RU2520949C1 - Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it - Google Patents
Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2520949C1 RU2520949C1 RU2012153018/28A RU2012153018A RU2520949C1 RU 2520949 C1 RU2520949 C1 RU 2520949C1 RU 2012153018/28 A RU2012153018/28 A RU 2012153018/28A RU 2012153018 A RU2012153018 A RU 2012153018A RU 2520949 C1 RU2520949 C1 RU 2520949C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waves
- transducer
- sensitive element
- wave
- opposite directions
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами, и предназначено для измерения угловой скорости.The invention relates to the field of instrumentation, namely to instruments of orientation, navigation and control systems for moving objects, and is intended for measuring angular velocity.
Известен способ измерения угловой скорости, реализуемый в устройствах на поверхностных акустических волнах [S.W.Lee «А micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect», Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], где информативный сигнал формируется за счет изменения скорости распространения поверхностной акустической волны в зависимости от скорости вращения звукопровода. Достоинством такого способа является технологичность конструкции, недостатком - низкая скорость перестройки, связанная с наличием в цепи обратной связи высоко добротной линии задержки.A known method of measuring angular velocity, implemented in devices based on surface acoustic waves [S.W. Lee “A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect", Journ. of Micromech. & Microeng., No 17, 2007], where an informative signal is formed by changing the propagation velocity of a surface acoustic wave depending on the speed of rotation of the sound duct. The advantage of this method is the manufacturability of the design, the disadvantage is the low tuning rate associated with the presence of a high-quality delay line in the feedback circuit.
Известен чувствительный элемент гироскопа, выполненный на поверхностных акустических волнах [Патент РФ №2329466 «Гироскоп на поверхностных акустических волнах»], содержащий твердотельный звукопровод, излучающий и приемный пьезоэлектрические преобразователи. Достоинством такого чувствительного элемента является устойчивость к нагрузкам, недостатком - чувствительность к механическим воздействиям на звукопровод.A known sensitive element of a gyroscope made on surface acoustic waves [RF Patent No. 2244966 "Gyroscope on surface acoustic waves"], containing a solid-state sound pipe emitting and receiving piezoelectric transducers. The advantage of such a sensitive element is resistance to loads, the disadvantage is sensitivity to mechanical stresses on the sound duct.
Ближайшим аналогом являются способ измерения угловой скорости с помощью объемных акустических волн [патент №2392625 «Способ измерения угловой скорости», опубл. 20.06.2010] и чувствительный элемент на его основе [патент №2397445 «Чувствительный элемент гироскопа», опубл. 28.08.2010]. Способ основан на регистрации ортогональной компоненты излученной линейно-поляризованной поперечной волны, возникающей в результате действия силы Кориолиса и пропорциональной скорости вращения. Чувствительный элемент содержит твердотельный звукопровод, на одном из плоскопараллельных торцов которого расположен пьезоэлектрический преобразователь, излучающий поперечные волны, а на другом - приемный преобразователь поперечной волны, угол поляризации которого выбирается близким к 90° относительно излучаемой поперечной волны. Таким образом, приемный преобразователь принимает ортогональные компоненты, возникающие в излученной волне по мере распространения в звукопроводе в условиях вращения. Достоинством способа является устойчивость к механическим нагрузкам. Недостатком способа является использование амплитудного метода выделения информативного сигнала, который характеризуется слабой помехозащищенностью.The closest analogue is a method of measuring angular velocity using volumetric acoustic waves [patent No. 2392625 "Method of measuring angular velocity", publ. 06/20/2010] and a sensitive element based on it [patent No. 2397445 "Sensitive element of the gyroscope", publ. 08/28/2010]. The method is based on the registration of the orthogonal component of the emitted linearly polarized transverse wave resulting from the action of the Coriolis force and proportional to the rotation speed. The sensitive element contains a solid-state sound duct, on one of the plane-parallel ends of which there is a piezoelectric transducer emitting transverse waves, and on the other a receiving transverse wave transducer, the polarization angle of which is chosen close to 90 ° relative to the emitted transverse wave. Thus, the receiving transducer receives the orthogonal components that arise in the emitted wave as it propagates in the sound duct under rotation conditions. The advantage of this method is resistance to mechanical stress. The disadvantage of this method is the use of the amplitude method of extracting an informative signal, which is characterized by weak noise immunity.
