использование пьезоэлектрического монокристаллического преобразователя преимущественно уменьшает вариации масштабного коэффициента гироскопа, тем самым, повышая точность, с которой может быть определена угловая скорость вращения гироскопа.

Множество преобразователей может включать в себя первую группу преобразователей, которые предназначены для возбуждения и регистрации первичной колебательной моды резонансной конструкции, и вторую группу преобразователей, которые предназначены для обнаружения и аннулирования вторичной колебательной моды резонансной конструкции.

Первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей может включать в себя равное число преобразователей, которые содержат пьезоэлектрический монокристалл.

По меньшей мере один из первой группы преобразователей может содержать пьезоэлектрический монокристалл и может быть предназначен для обнаружения первичной колебательной моды.

По меньшей мере один из второй группы преобразователей может содержать пьезоэлектрический монокристалл и может быть предназначен для аннулирования вторичной колебательной моды.

По меньшей мере один из множества преобразователей может содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

Первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей может включать в себя равное число преобразователей, которые содержат немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

По меньшей мере один из первой группы преобразователей может содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и может быть предназначен для возбуждения первичной колебательной моды.

По меньшей мере один из второй группы преобразователей может содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и может быть предназначен для обнаружения вторичной колебательной моды.

Множество преобразователей может содержать по меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь, предназначенный для возбуждения первичной колебательной моды, по меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь, предназначенный для обнаружения первичной колебательной моды, по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, предназначенный для обнаружения вторичной колебательной моды, и по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь, предназначенный для аннулирования вторичной колебательной моды.

По меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь и по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь могут, каждый, содержать пьезоэлектрический монокристалл.

По меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь и по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь могут, каждый, содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

По меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь может содержать пару первичных возбуждающих преобразователей. По меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь может содержать пару первичных регистрирующих преобразователей. По меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь может содержать пару вторичных возбуждающих преобразователей. По меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь может содержать пару вторичных регистрирующих преобразователей.

Монокристалл может содержать лангасит.

Преобразователь, который содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь, может содержать PZT.

Каждый из множества преобразователей может быть прикреплен к поверхности резонансной конструкции.

Поверхность резонансной конструкции может включать в себя отверстия, сформированные в резонансной конструкции.

Электрические провода могут проходить через отверстия и могут быть электрически связаны с преобразователями.

Резонансная конструкция может содержать множество балок.

В соответствии со вторым объектом изобретения, предоставляется способ определения угловой скорости вращения гироскопа, способ, содержащий возбуждение колебательной моды в резонансной конструкции, обнаружение колебаний в резонансной конструкции, и определение угловой скорости вращения гироскопа из обнаруженных колебаний, причем, колебательная мода возбуждается, и колебания обнаруживаются множеством преобразователей, которые включают в себя по меньшей мере один преобразователь, который содержит пьезоэлектрический монокристалл.

Множество преобразователей могут включать в себя первую группу преобразователей, которые возбуждают и обнаруживают первичную колебательную моду резонансной конструкции, и вторую группу преобразователей, которые обнаруживают и аннулируют вторичную колебательную моду резонансной конструкции.

Первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей может включать в себя равное число преобразователей, которые содержат пьезоэлектрический монокристалл.

По меньшей мере один из первой группы преобразователей может содержать пьезоэлектрический монокристалл и может обнаруживать первичную колебательную моду.

По меньшей мере один из второй группы преобразователей может содержать пьезоэлектрический монокристалл и может аннулировать вторичную колебательную моду.

По меньшей мере один из множества преобразователей может содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

Первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей могут включать в себя равные числа преобразователей, которые содержат немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

По меньшей мере один из первой группы преобразователей может содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и может возбуждать первичную колебательную моду.

По меньшей мере один из второй группы преобразователей может содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и может обнаруживать вторичную колебательную моду.

Множество преобразователей могут содержать по меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь, который возбуждает первичную колебательную моду, по меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь, который обнаруживает первичную колебательную моду, по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, который обнаруживает вторичную колебательную моду, и по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь который аннулирует вторичную колебательную моду.

По меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь и по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь, каждый, могут содержать пьезоэлектрический монокристалл.

По меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь и по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, каждый, могут содержать немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

По меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь может содержать пару первичных возбуждающих преобразователей. По меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь может содержать пару первичных регистрирующих преобразователей. По меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь может содержать пару вторичных возбуждающих преобразователей. По меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь может содержать пару вторичных регистрирующих преобразователей.

Пьезоэлектрический монокристалл может содержать лангасит.

Преобразователь, который содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь, может содержать PZT.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты реализации изобретения описываются ниже только в качестве примера и в связи сопровождающими схематическими чертежами, на которых:

- Фиг.1 изображает схематический чертеж гироскопа;

- Фиг.2 - схематическая иллюстрация альтернативного варианта реализации гироскопа

- Фиг.3 - схематическая иллюстрация резонансной конструкции гироскопа на Фиг.1 или на Фиг.2;

- Фиг.4 - схематическая иллюстрация резонансной конструкции на Фиг.3 в различных положениях во время колебаний;

- Фиг.5 - схематическое представление вариации масштабного коэффициента с температурой для гироскопа, который содержит преобразователи из PZT;

- Фиг.6 - схематическое представление вариации масштабного коэффициента с температурой для гироскопа, который содержит преобразователи из лангасита;

- Фиг.7 - схематическая иллюстрация гироскопа, содержащего монокристаллический преобразователь; и

- Фиг.8A и 8B - схематические иллюстрации гироскопа в соответствии с альтернативным вариантом реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 показан схематический вид сечения варианта реализации вибрационного гироскопа 100. Гироскоп 100 включает в себя резонансную конструкцию 1. В варианте реализации, который изображен на Фиг.1, резонансная конструкция 1 имеет в целом цилиндрическую форму. Однако в других вариантах реализации, резонансная конструкция 1 может иметь форму, отличную от показанной на Фиг.1. Например, резонансная конструкция 1 может иметь полусферическую или тороидальную форму. Резонансная конструкция 1 может содержать один или более материалов из набора различных материалов. Например, резонансная конструкция 1 может содержать металл, или плавленый кварц (плавленая двуокись кремния).

Резонансная конструкция 1 монтируется на основании 3. Основание 3 включает в себя отверстия 8, которые могут быть использованы для прикрепления гироскопа 100 к блоку угловой скорости вращения, для измерения которого предназначен гироскоп 100. Например, крепеж (например, винт) может быть принят в отверстии 8 для крепления гироскопа 100 к измеряемому блоку. Резонансная конструкция 1 включает в себя стержень 2, который зафиксирован в основании 3. Основание 3 включает в себя чашеобразный выступ 4, который предназначен для приема стержня 2 резонансной конструкции 1. Резонансная конструкция 1 покрыта колпачком 7, который позволяет контролировать уровень давления под колпачком 7. Например, под колпачком 7 может поддерживаться вакуум.

Чашеобразный выступ 4 включает в себя отверстия, через которые проходят провода 5. Провода 5 используются для передачи сигналов в гироскоп 100 и/или из гироскопа 100. Отверстия в основании 3 окружены электрически изоляционным материалом 6, который изолирует провода 5 от остальной части основания 3. Электрически изоляционный материал 6 также служит для обеспечения газонепроницаемого уплотнения вокруг проводов 5. Газонепроницаемое уплотнение препятствует попаданию газа в объем между колпачком 7 и основанием 3 и, поэтому, позволяет поддерживать под колпачком 7 вакуум.

