Устройство для определения расщепления собственной частоты колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа Российский патент 2025 года по МПК G01C19/58 G02B6/10 

Изобретение относится к области навигационных приборов, использующих колеблющиеся массы, и может быть применено для определения параметров резонатора волнового твердотельного гироскопа.

Волновые твердотельные гироскопы являются современным классом навигационных приборов и предназначены для измерения угловых перемещений подвижных объектов. Основной частью волновых твердотельных гироскопов является тонкостенный осесимметричный механический резонатор. При изготовлении резонатора волнового твердотельного гироскопа необходимо определять его основные параметры, а именно расщепление собственной частоты и ориентацию собственных осей резонатора волнового твердотельного гироскопа.

Для определения расщепления собственной частоты и ориентации собственных осей резонатора волнового твердотельного гироскопа необходимо возбуждать в нем колебания вдоль двух ортогональных направлений, измерять параметры колебаний и рассчитывать расщепление собственной частоты и ориентацию собственных осей по формулам [1].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в [2].

В прототипе [2] измеряемый резонатор закрепляется за ножку в герметичном технологическом корпусе в поворотном приспособлении, для возбуждения колебаний в резонаторе и их измерения используются датчики измерения, расположенные друг относительно друга под углом ϕ₁=(4n+2)π/8 и под углом ϕ₂=±(2n+1)π/8, где n=0, 1, 2, относительно датчика возбуждения. Датчики измерения формируют сигналы, пропорциональные колебаниям резонатора, которые поступают в блок измерения фаз. С помощью поворотного приспособления резонатор поворачивают, постоянно измеряя разность фаз, добиваясь максимального фазового сдвига. Добившись максимального фазового сдвига, рассчитывают разночастотность.

Принцип действия прототипа основан на измерении емкостей между электродами датчиков измерения, пропорциональных колебаниям резонатора.

К недостаткам прототипа следует отнести, что для работы датчиков возбуждения требуется создавать специальную среду внутри корпуса, а на точность определения параметров колебаний резонатора влияют неодинаковость зазоров при расположении электродов датчиков относительно резонатора и несоосность расположения датчиков.

Кроме того, использованные в прототипе датчики измерения требуют наличия электрической проводимости поверхности резонатора для определения его параметров колебаний, поэтому при измерении характеристик кварцевых резонаторов на их поверхность необходимо наносить проводящее покрытие.

Целью настоящего изобретения является повышение точности определения параметров колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа.

Техническим результатом является повышение точности определения расщепления собственной частоты при проверке резонаторов волновых твердотельных гироскопов за счет устранения необходимости создания специальной среды внутри корпуса, исключения неодинаковости зазоров при расположении электродов датчиков относительно резонатора и исключение несоосности расположения датчиков.

Заявленный технический результат достигается тем, что заявленное устройство для определения расщепления собственной частоты колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа содержит корпус, два датчика измерения, расположенные на корпусе, причем датчики измерения расположены друг относительно друга под углом ϕ₁=(4n+2)π/8 и под углом ϕ₂=±(2n+1)π/8, где n=0, 1, 2, относительно датчика возбуждения, закрепленного на корпусе, расположенный на корпусе шток с посадочным местом для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа, закрепленный в поворотном приспособлении, расположенном внутри корпуса, отличается тем, что датчик возбуждения выполнен в виде соленоида постоянного тока, размещенного от штока с посадочным местом для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа на расстоянии, обеспечивающем его механическое касание с поверхностью резонатора волнового твердотельного гироскопа, каждый датчик измерения содержит источник оптического излучения, фотоприемник, оптический изолятор, коллимирующее устройство, зеркало, волоконно-оптический разветвитель с четырьмя оптическими каналами, где первый оптический канал соединен через оптический изолятор с выходом источника оптического излучения, второй оптический канал соединен с коллимирующим устройством, причем выход коллимирующего устройства закреплен на корпусе таким образом, что при установке резонатора волнового твердотельного гироскопа, выход коллимирующего устройства располагается перпендикулярно плоскости торцевой кромки резонатора волнового твердотельного гироскопа, третий оптический канал соединен с отражающим оптическое излучение зеркалом, четвертый оптический канал соединен с входом фотоприемника, выход фотоприемника соединен с входом блока управления и обработки сигналов, выходы блока управления и обработки сигналов соединены с входом поворотного приспособления, входом датчика возбуждения и входом блока периферийных устройств ввода и вывода.

