Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа с терморезистивной коррекцией Российский патент 2024 года по МПК G01C19/5691 

Изобретение относится к гироскопическому датчику первичной информации, которым является, в частности, волновой твердотельный гироскоп, использующийся для измерения угловой скорости и угла поворота. Изобретение обеспечивает минимизацию времени запуска гироскопического датчика во всем диапазоне температур, предъявляемых условиями эксплуатации.

Известен чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа [1], который принят за прототип. В его состав входит высокодобротный полусферический резонатор, изготовленный из диоксида кремния, частично покрытый электропроводящим металлическим слоем, ножка которого закреплена на основании, несущем основные электроды возбуждения и детектирования колебаний резонатора, расположенные равномерно по окружности основания, обращенные к торцевой части резонатора и основной заземленный охранный электрод, расположенный в центре основания между основными электродами.

Основная функция охранного электрода состоит в уменьшении взаимного влияния основных электродов, а также использовании в качестве управляющего электрода.

Установлено, что модуль упругости материала высокодобротного резонатора температурочувствителен, что приводит к существенному изменению собственной (рабочей) частоты резонатора при действии на него температуры.

В связи с вышеизложенным, существенным недостатком прототипа является отсутствие средств измерения температуры в непосредственной близости резонатора при отсутствии колебаний последнего и невозможности, в связи с этим, быстрого поиска собственной частоты резонатора на заданной температуре и, как следствие, быстрого запуска прибора.

Ввиду того, что гироскопический датчик является электровакуумным, использование косвенных измерительных методов и устройств температуры [2] не позволяет устанавливать их в вакуумном объеме, так как данные устройства оказывают дополнительное газовыделение и вводят несимметрию в механическую колебательную систему, что отрицательно сказывается на характеристиках резонатора и чувствительном элементе волнового твердотельного гироскопа в целом.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение является улучшение качественных и технических характеристик чувствительного элемента волнового твердотельного гироскопа.

Техническим результатом изобретения является минимизация времени готовности гироскопического датчика.

Предлагаемый чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа с терморезистивной коррекцией иллюстрируется изображениями, представленными на фиг. 1 и фиг. 2.

Пример реализации заявленного устройства.

Чувствительный элемент (фиг. 1) волнового твердотельного гироскопа с терморезистивной коррекцией состоит из основания 1 и полусферического резонатора 2, закрепленного на основании. Основание 1 (фиг. 2) содержит основные электроды 3, расположенные равномерно по окружности основания, обращенные к торцевой части 4 (фиг. 1) полусферического резонатора и охранный электрод 5, расположенный в центре основания между основными электродами. Основание также содержит электропроводящую тонкопленочную резистивную структуру 6 выполненную на охранном электроде, обладающую термической зависимостью.

Принцип действия основан на изменении резистивных свойств электропроводящей тонкопленочной резистивной структуры, зависящих от его температуры.

Поскольку запуск гироскопического датчика заключается в возбуждении колебаний резонатора на собственной рабочей частоте, необходимо точно определять его температуру для существенного уменьшения времени поиска собственной рабочей частоты, что не представляется возможным без средств измерения температуры, установленных в непосредственной близости к резонатору. Данное обстоятельство существенно увеличивает время готовности гироскопического датчика и ограничивает его применение. С целью точного определения температуры резонатора в конструкцию чувствительного элемента волнового твердотельного гироскопа вводится терморезистор, представляющий собой незамкнутую электропроводящую металлическую структуру. Измерение температуры терморезистором осуществляется путем измерения его сопротивления, например, с помощью электрического делителя напряжений. На один конец терморезистора подается стабилизированное напряжение, падение напряжения на сопротивлении терморезистора характеризует его текущую температуру, соответственно, изменение данного напряжения (ввиду изменения сопротивления) пропорционально изменению температуры терморезистора.

Введение терморезистивной коррекции позволяет сократить время запуска до 1 секунды в любых режимах изменения температуры окружающей среды.

Предложенный чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа с терморезистивной коррекцией наделяет гироскопический датчик существенными преимуществами, которые наделяют его важными качествами:

1. Достоверность температуры резонатора, обеспечивающаяся за счет минимальной разницы температуры терморезистора и резонатора, поскольку первый сформирован на материале, который аналогичен второму, и оба они размещены в вакуумном объеме в непосредственной близости друг к другу.

2. Минимизация времени запуска гироскопического датчика за счет точного определения собственной (рабочей) частоты резонатора, в том числе, при изменении температуры окружающей среды.

3. Повышение точности гироскопического датчика за счет возможности калибровки температурного дрейфа.

4. Конструктивное исполнение терморезистора позволяет сохранить все полезные функции охранного электрода.

Анализ показывает, что предлагаемое изобретение удовлетворяет предъявляемым к нему трем основным критериям - «новизна», «промышленная применимость» и «изобретательский уровень».

Источники информации:

1. Патент №2498218 РФ МПК G01C 19/5691. Частично металлизированный резонатор / Вандебек Поль., опубл. 10.11.2013. Бюл. №31.

2. Сергеев В.А. Приборы и методы измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов и интегральных схем // Приборы и системы. Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции» Приборы и приборные системы». Тула, ТулГУ, 2001, с. 122-125.

Изобретение относится к измерительной технике. Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа с терморезистивной коррекцией состоит из основания и полусферического резонатора, закрепленного на основании, содержащем основные электроды, расположенные равномерно по окружности основания, обращенные к торцевой части полусферического резонатора, и содержащем охранный электрод, расположенный в центре основания между основными электродами, при этом основание содержит незамкнутую электропроводящую тонкопленочную резистивную структуру, обладающую термической зависимостью, выполненную на охранном электроде. Техническим результатом изобретения является определение фактической температуры резонатора, снижение времени готовности гироскопического прибора. 2 ил.

Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа с терморезистивной коррекцией, состоящий из основания и полусферического резонатора, закрепленного на основании, содержащем основные электроды, расположенные равномерно по окружности основания, обращенные к торцевой части полусферического резонатора, и содержащем охранный электрод, расположенный в центре основания между основными электродами, отличающийся тем, что основание содержит незамкнутую электропроводящую тонкопленочную резистивную структуру, обладающую термической зависимостью, выполненную на охранном электроде.