Общим недостатком описанных способов и устройств является чувствительность к внешним воздействиям, например механическим, магнитным и прочим, вызывающим амплитудные помехи.A common disadvantage of the described methods and devices is the sensitivity to external influences, such as mechanical, magnetic and other, causing amplitude interference.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и чувствительного элемента гироскопа на его основе, не чувствительного к внешним воздействиям.The present invention is to develop a method and a sensitive element of a gyroscope based on it, not sensitive to external influences.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ измерения угловой скорости, так же как и известный, основан на возбуждении и приеме в звукопроводе объемной акустической волны. В отличие от известного, способ измерения угловой скорости основан на оценке разности фаз, возникающей из-за различия времен распространения двух волн круговой поляризации, имеющих круговую поляризацию с противоположными направлениями движения частиц. То есть решение сводится к использованию в качестве информативного параметра не абсолютных величин, а их разности.The problem is solved due to the fact that the proposed method for measuring angular velocity, as well as the known one, is based on the excitation and reception of a volume acoustic wave in a sound duct. In contrast to the known method, the angular velocity measurement method is based on the estimation of the phase difference arising due to the difference in the propagation times of two circularly polarized waves having circular polarization with opposite directions of particle motion. That is, the solution comes down to using not absolute values, but their differences as an informative parameter.
Техническим результатом является пониженная чувствительность способа измерения скорости вращения к внешним факторам.The technical result is a reduced sensitivity of the method of measuring rotation speed to external factors.
Технический результат достигается за счет того, что для выделения информативной составляющей используются не амплитудный метод, а фазовый, являющийся более помехоустойчивым. Две объемные волны круговой поляризации распространяются вдоль оси, вокруг которой происходит вращение, но в противоположных направлениях. Эти волны имеют круговую поляризацию с противоположными направлениями движения частиц. То есть в одной волне направление движения частиц совпадает с направлением вращения, а в другой - нет. При совпадении направления вращения и движения частиц скорость волны уменьшается, так как среда становится менее жесткой, а при движении в противоположных направлениях скорость увеличивается за счет жесткости среды. Это следует из того, что в более жестких средах скорость волны больше, чем в менее жестких. Из разности скоростей следует, что время прохождения волнами одинакового пути будет различно.The technical result is achieved due to the fact that, to isolate the informative component, it is not the amplitude method that is used, but the phase one, which is more noise-resistant. Two body waves of circular polarization propagate along the axis around which rotation occurs, but in opposite directions. These waves have circular polarization with opposite directions of particle motion. That is, in one wave the direction of motion of the particles coincides with the direction of rotation, and in the other it does not. When the direction of rotation and particle motion coincide, the wave velocity decreases, since the medium becomes less rigid, and when moving in opposite directions, the velocity increases due to the rigidity of the medium. This follows from the fact that in more rigid media the wave velocity is greater than in less rigid ones. From the difference in speeds it follows that the travel time by the waves of the same path will be different.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой схематически показано движение частиц в двух волнах круговой поляризации, распространяющихся в противоположных направлениях. В волне 1 частицы колеблются в направлении по часовой стрелке со скоростью V, а сама волна распространяется в направлении против оси Y. В волне 2 частицы колеблются в направлении против часовой стрелки, а волна распространяется в направлении оси Y. При вращении среды, в которой распространяются волны, с угловой скоростью Ω, в волне 1 направление колебания частиц совпадает с направлением вращения и скорость волны становится V(1-W). А в волне 2 колебания частиц и вращение направлены противоположно, в результате чего скорость волны составит V(1+W).The invention is illustrated in figure 1, which schematically shows the movement of particles in two waves of circular polarization, propagating in opposite directions. In
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый чувствительный элемент гироскопа, как и известный, содержит излучающий и приемный пьезоэлектрический преобразователи и твердотельный звукопровод и работает на основе объемных акустических волн. Но, в отличие от известного устройства, обе поверхности пьезоэлектрического преобразователя, являющегося преобразователем волн круговой поляризации, состоящего из двух поперечно-поляризованных пьезоэлектрических пластин, поляризации которых ортогональны друг другу, находятся в акустическом контакте с двумя идентичными симметрично установленными на пьезоэлектрический преобразователь изотропными звукопроводами, содержащими на свободных концах приемные преобразователи акустических волн. В таком устройстве информативным является не абсолютное значение параметра волны, а разница параметров - разность фаз двух волн, распространяющихся в одинаковых условиях, возникающая из-за различия времен распространения волн от излучающего до приемного преобразователей.The problem is solved due to the fact that the proposed sensitive element of the gyroscope, as well as the known one, contains emitting and receiving piezoelectric transducers and a solid-state sound duct and operates on the basis of volumetric acoustic waves. But, unlike the known device, both surfaces of a piezoelectric transducer, which is a circular polarization wave transducer consisting of two transversely polarized piezoelectric plates whose polarizations are orthogonal to each other, are in acoustic contact with two identical isotropic sound conductors symmetrically mounted on the piezoelectric transducer, containing at the free ends of the receiving transducers of acoustic waves. In such a device, the absolute value of the wave parameter is not informative, but the parameter difference is the phase difference of two waves propagating under the same conditions, arising from the difference in the wave propagation times from the emitting to the receiving transducers.