Провода 5 проходят через отверстия 12 в резонансной конструкции 1. Провода 5 электрически связаны с множеством преобразователей 14, которые устанавливаются на резонансной конструкции 1. Электронные сигналы передаются по проводам 5 к преобразователям 14 и от преобразователей 14, тем самым, позволяя посылать электронные сигналы через основание 3 к преобразователям 14 и от преобразователей 14 с внешней стороны гироскопа 100.

Некоторые из преобразователей 14 создают электрические сигналы. Электрические сигналы, создаваемые в преобразователях 14, проходят по проводам 5 и выходят из гироскопа 100. Некоторые из преобразователей 14 принимают электрические сигналы, которые проходят по проводам 5 и на преобразователи 14. Монтажная плата 9 располагается в основании 3. Монтажная плата 9 содержит один или более усилителей, которые предназначены для усиления электрических сигналов, которые выходят из гироскопа 100.

Преобразователи 14 механически связаны с резонансной конструкцией 1 (например, приклеены к резонансной конструкции 1). Как будет описано более подробно ниже, некоторые из преобразователей 14 предназначены для активации резонансной конструкции 1 в ответ на электронные сигналы, предоставленные на преобразователи 14, так, чтобы возбудить колебательную моду в резонансной конструкции. Некоторые из преобразователей 14 предназначены для преобразования колебаний резонансной конструкции в электронные сигналы, которые соответствуют колебаниям резонансной конструкции 1.

Дополнительные детали конструкции гироскопа, такого, как показан на Фиг.1, раскрыты публикацией Европейской Патентной Заявки EP2669629, которая целиком включена здесь посредством ссылки. Заявка EP2669629 также раскрывает другие конфигурации гироскопов, которые могут быть использованы совместно с настоящим изобретением.

На Фиг.2 схематически показан альтернативный вариант реализации гироскопа 1000. Гироскоп 1000 на Фиг.2 содержит чашеобразную резонансную конструкцию 1001, установленную на основании 1003. Основание 1003 содержит выступ 1016, который принимается выемкой 1017 в резонансной конструкции 1001. Резонансная конструкция 1001 зафиксирована на основании 1003 креплением 1018, которое проходит через резонансную конструкцию 1001 и прикрепляется к выступу 1016 в основании 1003. Резонансная конструкция 1001 покрыта колпачком 1007, который позволяет поддерживать под колпачком 1007 вакуум.

Основание 1003 включает в себя отверстия, через которые проходят провода 1005. Отверстия в основании 1003 окружены электрически изоляционным материалом 1006, который изолирует провода 1005 от оставшейся части основания 3. Электрически изоляционный материал 6 также служит для обеспечения газонепроницаемого уплотнения вокруг проводов 1005. Электрические соединения 1005 обеспечивают электрические соединения между концами проводов 1005 и преобразователями 1014, которые располагаются на нижней стороне резонансной конструкции 1000. Другими своими концами, провода 1005 электрически соединяются с монтажной платой 1009, которая располагается ниже основания 1003. Монтажная плата 1009 содержит один или более усилителей, которые предназначены для усиления электронных сигналов, выходящих из гироскопа 1000.

Преобразователи 1014 механически связаны с резонансной конструкцией 1001 (например, приклеены к резонансной конструкции 1). Некоторые из преобразователей 1014 предназначены для активации резонансной конструкции 1001 в ответ на электронные сигналы, предоставляемые на преобразователи 1014 для возбуждения колебательной моды в резонансной конструкции 1001. Некоторые из преобразователей 1014 предназначены для обнаружения колебаний резонансной конструкции и для создания электронных сигналов, которые соответствуют колебаниям резонансной конструкции 1001.

На Фиг.3 схематически показана резонансная конструкция 1. Резонансная конструкция, показанная на Фиг.3 может, например, быть резонансной конструкцией 1 гироскопа 100 на Фиг.1, если ее рассматривать сверху. Альтернативно, резонансная конструкция может быть резонансной конструкцией 1001 на Фиг.2, если ее рассматривать снизу. На резонансной конструкции 1 установлены восемь преобразователей 14a-14h. Для простоты иллюстрации, в резонансной конструкции 1 на Фиг.3 не показаны отверстия. Однако следует отметить, что электрические соединения предоставляются для каждого из преобразователей, 14a-14h для предоставления и/или приема сигналов на преобразователи и/или от преобразователей 14a-14h. Электрические соединения могут проходить через отверстия в резонансной конструкции (не показаны на Фиг.3). Преобразователи 14a-14h размещаются вокруг резонансной конструкции 1 так, что угловое разделение между смежными преобразователями составляет приблизительно 45°. Преобразователи 14a-14h механически связаны с верхней поверхностью резонансной конструкции 1 (например, посредством склейки). Преобразователи 14a-14h содержат пьезоэлектрические материалы, в которых механическое напряжение преобразуется в электрические сигналы, и наоборот.

Пара первичных возбуждающих преобразователей 14a и 14b размещается на противоположных концах оси 21 первичного возбуждения, которая проходит через резонансную конструкцию 1. Пара первичных регистрирующих преобразователей 14c и 14d размещаются на противоположных концах оси 22 первичного обнаружения. Ось 22 первичного обнаружения формирует угол 90° с осью 21 первичного возбуждения. Пара вторичных регистрирующих преобразователей 14e и 14f размещается на противоположных концах оси 23 вторичного обнаружения. Ось 23 вторичного обнаружения формирует угол 45° и с осью 21 первичного возбуждения, и с осью 22 первичного обнаружения. Пара вторичных возбуждающих преобразователей 14g и 14h установлена на противоположных концах оси 24 вторичного возбуждения. Ось 24 вторичного возбуждения формирует угол 90° с осью 23 вторичного обнаружения и формирует угол 45° и с осью 21 первичного возбуждения, и с осью 22 первичного обнаружения.

Первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b предназначены для активации резонансной конструкции 1 для возбуждения колебаний вдоль оси 21 первичного возбуждения. На Фиг.4 схематически показана резонансная конструкция 2 в различных положениях во время колебаний, которые возбуждаются вдоль оси 21 первичного возбуждения. Для простоты иллюстрации, преобразователи 14a-14h исключены из Фиг.4. Первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b прикладывают силы к резонансной конструкции 1 так, что резонансная конструкция 1 колеблется между первым положением 42, в котором резонансная конструкция 1 вытянута в эллипс, главная полуось которого по существу ориентирована вдоль оси 21 первичного возбуждения, и вторым положением 43, в котором резонансная конструкция 1 вытянута в эллипс, главная полуось которого по существу ориентирована вдоль оси 22 первичного обнаружения. Следует отметить, что во время колебаний, резонансная конструкция 1 проходит через третье положение 41, которое является положением, в котором резонансная конструкция 1 релаксирует к состоянию, когда в резонансной конструкции 1 не возбуждаются колебания.

Если вибрационный гироскоп 100 стационарен, то колебания резонансной конструкции 1 таковы, что имеется четыре узла 31a-31d, в которых резонансная конструкция 1 является по существу стационарной. Узлы 31a-31d по существу располагаются на оси 23 вторичного обнаружения и оси 24 вторичного возбуждения. Точки, в которых резонансная конструкция 1 пересекает ось 21 первичного возбуждения и ось 22 первичного обнаружения может обозначаться как анти-узлы, поскольку эти точки представляют собой точки, в которых амплитуда колебаний резонансной конструкции 1 имеет максимальное значение.

