NO157516B - Opphengning for ringlasergyroskop. - Google Patents

Abstract

I en sentral boring i en trekantformet hoveddel av et ringlasergyroskop (1) er der aksialt montert et torsjonshengsel (20). Hengselet (20) omfatter en flerhet av vingeseksjoner (24) anordnet på jevn vinkelavstand fra hverandre og utført med radialt for-løpende slisser (44, 48) som tillater torsjonsbevegelse av gyroskopet (1) om hengselet (20). En flerhet av på avstand fra hverandre anordnede bueformede segmenter (30, 32, 34) overspenner mellomrommet mellom boringen (22) og den motstående flate av boringen (22) og er sementert til overflaten for fastholdelse av hengselet (20). Ved riktig dimensjonering og plassering av de motstående berørings-områder av hengselet (20) i boringen (22) blir virkningene av termisk utvidelse av hengselet (20) redusert til et minimum, noe som forhindrer fordreining av hoveddelen (10) av gyroskopet (1) såvel som temperatur-avhengige banelengdeendringer.

Description

Oppfinnelsen vedrører ringlasergyroskop og mer spesielt

en opphengning for slike gyroskop.

Et ringlasergyroskop innbefatter vanligvis speil som er anordnet i sentralt uttatte hulrom for refleksjon av laserstråler langs hulrommets utstrekning. En stråle som faller inn på et spesielt speil, vil ikke reflekteres perfekt på grunn av normale uregelmessigheter ved speilenes overflate. Der vil derfor opptre noe spredning. Det bevirker at støt-frekvensen mellom to stråler i gyroskopet forsvinner ved lave inerti-dreieinnhastigheter. Denne effekt er betegnet som låsing ("lock-in") som har vært anerkjent en viss tid innen den kjente teknikk og er blitt løst ved drift av gyroskop-legemet med dreieoscillasjoner (vibrasjon). Denne forholds-regel til å utføre vibrasjonen på vanlig måte innbefatter et piezoelektrisk påvirkningsorgan som er forbundet med en opp-lagring for gyroskopet, og som bevirker at gyroskophoveddelen oscillerer med hensyn til sin vinkelstilling ved opplagringens naturlige mekaniske resonansfrekvens. Vibrasjonen blir overlagret den virkelige dreining av gyroskopet i inerti-mellomrom. Ifølge kjent teknikk foreslås der forskjellige frem-gangsmåter til å gjenvinne inerti-dreiedata som er fri for vibrasjon, og denne teknikk danner ikke del av. den foreliggende oppfinnelse.

Der er utviklet en flerhet av torsjonsopphengningssys-temer til montering av et ringlasergyroskop, slik at det kan utsettes for vibrasjon. En kjent fremgangsmåte til opphengning av gyroskopet går ut på bruken av to vognhjul-formede torsjonsfjærer eller hengsler som er forhåndsbelastet slik at gyroskophoveddelen blir anordnet innimellom hengslene. En slik sammenstilling har en ytelse som er mindre enn den optimale når den utsettes for et stort temperaturområde. På grunn av den ulike tilpasning mellom ekspansjonskoeffisientene hos materialene i hengselet og gyroskophoveddelen samt den høye friksjon ved mellomskiktene mellom hengselet og hoveddelen, vil der oppstå problemer med klebing/glipping. Dette resulterer i uregelmessige endringer i banelengden sammen med store helninger som fører til endringer i gyroskop-avdriftshastig-het. Dessuten vil de store endringen i banelengden med en slik hengselkonstruksjon komplisere konstruksjonen av banelengde-styretransduktorer som må benyttes for kompensasjon av disse banelengdeendringer.

En nyere fremgangsmåte i henhold til kjent teknikk går ut på å montere et vognhjul-formet torsjonshengsel i en sentral boring som i virkeligheten er tildannet inne i hoveddelen av et ringlasergyroskop. Selv om en slik anordning omfatter fordeler, er der oppdaget ekspansjon av hengselmaterialet som forvrenger gyroskopblokken og banelengden ved endringer i temperaturen. Dessuten vil et vognhjul-formet torsjonshengsel mangle tilstrekkelig materiale i gyroskopblokken til å motvirke sagittalforskyvning som reaksjon på termiske endringer, som vil bevirke feil i utsignalet fra et gyroskop som er slik utrustet.

Den foreliggende oppfinnelse gjør bruk av et eneste hengsel som er festet i en sylindrisk boring som er uttatt aksialt gjennom midtpartiet av en gyroskophoveddel. Kontakt-kreftene mellom hengselet og hoveddelen bidrar til en til-stand hvor banelengden blir forholdsvis uforandret som reaksjon på utvidelse eller sammentrekning av hengselet i driftstemperaturområdet. Torsjonshengselet ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter en flerhet av vinkel-avstandsorienterte vingeseksjpner med hovedsakelig radialt forløpende slisser som tillater torsjonsbevegelse av gyroskopet om hengselet.