Техническим результатом является повышение помехоустойчивости чувствительного элемента.The technical result is to increase the noise immunity of the sensitive element.
Технический результат достигается за счет того, что конструкция позволяет определять скорость вращения по разности фаз двух волн. Движение частиц в волнах, излученных в обе стороны от преобразователя, происходит по круговым траекториям в противоположных направлениях. В условиях отсутствия вращения волны в идентичных звукопроводах будут приниматься приемным преобразователем одновременно. При вращении в одном из звукопроводов вращение волны совпадает с вращением звукопровода, а во втором нет. При совпадении направления вращения звукопровода с направлением движения частиц скорость волны уменьшается, так как среда становится менее жесткой, а при движении в противоположных направлениях скорость увеличивается за счет жесткости среды. Это обусловлено тем, что в более жестких средах скорость волны больше, чем в менее жестких. Из разности скоростей следует, что времена распространения волн в звукопроводах в условиях вращения будут различны. Так как оба звукопровода находятся в одних и тех же внешних условиях, эта разница времен не зависит от изменения внешних воздействий и несет информацию о скорости вращения.The technical result is achieved due to the fact that the design allows to determine the speed of rotation by the phase difference of the two waves. The movement of particles in the waves emitted on both sides of the transducer occurs along circular paths in opposite directions. In the absence of rotation, waves in identical sound ducts will be received simultaneously by the receiving transducer. When rotating in one of the sound ducts, the rotation of the wave coincides with the rotation of the sound duct, but not in the second. When the direction of rotation of the sound duct coincides with the direction of motion of the particles, the wave velocity decreases, since the medium becomes less rigid, and when moving in opposite directions, the speed increases due to the stiffness of the medium. This is due to the fact that in more rigid media the wave velocity is greater than in less rigid ones. From the difference in speeds it follows that the propagation times of waves in sound ducts under rotation conditions will be different. Since both sound ducts are in the same external conditions, this time difference does not depend on changes in external influences and carries information about the speed of rotation.
Использование в качестве информативного параметра разности времен, а не абсолютных значений, позволяет добиться точности и при воздействии внешних факторов, а также получить максимальный информативный сигнал.Using as an informative parameter the time difference, rather than absolute values, allows to achieve accuracy under the influence of external factors, as well as to obtain the maximum informative signal.