Когда гироскоп 100 подвергается вращению, ось 21 первичного возбуждения вращается и в резонансной конструкции 1 возбуждаются колебания (первичными возбуждающими преобразователями 14a, 14b) вдоль направления, отличного от направления, в котором они возбуждались до вращения. Однако, колебания в резонансной конструкции 1 имеют инерцию, которая заставляет удерживать колебания в том же самом направлении, что и направление, в котором колебания происходили до вращения гироскопа 100. Колебания в резонансной конструкции 1 вращаются с вращением гироскопа 100, однако инерция колебаний приводит к тому, что вращение колебаний отстает от вращения гироскопа 100. Поэтому, вращение гироскопа 100 обуславливает колебания в направлениях, которые не ориентированы вдоль оси 21 первичного возбуждения или оси 22 первичного обнаружения. Если никакая сила не приложена к узлам 31a-31d, то этот эффект приводит к движению резонансной конструкции 1, обусловленному узлами 31a-31d.

Для измерения скорости вращения гироскопа 100, вторичные возбуждающие преобразователи 14g, 14h могут действовать для аннулирования узлов 31a-31d так, что по существу никакого смещения резонансной конструкции 1 в узлах 31a-31d не возникает. Как будет описано дополнительно ниже, сила, прикладываемая для аннулирования узлов 31a-31d, оказывается прямо пропорциональной скорости вращения гироскопа 100 и, таким образом, измерение этой силы может быть использовано для измерения скорости вращения гироскопа 100.

Как было описано выше, первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b предназначены для активации резонансной конструкции 1, так, чтобы возбуждать колебательную моду в резонансной конструкции 1. Колебательная мода, которая возбуждается первичными возбуждающими преобразователями 14a, 14b, может обозначаться как первичная колебательная мода. Первичная колебательная мода состоит из колебаний вдоль оси 21 первичного возбуждения и вдоль оси 22 первичного обнаружения, как показано на Фиг.4. Первичные регистрирующие преобразователи 14c, 14d предназначены для обнаружения колебаний резонансной конструкции 1 вдоль оси 22 первичного обнаружения. Движение резонансной конструкции 1 вызывает механическое напряжение в первичных регистрирующих преобразователях 14c, 14d. Механическое напряжение вызывает поток заряда в пределах пьезоэлектрического материала, который формирует преобразователи 14c, 14d, тем самым, создавая электрический сигнал. Электрический сигнал выводится от первичных регистрирующих преобразователей как сигнал 51 первичного обнаружения. Сигнал 51 первичного обнаружения соответствует колебаниям резонансной конструкции 1 вдоль оси 22 первичного обнаружения.

Сигнал 51 первичного обнаружения вводится на первичную петлю 53 обратной связи, как показано на Фиг.3. Первичная петля 53 обратной связи выводит сигнал 55 первичного возбуждения, который образует входной сигнал на первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b. Сигнал 55 первичного возбуждения- это электрический сигнал, который индуцирует механическое напряжение в пьезоэлектрическом материале, образующем преобразователи 14c, 14d. Механическое напряжение в пьезоэлектрическом материале передается резонансной конструкции 1 и вызывает движение резонансной конструкции , которое соответствует сигналу 55 первичного возбуждения.

Для простоты иллюстрации, сигнал 51 первичного обнаружения показан на Фиг.3 только как возникающий от преобразователя 14c, и сигнал первичного возбуждения показан только как вводимый на преобразователь 14a. Однако, следует отметить, что практически оба первичных регистрирующих преобразователя 14c, 14d вносят свой вклад в сигнал 51 первичного обнаружения, и сигнал 55 первичного возбуждения вводится на оба первичных возбуждающих преобразователя 14a, 14b.

Первичная петля 53 обратной связи контролирует первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b на основании измерений, выполненных первичными регистрирующими преобразователями 14c, 14d. Первичная петля 53 обратной связи содержит петлю фазовой синхронизации и петлю автоматического контроля усиления (не показана). Петля фазовой синхронизации предназначена для гарантии того, что частота первичной колебательной моды, которая возбуждается первичными возбуждающими преобразователями 14a, 14b, остается на резонансной частоте резонансной конструкции 1. Петля автоматического контроля усиления предназначена для гарантии того, что амплитуда первичной колебательной моды остается при желаемом значении амплитуды. Если амплитуда и/или частота первичной колебательной моды отклоняется от желаемой амплитуды и резонансной частоты, то первичная петля 53 обратной связи действует для контроля над первичными возбуждающими преобразователями для коррекции любого такого отклонения.

Как пояснялось выше, вращение гироскопа 100 приводит к тому, что колебания происходят в направлениях, которые не ориентированы вдоль оси 21 первичного возбуждения или оси 22 первичного обнаружения. В частности, колебания происходят вдоль оси 23 вторичного обнаружения. Колебания вдоль оси 23 вторичного обнаружения могут обозначаться как вторичная колебательная мода. Движение резонансной конструкции 1 вдоль оси 23 вторичного обнаружения вызывает механическое напряжение во вторичных регистрирующих преобразователях 14e, 14f. Механическое напряжение вызывает поток заряда в пределах пьезоэлектрических материалов, которые образуют преобразователи 14e, 14f, тем самым, создавая электрический сигнал. Электрический сигнал выводится от вторичных регистрирующих преобразователей как сигнал 57 вторичного обнаружения. Сигнал 57 вторичного обнаружения соответствует колебаниям резонансной конструкции 1 вдоль оси 23 вторичного обнаружения.

Сигнал 57 вторичного обнаружения вводится на вторичную петлю 59 обратной связи, как показано на Фиг.3. Вторичная петля 59 обратной связи выводит сигнал 61 вторичного возбуждения, который образует входной сигнал на вторичные возбуждающие преобразователи 14h, 14g. Сигнал 61 вторичного возбуждения - это электрический сигнал, который вызывает механическое напряжение в пьезоэлектрических материалах, которые образуют вторичные возбуждающие преобразователи 14h, 14g.

Для простоты иллюстрации, сигнал 57 вторичного обнаружения показан на Фиг.3 только как возникающий от преобразователя 14f и сигнал 61 вторичного возбуждения показан только как вводимый на преобразователь 14h. Однако следует отметить, что практически оба вторичных регистрирующих преобразователя 14e, 14f вносят свой вклад во вторичный сигнал 57 обнаружения, и вторичный сигнал 61 возбуждения вводится на оба вторичных возбуждающих преобразователя 14g, 14h.

Первичная петля 53 обратной связи, вторичная петля 59 обратной связи и соединения между петлями 53, 59 обратной связи и преобразователями 14 показаны на Фиг.3 только схематично. Практически, первичная петля 53 обратной связи и вторичная петля 59 обратной связи могут содержать аналоговую и/или цифровую электронику, которая может быть расположена на одной или нескольких электронных платах (не показано). Одна или несколько электронных плат могут, например, быть установлены в основание гироскопа. Например, первичная петля 53 обратной связи и вторичная петля 59 обратной связи могут быть расположены на монтажной плате 9 гироскопа на Фиг.1 или на монтажной плате 1009 гироскопа на Фиг.2. Альтернативно, первичная петля 53 обратной связи и вторичная петля 59 обратной связи могут быть установлены в другом месте, и могут быть отделены от основания гироскопа. Монтажная схема 9, 1009 в основании гироскопа может быть предназначена для усиления выходных сигналов и для предоставления сигналов на первичную и/или вторичную петли 53, 59, обратной связи, которые установлены в другом месте. Электрические соединения между петлями 53, 59 обратной связи и преобразователями 14 могут быть выполнены с помощью проводов 5, которые проходят через основание гироскопа.