Результат измерения оптическими интерферометрическими датчиками не зависит от величины зазора между датчиком и поверхностью резонатора волнового твердотельного гироскопа, маленький диаметр светового пятна датчика позволяет выставить датчик измерения более точно относительно кромки, а также измерять перемещения кромки порядка нанометров. Также, при измерении оптическими интерферометрическими датчиками нет необходимости создавать специальную среду и наносить проводящее покрытие на кромку резонатора волнового твердотельного гироскопа.

Сущность изобретения поясняется фигурами.

На Фигуре 1 показана функциональная схема устройства для определения расщепления собственной частоты колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа. Предлагаемое устройство содержит корпус 1, блок периферийных устройств ввода и вывода 7, блок управления и обработки сигналов 6, два датчика измерения 5, расположенные на корпусе 1, причем датчики измерения 5 расположены друг относительно друга под углом ϕ₁=(4n+2)π/8 и под углом ϕ₂=±(2n+1)π/8, где n=0, 1, 2, относительно датчика возбуждения выполненного в виде соленоида постоянного тока 4, закрепленного на корпусе 1, расположенный на корпусе 1 шток с посадочным местом 2 для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа 14, закрепленный в поворотном приспособлении 3, расположенном внутри корпуса 1.

На Фигуре 2 показана функциональна схема датчика измерения 5.

Датчик измерения 5 содержит источник оптического излучения 13, фотоприемник 12, оптический изолятор 11, коллимирующее устройство 8, зеркало 9, волоконно-оптический разветвитель с четырьмя оптическими каналами 10, где первый оптический канал соединен через оптический изолятор 11 с выходом источника оптического излучения 13, второй оптический канал соединен с коллимирующим устройством 8, третий оптический канал соединен с отражающим оптическое излучение зеркалом 9, четвертый оптический канал соединен с входом фотоприемника 12.

На Фигуре 3 показан общий вид изготовленного опытного образца Устройства для определения параметров резонатора волнового твердотельного гироскопа. На корпусе 1 изготовленного опытного образца располагается резонатор волнового твердотельного гироскопа 14, установленный на шток с посадочным местом 2 для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа 14, датчик возбуждения, выполненный в виде соленоида постоянного тока 4, и блок периферийных устройств ввода и вывода 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

После включения устройства, с блока периферийных устройств ввода и вывода 7 подается электрический сигнал на блок управления и обработки сигналов 6. На основании полученного электрического сигнала о начале работы блок управления и обработки сигналов 6 подает сигналы на поворотное приспособление 3. Поворотное приспособление 3 вращает резонатор волнового твердотельного гироскопа 14 с заданным угловым шагом. После поворота резонатора волнового твердотельного гироскопа 14 на блоке управления и обработки сигналов 6 формируется электрический сигнал, который подается на датчик возбуждения, выполненный в виде соленоида постоянного тока 4, индуцируя механическое касание сердечника датчика возбуждения, выполненного в виде соленоида постоянного тока 4 и поверхности резонатора волнового твердотельного гироскопа 14, закрепленного на штоке с посадочным местом 2 для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа 14, в результате чего в резонаторе волнового твердотельного гироскопа 14 возникают вынужденные затухающие колебания. Измерение параметров колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа 14 осуществляется двумя датчиками измерения 5, выполненными в виде двух идентичных измерительных каналов. Источник оптического излучения 13 формирует световой пучок, который поступает через оптический изолятор 11 на первый оптический канал волоконно-оптического разветвителя с четырьмя оптическими каналами 10. Оптическое излучение разделяется в волоконно-оптическом разветвителе с четырьмя оптическими каналами 10, при этом часть оптического излучения поступает с третьего оптического канала на отражающее зеркало 9, а другая часть поступает со второго оптического канала через коллимирующее устройство 8 на торцевую поверхность резонатора волнового твердотельного гироскопа 14. Отраженное от торцевой поверхности резонатора волнового твердотельного гироскопа 14 оптическое излучение распространяется через коллимирующее устройство 8 в волоконно-оптический разветвитель с четырьмя оптическими каналами 10. Оптическое излучение, отраженное отражающим зеркалом 9 распространяется в волоконно-оптический разветвитель с четырьмя оптическими каналами 10. Оптические излучения, отраженные от торцевой поверхности резонатора волнового твердотельного гироскопа 14 и отражающего зеркала 9, распространяются через четвертый оптический канал волоконно-оптического разветвителя с четырьмя оптическими каналами 10 на вход фотоприемника 12, где интерферируют. Фотоприемник 12 формирует электрические сигналы, пропорциональные колебаниям торцевой поверхности резонатора волнового твердотельного гироскопа 14. Расщепление собственной частоты рассчитывается в блоке управления и обработки сигналов 6 как разность двух измеренных собственных частот. Полученное значение расщепления собственной частоты подается на устройства вывода блока периферийных устройств ввода и вывода 7.