Совокупность признаков, описанных в пп.3 и 4 формулы изобретения, характеризуют чувствительный элемент гироскопа по п.2, отличающийся тем, что в качестве приемного преобразователя используют поперечно-поляризованный пьезоэлектрический преобразователь или пьезоэлектрический преобразователь волн круговой поляризации. Авторами было установлено, что оба указанных типа пьезоэлектрических преобразователей можно использовать в качестве приемных, однако эффективность приема преобразователя волн круговой поляризации в 1,4 раза больше, чем линейно поляризованного преобразователя.The set of features described in
Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена конструкция чувствительного элемента гироскопа с использованием объемных волн круговой поляризации, состоящего из двух твердотельных изотропных звукопроводов 1 и 3, например цилиндрической формы, и излучающего пьезоэлектрического преобразователя 2. Преобразователь состоит из двух поперчено-поляризованных пьезоэлектрических пластин, поляризации которых ортогональны друг другу. Звукопроводы установлены на обеих поверхностях излучающего преобразователя, генерирующего в них объемную волну круговой поляризации. Акустические волны принимаются пьезоэлектрическими преобразователями 4 и 5 на свободных концах звукопроводов. При отсутствии вращения волны приходят на преобразователь одновременно, а при наличии вращения время прихода волн различно.The invention is illustrated in figure 2, which shows the design of the sensitive element of the gyroscope using body waves of circular polarization, consisting of two solid-state
Приведем расчеты, показывающие различие времен распространения волн в случаях совпадения направления колебания частиц волны с направлением вращения и их отличия.We give calculations showing the difference in the propagation times of waves in cases where the direction of oscillation of the particles of the wave coincides with the direction of rotation and their differences.
Было показано [патент №2392625 «Способ измерения угловой скорости»], что скорость движения частиц в волне меняется в условиях вращения. Время распространения волны при совпадении направлений вращения частиц в волне и звукопроводаIt was shown [patent No. 2392625 "Method for measuring the angular velocity"] that the speed of particles in the wave varies under rotation. Wave propagation time when the directions of rotation of the particles in the wave and the sound duct coincide
где L1 - длина звукопровода, V - скорость движения частиц в волне в состоянии покоя,
Для случая вращения в противоположных направлениях время распространения будет равноFor the case of rotation in opposite directions, the propagation time will be equal to
Тогда разница по времени:Then the time difference:
Так как пути, пройденные волной, одинаковы (L1=L2=L), а величина W мала и W2→0, после преобразований получаем:Since the paths traveled by the wave are the same (L 1 = L 2 = L), and the value of W is small and W 2 → 0, after transformations we get:
Из полученного выражения следует, что разница времени распространения волн в звукопроводе, вызывающая сдвиг фаз волн, зависит от скорости вращения частиц в волне и скорости вращения звукопровода.From the obtained expression it follows that the difference in the propagation time of waves in a sound pipe, causing a phase shift of the waves, depends on the speed of rotation of the particles in the wave and the speed of rotation of the sound pipe.
Была экспериментально подтверждена возможность использования такого устройства для измерения скорости вращения на конструкции, в которой один пьезоэлектрический преобразователь работает как излучающий и как приемный. Для изготовления макета использовались пластины кварца Y-среза и звукопроводы, изготовленные из стекла в виде цилиндров. Были получены качественные результаты зависимости информативного параметра от скорости вращения, подтверждающие их линейную связь.The possibility of using such a device for measuring rotation speed on a structure in which one piezoelectric transducer operates as a radiating and receiving one was experimentally confirmed. For the manufacture of the model, quartz Y-slice plates and sound ducts made of glass in the form of cylinders were used. Qualitative results were obtained of the dependence of the informative parameter on the rotation speed, confirming their linear relationship.