Вторичная петля 59 обратной связи контролирует вторичные возбуждающие преобразователи 14g, 14h на основании измерений, выполняемых вторичными регистрирующими преобразователями 14e, 14f. Вторичная петля 59 обратной связи предназначена для вывода сигнала 61 вторичного возбуждения, который позволяет вторичным возбуждающим преобразователям 14g, 14h аннулировать вторичную колебательную моду, так, что по существу никакие колебания не возникают вдоль оси 23 вторичного обнаружения или оси 24 вторичного возбуждения.

Вторичная петля 59 обратной связи также выводит сигнал 63 измерения, который пропорционален скорости вращения гироскопа 100. Гироскоп 100 имеет масштабный коэффициент SF, который является константой пропорциональности, связывающей сигнал 63 измерения, который выводится от вторичной петли 59 обратной связи, со скоростью вращения гироскопа 100. Масштабный коэффициент SF обычно задается как напряжение сигнала 63 измерения на единицу скорости вращения гироскопа 100 (обычно задаваемый в единицах вольт на градус на секунду).

Масштабный коэффициент SF зависит от коэффициента G_SDr передачи вторичных возбуждающих преобразователей 14g, 14h, коэффициента G_PDe передачи первичных регистрирующих преобразователей и опорной амплитуды V_ref. Опорная амплитуда V_ref - это целевая амплитуда первичной колебательной моды и она остается постоянной со временем и с температурой. Масштабный коэффициент SF дается формулой:

(1)

где k - константа пропорциональности. Для определения скорости вращения гироскопа 100 требуется знание масштабного коэффициента SF. Масштабный коэффициент SF может быть определен с помощью процесса калибровки. Однако масштабный коэффициент SF может варьироваться со временем и с изменениями температуры. В частности, вариации масштабного коэффициента могут быть вызваны изменениями коэффициентов G_SDr, G_pDe передачи вторичных возбуждающих преобразователей 14g, 14h и первичных регистрирующих преобразователей 14c, 14d, которые могут быть функцией времени и/или температуры.

Не учет вариаций масштабного коэффициента SF (например, вследствие вариаций коэффициентов передачи преобразователя) приводит к неопределенности в скорости вращения гироскопа 100, определяемого из сигнала 63 измерения. Для некоторых применений гироскопа 100 желательно иметь возможность определить скорость вращения гироскопа 100 с высокой точностью. Например, в применениях, в которых гироскоп подвергается высоким скоростям вращения, может быть желательным определить скорость вращения гироскопа с высокой точностью. Такие применения могут, например, включать в себя использование гироскопа в системе отсчета высоты и курса самолета (AHRS), которая может быть подвергнута высоким скоростям вращения, например, до 400 градусов в секунду (например, с креном самолета). В таких применениях может быть, например, желательным определить скорость вращения гироскопа с точностью, приблизительно до 0,1%, или еще лучше. Вариация масштабного коэффициента SF обычно является фактором, который ограничивает точность, с которой гироскоп 100 может определить скорость вращения. Поэтому желательно предоставить гироскоп 100, для которого вариации масштабного коэффициента SF снижены так, чтобы точность определения скорости вращения увеличилась.

Обычно преобразователи 14a-14h формируются из цирконата-титаната свинца (PZT). Материал PZT - это пьезоэлектрический материал, который преобразовывает механическое напряжение в электрические сигналы, и наоборот, с высоким коэффициентом передачи. Материал PZT может, например, быть сформирован с использованием процесса спекания. Высокий коэффициент передачи преобразователей из PZT преимущественен, поскольку может быть использован первичный сигнал возбуждения относительного низкого напряжения при возбуждении первичных возбуждающих преобразователей 14a, 14b для возбуждения первичной колебательной моды, имеющей данную амплитуду. Кроме того, колебания, которые обнаруживаются вторичными регистрирующими преобразователями 14e, 14f, приводят к образованию относительно высокого напряжения сигнала 14e, 14f вторичного обнаружения. Это позволяет измерить вторичную колебательную моду с относительно высоким отношением сигнала к шуму.

Однако, коэффициент передачи преобразователя из PZT изменяется и со временем, и с изменением температуры. Коэффициент передачи преобразователя из PZT также испытывает эффекты гистерезиса, который приводит к тому, что коэффициент передачи преобразователя из PZT оказывается неопределенной функцией температуры. Из уравнения 1 можно видеть, что вариации коэффициента передачи преобразователей из PZT (в частности, первичных регистрирующих преобразователей 14c, 14d и вторичных возбуждающих преобразователей 14g, 14h) вызывают вариации масштабного коэффициента SF, который негативно влияет на точность, с которой угловая скорость вращения определяется гироскопом 100.

На Фиг.5 показано схематическое представление процентной вариации масштабного коэффициента SF гироскопа 100 как функция температуры. Преобразователи 14 гироскопа 100 - это преобразователи из PZT. В показанном на Фиг.5 примере, гироскоп 100 подвергается увеличению и уменьшению температуры. Температура изменяется приблизительно между -45°C и 90°C. Из Фиг.5 можно видеть, что масштабный коэффициент SF испытывает относительно большие вариации с изменениями температуры. По показанному на Фиг.5 температурному диапазону, масштабный коэффициент изменяется более чем на 7%. Такие вариации могут вызвать значительную неопределенность в скорости вращения, которая определяется гироскопом 100.

Кроме того, из Фиг.5 можно видеть, что масштабный коэффициент SF - это нелинейная функция температуры, и что масштабный коэффициент SF подвержен эффекту гистерезиса, такому, что масштабный коэффициент SF не возвращается к тому же самому значению после равных увеличений и уменьшений температуры. Поэтому, масштабный коэффициент SF не является вполне определенной функцией температуры. Это означает, что затруднительно учесть вариации масштабного коэффициента SF при определении скорости вращения гироскопа 100 и, следовательно, вариации масштабного коэффициента SF ограничивают точность, с которой может быть определена скорость вращения гироскопа 100.

Настоящее изобретение предполагает использование преобразователей, которые сформированы из пьезоэлектрического монокристалла. Монокристалл - это кристаллический материал, содержащий непрерывную кристаллическую решетку, которая образована периодическим повторением элементарной кристаллической ячейки. Монокристалл - monocrystal, может альтернативно обозначаться как single crystal. Преобразователь, может, например, содержать монокристалл силиката-галлия-лантана, который имеет пьезоэлектрические свойства. Силикат-галлия-лантана обычно известен как лангасит. Преобразователь, который содержит монокристалл лангасита, может обозначаться как преобразователь из лангасита. Монокристалл лангасита имеет хорошие упругие свойства и имеет малое характерное внутреннее демпфирование, по сравнению с PZT. Эти свойства лангасита означают, что коэффициент передачи преобразователя из лангасита изменяется меньше со временем и с температурой, чем коэффициент передачи преобразователя из материала PZT. Использование преобразователей, коэффициент передачи которых изменяется меньше со временем и с температурой в гироскопе 100, приводит к тому, что масштабный коэффициент SF гироскопа оказывается более стабильным во времени и с изменением температуры, чем в случае использования преобразователей из PZT.