Таким образом, изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости объекта с повышенной стойкостью к линейному ускорению, действующему вдоль оси измерения, и чувствительностью.

Авторами был изготовлен экспериментальный образец заявляемого устройства.

Испытания заявленного устройства проводились для резонатора волнового твердотельного гироскопа. В качестве источника оптического излучения использовался передающий оптический модуль BLD-1550-14BF-20mW, в качестве фотоприемника -оптический модуль ФДМ-14-2к InGaAs, в качестве коллимирующего устройства - волоконный коллиматор COLL-S-G-P-1550-50-1-000-FC/UPC-2,4×12, а в качестве разветвителя 2×2 - SSC-P-2×2-155-50/50-0-0-FC/UPC-2,4/30.

Экспериментальные испытания заявленного устройства показывают повышение точности определения расщепления собственной частоты и подтверждают правильность примененных технических решений, в том числе устранение необходимости создания специальной среды внутри корпуса, исключение наличия неодинаковости зазоров при расположении электродов датчиков относительно резонатора, исключение несоосности расположения датчиков.

Литература

1. Лунин Б.С, Матвеев В.А., Басараб М.А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. Монография. - М.: Радиотехника, 2014. - 176 с: ил.

2. Суминов В.М., Баранов П.Н., Опарин В.И. и др. Способ динамической и статической балансировки резонатора вибрационного твердотельного гироскопа // АС СССР МКИ 6 G01C 19/56 SU 1582799 (1988).

Изобретение относится к области навигационных приборов и может применяться для определения параметров резонатора волнового твердотельного гироскопа. Устройство содержит корпус, шток с посадочным местом для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа, поворотное приспособление, датчик возбуждения, выполненный в виде соленоида постоянного тока, два датчика измерения, каждый из которых содержит источник оптического излучения, фотоприемник, оптический изолятор, коллимирующее устройство, зеркало, волоконно-оптический разветвитель с четырьмя оптическими каналами, блок управления и обработки сигналов, блок периферийных устройств ввода и вывода. Расщепление частоты измеряется датчиками, выполненными в виде интерферометрических измерительных каналов. Техническим результатом является повышение точности определения расщепления собственной частоты при проверке резонаторов волновых твердотельных гироскопов. 3 ил.

Устройство для определения расщепления собственной частоты колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа, содержащее корпус, два датчика измерения, расположенные на корпусе, причем датчики измерения расположены друг относительно друга под углом ϕ₁=(4n+2)π/8 и под углом ϕ₂=±(2n+1)π/8, где n=0, 1, 2, относительно датчика возбуждения, закрепленного на корпусе, расположенный на корпусе шток с посадочным местом для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа, закрепленный в поворотном приспособлении, расположенном внутри корпуса, отличающееся тем, что датчик возбуждения выполнен в виде соленоида постоянного тока, размещенного от штока с посадочным местом для установки резонатора волнового твердотельного гироскопа на расстоянии, обеспечивающем его механическое касание с поверхностью резонатора волнового твердотельного гироскопа, каждый датчик измерения содержит источник оптического излучения, фотоприемник, оптический изолятор, коллимирующее устройство, зеркало, волоконно-оптический разветвитель с четырьмя оптическими каналами, где первый оптический канал соединен через оптический изолятор с выходом источника оптического излучения, второй оптический канал соединен с коллимирующим устройством, причем выход коллимирующего устройства закреплен на корпусе таким образом, что при установке резонатора волнового твердотельного гироскопа, выход коллимирующего устройства располагается перпендикулярно плоскости торцевой кромки резонатора волнового твердотельного гироскопа, третий оптический канал соединен с отражающим оптическое излучение зеркалом, четвертый оптический канал соединен с входом фотоприемника, выход фотоприемника соединен с входом блока управления и обработки сигналов, выходы блока управления и обработки сигналов соединены с входом поворотного приспособления, входом датчика возбуждения и входом блока периферийных устройств ввода и вывода.