Описание изобретения свидетельствует о том, что предложен новый чувствительный элемент гироскопа на объемных акустических волнах, в основе которого лежит новый принцип измерения угловой скорости, основанный на особенности распространения волн круговой поляризации. Достигнут технический результат - повышение точности измерения скорости вращения и стабильность работы в условиях изменяющихся внешних воздействий. При этом повышение точности измерения достигается за счет получения информативного параметра фазовым методом, что приводит к независимости результата от внешних факторов, например механических, магнитных и прочих, вызывающих амплитудные помехи.The description of the invention indicates that a new sensitive element of a gyroscope based on volumetric acoustic waves is proposed, which is based on the new principle of measuring angular velocity, based on the propagation of circularly polarized waves. The technical result is achieved - improving the accuracy of measuring the speed of rotation and stability in conditions of changing external influences. In this case, an increase in the measurement accuracy is achieved by obtaining an informative parameter by the phase method, which leads to the independence of the result from external factors, for example, mechanical, magnetic, and others, causing amplitude noise.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012153018/28A RU2520949C1 (en) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012153018/28A RU2520949C1 (en) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012153018A RU2012153018A (en) | 2014-06-20 |
RU2520949C1 true RU2520949C1 (en) | 2014-06-27 |
Family
ID=51213473
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012153018/28A RU2520949C1 (en) | 2012-12-07 | 2012-12-07 | Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2520949C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA036988B1 (en) * | 2019-04-15 | 2021-01-25 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | Ultrasound method for angular velocity measuring |
RU2775858C2 (en) * | 2020-12-02 | 2022-07-11 | Владимир Алексеевич Шульгин | Method for navigating the coriolis force vector of the earth and a device for its implementation |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6516665B1 (en) * | 1999-06-17 | 2003-02-11 | The Penn State Research Foundation | Micro-electro-mechanical gyroscope |
RU2392626C1 (en) * | 2008-11-13 | 2010-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" | Angular velocity measurement method |
RU2400709C2 (en) * | 2008-02-04 | 2010-09-27 | Валерий Иванович Гупалов | Method of measuring absolute angular velocity and acousto-electronic gyroscope for realising said method |
US8256289B2 (en) * | 2006-07-25 | 2012-09-04 | Denso Corporation | Angular rate sensor |
-
2012
- 2012-12-07 RU RU2012153018/28A patent/RU2520949C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6516665B1 (en) * | 1999-06-17 | 2003-02-11 | The Penn State Research Foundation | Micro-electro-mechanical gyroscope |
US8256289B2 (en) * | 2006-07-25 | 2012-09-04 | Denso Corporation | Angular rate sensor |
RU2400709C2 (en) * | 2008-02-04 | 2010-09-27 | Валерий Иванович Гупалов | Method of measuring absolute angular velocity and acousto-electronic gyroscope for realising said method |
RU2392626C1 (en) * | 2008-11-13 | 2010-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" | Angular velocity measurement method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA036988B1 (en) * | 2019-04-15 | 2021-01-25 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ") | Ultrasound method for angular velocity measuring |
RU2775858C2 (en) * | 2020-12-02 | 2022-07-11 | Владимир Алексеевич Шульгин | Method for navigating the coriolis force vector of the earth and a device for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012153018A (en) | 2014-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5222995B2 (en) | Double driver vibration type flow meter | |
Oh et al. | Development of SAW based gyroscope with high shock and thermal stability | |
JP2011515697A (en) | Double pick-off vibratory flow meter | |
CN102243077A (en) | Vibration-type force detection sensor and vibration-type force detection device | |
Zhu et al. | An ultrasonic flowmeter for liquid flow measurement in small pipes using AlN piezoelectric micromachined ultrasonic transducer arrays | |
Lukyanov et al. | Micro rate gyros for highly dynamic objects | |
RU2520949C1 (en) | Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it | |
RU2392625C1 (en) | Angular velocity measurement method | |
Lukyanov et al. | Micro rate gyroscopes based on surface acoustic waves | |
RU2426131C1 (en) | Method and device to measure angular speed | |
CN111417841B (en) | Method for determining the viscosity of a medium by means of a coriolis mass flowmeter and coriolis mass flowmeter for carrying out the method | |
RU2515129C1 (en) | Vortex flow meter | |
Durukan et al. | The characteristics of acoustic wave propagation in rotating solid-state media | |
Varadan et al. | Conformal MEMS-IDT gyroscopes and their comparison with fiber optic gyro | |
RU2351900C2 (en) | Rate-of-flow indicator of liquid mediums in pipelines | |
JP6149250B2 (en) | Ultrasonic flow meter | |
CN108802195B (en) | Test device and method for measuring transverse wave velocity of core sample | |
RU2533692C1 (en) | Multiplexer acoustic array for "electronic nose" and "electronic tongue" analytical instruments | |
WO2005119182A1 (en) | Method of measuring flowrate of fluid and flowrate measurement device | |
Gribkova et al. | Solid-state motion sensors on acoustic waves. Theory and experiment | |
RU2460078C1 (en) | Method of measuring angular velocity | |
WO2013146732A1 (en) | Physical quantity sensor | |
RU2426132C1 (en) | Method and device to measure angular speed | |
RU2714530C1 (en) | Ultrasonic method of measuring angular velocity | |
Rupitsch et al. | Measurement of Physical Quantities and Process Measurement Technology |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171208 |