Преобразователь, который содержит пьезоэлектрический монокристалл, отличный от лангасита, также может иметь относительно малую вариацию коэффициента передачи со временем и с температурой, и также может быть подходящим для использования в гироскопе. Например, преобразователь, который содержит монокристалл титаната свинца-ниобата магния-свинца (PMPNT), может быть успешно использован в гироскопе. Другие пьезоэлектрические монокристаллы, которые могут быть использованы в соответствии с вариантами реализации изобретения, включают в себя, например, фосфат галлия, кварц и/или монокристаллы турмалина. Могут быть использованы и другие пьезоэлектрические монокристаллы, явно не упоминаемые здесь. Как должно быть ясно специалисту в данной области техники, такие пьезоэлектрические монокристаллы будут функционировать таким же образом и, таким образом, такие пьезоэлектрические монокристаллы находятся в пределах объема притязаний изобретения.

На Фиг.6 показано схематическое представление процентной вариации масштабного коэффициента SF как функции температуры гироскопа 100, в котором преобразователи 14 являются преобразователями из лангасита. Температурный диапазон, показанный на Фиг.6, тот же самый, что и показанный на Фиг.5. Подобно примеру, показанному на Фиг.5, масштабный коэффициент SF показан на Фиг.6 во время увеличений и понижений температуры. Из Фиг.6 можно видеть, что вариация масштабного коэффициента SF как функция температуры оказывается значительно меньшей тогда, когда используются преобразователи из лангасита, чем тогда, когда используются преобразователи из PZT (как показано на Фиг.5). Кроме того, можно видеть, что при использовании преобразователей из лангасита, вариация масштабного коэффициента SF с температурой приблизительно линейна, и масштабный коэффициент SF представляет собой вполне определенную функцию температуры, которая не испытывает существенных эффектов гистерезиса при последовательных увеличениях и уменьшениях температуры.

Меньшая вариация масштабного коэффициента SF как функция температуры, которую демонстрируют преобразователи из лангасита, позволяет определить скорость вращения гироскопа с большей точностью, чем при использовании преобразователей из PZT. Масштабный коэффициент SF, являющийся вполне определенной функцией температуры, позволяет учесть изменения масштабного коэффициента SF при определении скорости вращения гироскопа 100, при условии, что температура известна. Например, температура может быть измерена, и измерение температуры использовано для регулировки масштабного коэффициента SF, который используется для определения скорости вращения гироскопа 100 (на основании известной вариации масштабного коэффициента SF как функции температуры).

В варианте реализации изобретения, все преобразователи 14a-14h гироскопа 100 являются преобразователями из лангасита (или другими преобразователями, сформированными из пьезоэлектрического монокристалла). Преобразователи из лангасита могут содержать монокристаллы лангасита, которые покрыты на их верхних и нижних поверхностях металлической пленкой. Металлические пленки могут, например, быть сформированы из золота. Металлические пленки позволяют сформировать электрические контакты на кристалле лангасита. Нижняя металлическая пленка может быть использована для формирования электрического контакта с резонансной конструкцией 100. Верхняя металлическая пленка может быть использована для формирования электрического контакта с проводом, который может быть присоединен к металлической пленке. Провод может быть соединен с первичной петлей 53 обратной связи или вторичной петлей 59 обратной связи и может переносить сигнал 51 первичного обнаружения, сигнал 55 первичного возбуждения, сигнал 57 вторичного обнаружения или сигнал 61 вторичного возбуждения(в зависимости от функции преобразователя).

Хотя использование преобразователя, содержащего пьезоэлектрический монокристалл (например, преобразователя из лангасита) преимущественно уменьшает вариацию масштабного коэффициента SF, по сравнению с использованием преобразователей из PZT, монокристаллические преобразователи обычно имеют меньший коэффициент передачи, чем преобразователи из PZT. Например, коэффициент передачи монокристаллического преобразователя может быть приблизительно в шесть раз меньше, чем коэффициента передачи эквивалентного преобразователя из PZT. Меньший коэффициент передачи монокристаллических преобразователей означает, что для создания колебательной моды в резонансной конструкции данной амплитуды, амплитуда сигнала 55 первичного возбуждения должна быть повышена, когда первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b являются монокристаллическими преобразователями, в противоположность тому, когда первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b являются преобразователями из PZT. Это может быть достигнуто увеличением напряжения сигнала 55 первичного возбуждения. Однако в некоторых случаях это может требовать выполнения нежелательных изменений в электронике, которая формирует первичную петлю 53 обратной связи.

Уменьшенный коэффициент передачи монокристаллических преобразователей может дополнительно влиять на отношение сигнала к шуму, с которым могут быть измерены колебания резонансной конструкции. Например, отношение сигнала к шуму сигнала 57 вторичного обнаружения может быть уменьшено, когда вторичные регистрирующие преобразователи 14e, 14f представляют собой монокристаллические преобразователи, в противоположность преобразователям из PZT.

В некоторых вариантах реализации изобретения, некоторые из преобразователей 14a-14h представляют собой монокристаллические преобразователи (например, преобразователи из лангасита), и остающиеся преобразователи являются преобразователями из PZT. Функции монокристаллических преобразователей и преобразователей из PZT могут быть выбраны для использования более высокого коэффициента передачи PZT-преобразователей и большей стабильности коэффициента передачи монокристаллических преобразователей.

На Фиг.7 схематически показан вариант реализации гироскопа 100, который содержит преобразователи из лангасита и преобразователи из PZT. Преобразователи из PZT показаны на Фиг.7 как белые блоки и преобразователи из лангасита показаны как черные блоки. Как можно видеть из уравнения 1, масштабный коэффициент SF гироскопа 100 является функцией коэффициента передачи первичных регистрирующих преобразователей 14c, 14d и коэффициента передачи вторичных возбуждающих преобразователей 14g, 14h. Для увеличения температурной стабильности масштабного коэффициента SF, первичные регистрирующие преобразователи 14c, 14d и вторичные возбуждающие преобразователи 14g, 14h - это преобразователи из лангасита. В альтернативных вариантах реализации, один или более преобразователей из лангасита могут быть заменены преобразователями, содержащими другие пьезоэлектрические монокристаллы.

Первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b и вторичные регистрирующие преобразователи 14e, 14f - это преобразователи из PZT. Как пояснялось выше, преобразователи из PZT имеют более высокий коэффициент передачи, чем преобразователи из лангасита. Использование преобразователей PZT для первичных возбуждающих преобразователей 14a, 14b преимущественно означает, что сигнал 55 первичного возбуждения данной амплитуды будет возбуждать первичную колебательную моду, имеющую большую амплитуду, чем если бы первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b были преобразователями из лангасита. Использование преобразователей из PZT для вторичных регистрирующих преобразователей 14e, 14f преимущественно увеличивает отношение сигнала к шуму, с которым измеряется вторичная колебательная мода. Увеличение отношения сигнала к шуму, с которым измеряется вторичная колебательная мода, увеличивает отношение сигнала к шуму определяемой скорости вращения гироскопа 100.

Конфигурация преобразователей из лангасита и преобразователей из PZT, которая показана на Фиг.7, преимущественно сочетает в себе высокий коэффициент передачи преобразователей из PZT с большей стабильностью коэффициента передачи преобразователей из лангасита. В некоторых вариантах реализации, один или более преобразователей из лангасита могут быть заменены другими монокристаллическими преобразователями. Например, может быть использован преобразователь, содержащий монокристалл PMPNT.

Использование преобразователей PZT (которые имеют относительно высокий коэффициент передачи), как первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b, преимущественно позволяет возбудить в резонансной конструкции 1 первичную колебательную моду, имеющую относительно большую амплитуду, без использования высоких возбуждающих напряжений. Первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b мог быть монокристаллическими преобразователями. Однако, использование монокристаллических первичных возбуждающих преобразователей 14a, 14b может привести к снижению амплитуды первичной колебательной моды, если напряжение сигнала 55 первичного возбуждения не увеличить (что может увеличить сложность электроники в гироскопе). Снижение амплитуды первичной колебательной моды приведет к уменьшению амплитуды вторичной колебательной моды. Поэтому, амплитуда колебаний вдоль оси 23 вторичного обнаружения, которая следует из данной скорости вращения гироскопа, уменьшится. Это приведет к снижению чувствительности измерений, выполняемых вторичными регистрирующими преобразователями 14e, 14f, при изменениях скорости вращения гироскопа и, таким образом, к снижению отношения сигнала к шуму, с которым определяется скорость вращения. Отношение сигнала к шуму, с которым определяется скорость вращения, также зависит от коэффициента передачи вторичных регистрирующих преобразователей 14e, 14f. Поэтому использование преобразователей из PZT с высоким коэффициентом передачи и как первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b, и как вторичные регистрирующие преобразователи 14e, 14f, преимущественно увеличивает отношение сигнала к шуму, с которым определяется скорость вращения гироскопа, позволяя использовать в гироскопе относительно низкие возбуждающие напряжения (по сравнению с гироскопом, который использует только монокристаллы).

Как было описано выше, высокий коэффициент передачи преобразователей PZT преимущественен для первичных возбуждающих преобразователей 14a, 14b и вторичных регистрирующих преобразователей 14e, 14f. Однако преимущественно использовать монокристаллические преобразователи для первичных регистрирующих преобразователей 14c, 14d и вторичных возбуждающих преобразователей 14g, 14h, поскольку именно коэффициенты передачи этих преобразователей непосредственно влияют на масштабный коэффициент SF гироскопа. Увеличенная стабильность коэффициента передачи монокристаллических преобразователей (по сравнению, например, с преобразователями из PZT), преимущественно увеличивает стабильность масштабного коэффициента SF гироскопа, тем самым, увеличивая точность, с которой измеряется скорость вращения гироскопа.

Для компенсации более низкого коэффициента передачи монокристаллических преобразователей (по сравнению, например, с преобразователями из PZT) может быть увеличено усиление сигнала 51 первичного обнаружения и сигнала 61 вторичного возбуждения в первой и второй петлях 53, 59 обратной связи.

Как пояснялось выше, конфигурация преобразователей, показанная на Фиг.7, в которой первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b и вторичные регистрирующие преобразователи 14e, 14f представляют собой преобразователи из PZT и в которой вторичные возбуждающие преобразователи 14g, 14h и первичные регистрирующие преобразователи 14c, 14d являются преобразователями из лангасита, преимущественно увеличивает стабильность масштабного коэффициента, увеличивая отношение сигнала к шуму, с которым определяется скорость вращения гироскопа 100. Однако, в других вариантах реализации могут быть использованы другие конфигурации преобразователей. В целом, по меньшей мере один из преобразователей - это монокристаллический преобразователь (например, преобразователь из лангасита). Один или более преобразователей могут быть преобразователями из PZT.

Хотя выше были описаны варианты реализации, в которых немонокристаллические преобразователи являются преобразователями из PZT, в других вариантах реализации, вместо этого могут быть использованы другие немонокристаллические преобразователи.

Монокристаллический преобразователь (например, преобразователь из лангасита) и преобразователь из PZT имеют различные механические свойства, которые могут влиять на характеристики колебательной моды, которая возбуждается и/или обнаруживается преобразователем. Например, тип преобразователя, который используется для возбуждения или обнаружения колебательной моды, может влиять на массу и жесткость материала, который колеблется, а также на демпфирование колебаний. Эти эффекты могут быть относительно незначительными. Однако может быть желательным для того же самого числа каждого типа преобразователя иметь вклад в каждую колебательную моду. Например, может быть желательным для числа монокристаллических преобразователей, которые возбуждают и/или обнаруживают первичную колебательную моду (которые могут обозначаться как первичные преобразователи), быть таким же, как и число монокристаллических преобразователей, которые возбуждают и/или обнаруживают вторичную колебательную моду (которые могут обозначаться как вторичные преобразователи). Кроме того, может быть желательным для числа первичных преобразователей из PZT быть таким же, как и число вторичных преобразователей из PZT. Следует отметить, что в показанном на Фиг.7 варианте реализации, два из первичных преобразователей (первичные регистрирующие преобразователи 14c, 14d) и два из вторичных преобразователей (вторичные возбуждающие преобразователи 14g, 14h) - это преобразователи из лангасита. Кроме того, два из первичных преобразователей (первичные возбуждающие преобразователи 14a, 14b) и два из вторичных преобразователей (вторичные регистрирующие преобразователи 14e, 14f) - это преобразователи из PZT. Поэтому каждая колебательная мода включает в себя то же самое число каждого типа преобразователя.

В вариантах реализации, которые были описаны выше, каждая функция (например, первичное возбуждение, первичное обнаружение, вторичное возбуждение и вторичное обнаружение) выполняется парой преобразователей. Однако в других вариантах реализации другие числа преобразователей могут выполнять различные функции. Например, вариант реализации гироскопа может содержать единственный первичный возбуждающий преобразователь, единственный первичный регистрирующий преобразователь, единственный вторичный возбуждающий преобразователь и единственный вторичный регистрирующий преобразователь. Использование единственного преобразователя для каждой функции, в противоположность паре преобразователей, как показано на Фиг.3 и 7, может упростить сборку гироскопа. Однако использование единственного преобразователя для каждой функции может привести к меньшим коэффициентам передачи G_PDr, G_PDe, G_SDr и G_SDe первичных и вторичных мод, по сравнению с использованием пары преобразователей для каждой функции.

Хотя изобретение было описано в отношении определенных вариантов реализации гироскопа, следует отметить, что один или более монокристаллических преобразователей (например, преобразователи из лангасита) могут быть использованы с любой конфигурацией вибрационного гироскопа. Например, на Фиг.8A и 8B схематично показан вибрационный гироскоп 2000 в соответствии с альтернативным вариантом реализации изобретения. Гироскоп 2000 содержит резонансную конструкцию 2001, которая напоминает пару настраиваемых камертонов, соединяемых в общем основании 2002. На Фиг.8A показан боковой профиль гироскопа 2000. Резонансная конструкция 2001 содержит четыре параллельных балки 2004a-2004d (только, две из которых видимы на Фиг.8A), которые установлены на основании 2002. Основание 2002 механически связывает балки 2004 так, что колебания в одной из балок вызывают колебания в других балках. Основание 2002 прикрепляется к стенду 2008 через стойку 2006. Резонансная конструкция 2001 может быть герметизирована в колпачке (не показано) для возможности поддержания вакуума вокруг резонансной конструкции.

Балки 2004a-2004d, каждая, имеют два вертикальных уровня 2014, 2015 преобразователей 2014a-2014h и 2015a-2015h (только, некоторые из них видимы на Фиг.8A). На Фиг.8B показана схематическая иллюстрация горизонтальных сечений двух вертикальных уровней 2014, 2015 преобразователей. Также на Фиг.8B показаны соединения между преобразователями и первичной петлей 2021 обратной связи и вторичной петлей 2023 обратной связи.

Преобразователи 2014a-2014h и 2015a-2014h могут действовать различным образом для возбуждения и обнаружения колебательных мод в резонансной конструкции. В варианте реализации, преобразователи, помеченные как 2015e, 2015f, 2015g и 2014h на Фиг.8A и 8B выполняют роль первичных возбуждающих преобразователей и предназначены для возбуждения первичной колебательной моды в балках 2004a-2004d. Первичная колебательная мода может, например, содержать колебания всех четырех балок 2004a-2004d в том же самом направлении. Например, балки 2004a-2004d могут возбуждаться первичными возбуждающими преобразователями, 2015e-2014h для получения колебаний сверху донизу, как обозначено двунаправленной стрелкой 2041, показанной на Фиг.8B.

Первичная колебательная мода обнаруживается первичными регистрирующими преобразователями, которые помечены как 2014e, 2014f, 2014g и 2014h на Фиг.8A и 8B. Первичные регистрирующие преобразователи предоставляют входные сигналы на первичную петлю 2021 обратной связи, и первичная петля 2021 обратной связи выводит сигналы, которые предоставляются на первичные возбуждающие 2015e-2015h преобразователи. Первичная петля 2021 обратной связи может, например, содержать аналоговую или цифровую электронику, которая действует для управления первичными возбуждающими преобразователями на основании измерений, выполняемых первичными регистрирующими преобразователями, так, чтобы поддерживать первичную колебательную моду, имеющую желаемую частоту, амплитуду и фазу.

Хотя первичная колебательная мода может быть такой, что балки 2004a-2004d колеблются в том же самом направлении 2041, балки могут колебаться так, что колебания некоторых из балок не совпадают по фазе с колебаниями одной или нескольких остающихся балок. Например, в варианте реализации, показанном на Фиг.8A и 8B, балки 2004a-15 2004d могут возбуждаться для колебаний так, что колебания балок 2004a и 2004c будут в фазе друг с другом, но не совпадут по фазе с колебаниями балок 2004b и 2004d. Сигналы, которые формируются в первичных регистрирующих преобразователях 2014e и 2014g (которые установлены на балках 2004a и 2004c, соответственно) будут, поэтому, не в фазе с сигналами, которые формируются в первичных регистрирующих преобразователях 2014f и 2014h (которые установлены на балках 2004a и 2004c, соответственно). Сигналы, формируемые в первичных регистрирующих преобразователях 2014e и 2014g вычитаются из сигналов, формируемых в первичных регистрирующих преобразователях 2014f и 2014h в вычитающем устройстве 2070, так, чтобы сформировать входной сигнал 2072 на первичную петлю 2021 обратной связи, который является показательным в отношении амплитуды, частоты и фазы первичной колебательной моды.

Первичная петля 2021 обратной связи выводит сигнал 2074, который управляет первичными возбуждающими преобразователями 2015e-2014h, так, чтобы поддержать первичную колебательную моду, имеющую желаемую амплитуду, частоту и фазу. Сигнал, который возбуждает преобразователи 2015f и 2014h инвертирован инвертором 2076, чтобы поддержать фазовое соотношение между колебаниями балок 2004a и 2004b и колебаниями балок 2004b и 2004d.

Подобно вариантам реализации вибрационного гироскопа, которые были описаны выше в отношении Фиг.1-4, вращение гироскопа 2000, который показан на Фиг. 8A и 8B, может привести к вторичной колебательной моде. Например, вращение гироскопа 2000 может вызвать колебания балок 2004a-2004d в направлении, которое обозначено двунаправленной стрелкой 2040, показанной на Фиг.8B. Вторичная колебательная мода обнаруживается вторичными регистрирующими преобразователями, которые помечены как 2014a, 2014b, 2014c и 2014d на Фиг.8B. Сигналы, которые выводятся от преобразователей 2014a и 2014b вычитаются из сигналов, которые выводятся от преобразователей 2014c и 2014d в вычитающем устройстве 2080, так, чтобы сформировать входной сигнал 2082 на вторичную петлю 2023 обратной связи, который является показательным для вторичной колебательной моды.

Вторичная петля 2023 обратной связи выводит сигнал 2084, который предоставляется на вторичные возбуждающие преобразователи 2015a, 2015b, 2015c, 2015d. Вторичная петля 2023 обратной связи может, например, содержать аналоговую или цифровую электронику, которая действует для управления вторичными возбуждающими преобразователями 2015a-2015d на основании измерений, выполняемых вторичными регистрирующими преобразователями 2014a-2014d, так, чтобы по существу аннулировать вторичную колебательную моду. Учитывая фазовое соотношение между колебаниями в различных балках 2004a-2004d, сигнал, который предоставляется на преобразователи 2015a и 2015b, инвертируется инвертором 2086.

В дополнение к выводу сигнала 2084, который возбуждает вторичные возбуждающие преобразователи 2015a-2015d, вторичная петля 2023 обратной связи также выводит сигнал 2063 измерения, который пропорционален скорости вращения гироскопа 2000. Как было описано выше в отношении других вариантов реализации, гироскоп 2000 имеет масштабный коэффициент SF, являющийся константой пропорциональности, которая связывает сигнал 2063 измерения, который выводится от вторичной петли 2023 обратной связи, со скоростью вращения гироскопа 2000.

Масштабный коэффициент SF зависит от коэффициентов передачи G_SDr вторичных возбуждающих преобразователей 2015a-2015d и от коэффициентов передачи G_PDe первичных регистрирующих преобразователей 2014e-2014h. В варианте реализации, показанном на Фиг.8A и 8B, вторичные возбуждающие преобразователи 2015a-2015d и первичные регистрирующие преобразователи 2014e-2014h, каждый, содержат пьезоэлектрический монокристалл (обозначенный черными блоками на Фиг.8A и 8B). Например, вторичные возбуждающие преобразователи 2015a-2015d и первичные регистрирующие преобразователи 2014e-2014h могут, каждый, содержать монокристалл лангасита. Как было объяснено выше в отношении других вариантов реализации, коэффициент передачи преобразователя, который содержит пьезоэлектрический монокристалл, относительно стабилен во времени и стабилен при изменениях температуры. Поэтому использование пьезоэлектрических монокристаллов для вторичных возбуждающих преобразователей 2015a-2015d и первичных регистрирующих преобразователей, 2014e-2014h, как показано на Фиг.8A и 8B, преимущественно приводит к гироскопу 2000, имеющему масштабный коэффициент SF, который относительно стабилен во времени и стабилен при изменениях температуры. Например, масштабный коэффициент SF гироскопа 2000 может варьироваться с температурой подобно показанной на Фиг.6 вариации масштабного коэффициента SF с температурой. Как объяснялось выше, на Фиг.6 показана относительно малая вариация масштабного коэффициента SF с температурой, по сравнению, например, со случаем, в котором используются преобразователи PZT для вторичных возбуждающих преобразователей и первичных регистрирующих преобразователей, как показано на Фиг.5.

Хотя некоторые из преобразователей в варианте реализации, показанном на Фиг.8A и 8B, содержат пьезоэлектрические монокристаллы, первичные возбуждающие преобразователи 2015e-2015h и вторичные регистрирующие преобразователи 2014a-2014d, которые показаны белыми блоками на Фиг.8A и 8B, могут, например, быть преобразователями из PZT. Как объяснялось выше в отношении других вариантов реализации, преобразователи из PZT имеют относительно высокий коэффициент передачи (по сравнению, например, с преобразователями, содержащими пьезоэлектрический монокристалл).

Использование преобразователей из PZT (которые имеют относительно высокий коэффициент передачи) как первичных возбуждающих преобразователей 2015e-2015h, преимущественно позволяет возбуждать в резонансной конструкции 2001 первичную колебательную моду, имеющую относительно большую амплитуду без использования высоких возбуждающих напряжений. Использование относительно высокого коэффициента передачи преобразователей из PZT, как вторичных регистрирующих преобразователей 2014a-2014d, преимущественно увеличивает отношение сигнала к шуму, с которым определяется скорость вращения гироскопа.

В других вариантах реализации гироскопа в форме, показанной на Фиг.8A и 8B, может быть использовано больше или меньше преобразователей, нежели показано на чертежах. Например, в варианте реализации только два преобразователя могут быть использованы для каждой функции (например, первичное возбуждение, первичное обнаружение, вторичное возбуждение и вторичное обнаружение) в противоположность четырем преобразователям, используемым для каждой функции на Фиг.8A и 8B. Вообще, по меньшей мере один преобразователей может содержать пьезоэлектрический монокристалл (например, монокристалл лангасита). Преобразователи могут включать в себя первую группу преобразователей, которая предназначена для возбуждения и обнаружения первичной колебательной моды, и вторую группу преобразователей, которая предназначена для обнаружения и аннулирования вторичной колебательной моды. В некоторых вариантах реализации, первая и вторая группа преобразователей могут включать в себя равные числа преобразователей, которые содержат пьезоэлектрический монокристалл.

Хотя выше были описаны конкретные варианты реализации изобретения, следует отметить, что изобретение может быть осуществлено не так, как это описано. Вышеприведенные описания предназначены для иллюстрации, а не для ограничения. Таким образом, специалисту в данной области техники будет очевидно, что могут быть выполнены модификации описанного изобретения, не отступая от объема притязаний приложенной формулы.

Группа изобретений относится к области измерений угловой скорости вращения. Гироскоп содержит резонансную конструкцию и множество преобразователей, предназначенных для возбуждения колебательной моды в резонансной конструкции и обнаружения колебаний резонансной конструкции, причем по меньшей мере один из множества преобразователей содержит пьезоэлектрический монокристалл. Технический результат – повышение точности определения угловой скорости вращения гироскопа. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Гироскоп, содержащий:

резонансную конструкцию; и

множество преобразователей, предназначенных для возбуждения колебательной моды в резонансной конструкции и обнаружения колебаний резонансной конструкции, причем по меньшей мере один из множества преобразователей содержит пьезоэлектрический монокристалл.

2. Гироскоп по п. 1, причем множество преобразователей включает в себя первую группу преобразователей, которые предназначены для возбуждения и обнаружения первичной колебательной моды резонансной конструкции, и вторую группу преобразователей, которые предназначены для обнаружения и аннулирования вторичной колебательной моды резонансной конструкции.

3. Гироскоп по п. 2, причем первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей включают в себя равное число преобразователей, которые содержат пьезоэлектрический монокристалл.

4. Гироскоп по п. 2 или 3, причем по меньшей мере один из первой группы преобразователей содержит пьезоэлектрический монокристалл и предназначен для обнаружения первичной колебательной моды.

5. Гироскоп по любому из пп. 2-4, причем по меньшей мере один из второй группы преобразователей содержат пьезоэлектрический монокристалл и предназначен для аннулирования вторичной колебательной моды.

6. Гироскоп по любому из предыдущих пунктов, причем по меньшей мере один из множества преобразователей содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

7. Гироскоп по пп. 6 и .2, причем первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей включают в себя равное число преобразователей, которые содержат немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

8. Гироскоп по п. 7, причем по меньшей мере один из первой группы преобразователей содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и предназначен для возбуждения первичной колебательной моды.

9. Гироскоп по п. 7 или 8, причем по меньшей мере один из второй группы преобразователей содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и предназначен для обнаружения вторичной колебательной моды.

10. Гироскоп по любому из предыдущих пунктов, причем множество преобразователей содержит по меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь, предназначенный для возбуждения первичной колебательной моды, по меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь, предназначенный для обнаружения первичной колебательной моды, по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, предназначенный для обнаружения вторичной колебательной моды, и по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь, предназначенный для аннулирования вторичной колебательной моды.

11. Гироскоп по п. 10, причем упомянутый по меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь и упомянутый по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь, каждый, содержат пьезоэлектрический монокристалл.

12. Гироскоп по п. 10 или 11, причем упомянутый по меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь и упомянутый по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, каждый, содержат немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

13. Гироскоп по любому из предыдущих пунктов , причем монокристалл содержит лангасит.

14. Гироскоп по любому из пп. 6-9 или 12, причем преобразователь, который содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь, содержит PZT.

15. Гироскоп по любому из предыдущих пунктов, причем каждый из множества преобразователей прикреплен к поверхности резонансной конструкции.

16. Гироскоп по любому из предыдущих пунктов, причем поверхность резонансной конструкции включает в себя отверстия, сформированные в резонансной конструкции.

17. Гироскоп по п. 16, причем через отверстия проходят электрические провода, электрически соединенные с преобразователями.

18. Гироскоп по любому из пп. 1-15, причем резонансная конструкция содержит множество балок.

19. Способ определения угловой скорости вращения гироскопа, содержащий:

возбуждение колебательной моды в резонансной конструкции;

обнаружение колебаний в резонансной конструкции; и

определение угловой скорости вращения гироскопа по обнаруженным колебаниям;

причем возбуждают колебательную моду и обнаруживают колебания множеством преобразователей, которое включает в себя по меньшей мере один преобразователь, который содержит пьезоэлектрический монокристалл.

20. Способ по п. 19, причем множество преобразователей включает в себя первую группу преобразователей, которые возбуждают и обнаруживают первичную колебательную моду резонансной конструкции, и вторую группу преобразователей, которые обнаруживают и аннулируют вторичную колебательную моду резонансной конструкции.

21. Способ по п. 20, причем первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей включают в себя равное число преобразователей, которые содержат пьезоэлектрический монокристалл.

22. Способ по п. 19 или 20, причем по меньшей мере один из первой группы преобразователей содержит пьезоэлектрический монокристалл и обнаруживает первичную колебательную моду.

23. Способ по любому из пп. 20-22, причем по меньшей мере один из второй группы преобразователей содержит пьезоэлектрический монокристалл и аннулирует вторичную колебательную моду.

24. Способ по любому из пп. 19-23, причем по меньшей мере один из множества преобразователей содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

25. Способ по пп. 24 и 20, причем первая группа преобразователей и вторая группа преобразователей включают в себя равные числа преобразователей, которые содержат немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

26. Способ по п. 25, причем по меньшей мере один из первой группы преобразователей содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и возбуждает первичную колебательную моду.

27. Способ по п. 25 или 26, причем по меньшей мере один из второй группы преобразователей содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь и обнаруживает вторичную колебательную моду.

28. Способ по любому из пп. 19-27, причем множество преобразователей содержит по меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь, который возбуждает первичную колебательную моду, по меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь, который обнаруживает первичную колебательную моду, по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, который обнаруживает вторичную колебательную моду, и по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь, который аннулирует вторичную колебательную моду.

29. Способ по п. 28, причем упомянутый по меньшей мере один первичный регистрирующий преобразователь и упомянутый по меньшей мере один вторичный возбуждающий преобразователь, каждый, содержат пьезоэлектрический монокристалл.

30. Способ по п. 28 или 29, причем упомянутый по меньшей мере один первичный возбуждающий преобразователь и упомянутый по меньшей мере один вторичный регистрирующий преобразователь, каждый, содержат немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь.

31. Способ по любому из пп. 19-30, причем пьезоэлектрический монокристалл содержит лангасит.

32. Способ по любому из пп. 24-27 или 31, причем преобразователь, который содержит немонокристаллический пьезоэлектрический преобразователь, содержит PZT.