En flerhet av på avstand fra hverandre anordnede motstående bueformede segmenter overspenner et mellomrom mellom vingeseksjonene og de møtende flater av boringen og er fastgjort til overflaten for fastholdelse av hengselet. Ved riktig plassering ay de motstående segmenter av hengselet inne i boringen blir virkningene av termisk utvidelse av hengselet redusert til et minimum, noe som forhindrer deformasjon av gyroskophoveddelen såvel som banelengdeforandringer med temperaturen. Ved at man utnytter et sentralt montert! eneste hengsel istedenfor de dobbelte lagvis anordnede vognhjul-hengsler som er beskrevet ovenfor, vil man også eliminere klebing og glipping over driftstemperaturområdet. Videre vil den kompakte konstruksjon av det foreliggende hengsel frem-deles gi tilstrekkelig materiale til gyroskophoveddelen for således å øke gyroskopets sagittal- (eller vippe-) stabilitet. Alle disse fordeler i forhold til den kjente teknikk foreligger sammen med fordelene av lavere kostnader ved mono-enhetskonstruksjonen i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

De ovennevnte hensikter og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse oppnås ved de trekk som fremgår av kravene og vil bli bedre forstått ved lesning av den etterfølgende beskrivelse i forbindelse med den vedføyde tegning. Fig. 1 viser et snitt gjennom et kjent ringlasergyroskop. Fig. 2A er et skjematisk riss av en gyroskop-opphengning som anskueliggjør utvidet banelengde ved økende temperatur. Fig. 2B er et skjematisk riss av en gyroskop-opphengning som anskueliggjør redusert banelengde med økende temperatur. Fig. 2C er et skjematisk riss av.en gyroskop-opphengning som viser en hovedsakelig ikke-varierende banelengde når temperaturen øker eller avtar. Fig. 3 er et grunnriss av det foreliggende ringlasergyroskop-torsj onshengsel. Fig. 4 er et sideriss av det foreliggende torsjonshengsel.

Som grunnlag for omtalen av den foreliggende oppfinnelse skal det henvises til fig. 1 som anskueliggjør et tidligere kjent ringlasergyroskop som generelt er angitt ved henvis-ningstall 1. Gyroskopet har en trekantformet glasskeramikk-hoveddel 10. Rørformede hulromsseksjoner 6, 7 og 8 danner trekantformede seksjoner som inneholder en gassblanding,

f.eks. helium og neon. Større hulrom 2, 3 og 4 sammenbinder de trekantformede seksjoner for dannelse av et kontinuerlig hulrom. Et speil 12 med høy refleksjon innelukker det øvre hjørne av gyroskopet samtidig som et lignende speil 13 lukker det nedre venstre hjørne. Et utspeil 14 lukker det nedre høyre hjørne av gyroskopet. Et halv-forsølvet speil 21 kjenne-tegner et parti av utspeilet 14. Speilkombinasjonen 14, 21

reflekterer lys som faller inn på kombinasjonen, samtidig som den tillater videreføringen av lys utover fra den nedre høyre ende av gyroskopet.

En første anode 15 er montert i hoveddelen 10 av gyroskopet og fører inn i hulromsseksjonen 6. En typisk anode 16 er på lignende måte fastgjort til hoveddelen 10 av gyroskopet. En katode 17 er montert ved den nedre kant av den trekantformede glasskeramikk-gyroskophoveddel 10 og der finnes adkomst mellom katoden og den tilsvarende hulroms-seks jon 8. Ved elektrisk spenningspålegging mellom anode- og katodeelektrodene vil der finne sted låsing av helium-neon-gassblandingen, idet der oppstår stråler som vandrer med urviseren (CW) og mot urviseren (CCW) inne i de mellom-koblede hulromsseksjoner 6, 7 og 8. Et radialtorsjonshengsel 18 er montert mellom en støttesøyle 19 og hoveddelen 10 av gyroskopet. På grunn av normale uregelmessigheter på overflaten av speilene 12, 13 og 14 vil en stråle som faller inn på et spesielt speil, ikke bli fullstendig reflektert til en tilstøtende hulromsseksjon. Der vil isteden opptre noe spredning, hvilket bevirker at støtfrekvensen mellom de to stråler forsvinner ved lave inerti-dreie-innhastigheter. Dette forhold betegnes som låsevirkningen som er blitt observert i noen tid innen den kjente teknikk. Problemet er søkt løst ved påvirkning av gyroskophoveddelen 10 med dreieoscillasjoner (vibrasjon). Organene til utførelse av vibrasjonen innbefatter vanligvis et ikke vist piezoelektrisk påvirkningsorgan som er forbundet med hengselet 18 og bevirker at hoveddelen 10 påføres oscillerende vinkelbe-vegelser ved sin naturlige mekaniske resonnansfrekvens.

Vibrasjonen blir overlagret den egentlige dreining av gyroskopet i inerti-mellomrom. Følgelig er det nødvendig å gjenvinne inerti-dreiedata som er fri for vibrasjon. En flerhet av tidligere kjente teknikker går ut på å gjenvinne inerti-dreiedataene, og disse danner ikke del av den foreliggende oppfinnelse.

Berøringspunktene mellom et hengsel og de tilstøtende flater av en gyroskophoveddel er kritiske med hensyn til banelengdeendringer som skyldes temperaturvariasjoner. På

fig. 2A er der anskueliggjort tre berøringspunkter a, b og c, hvor der overføres deformeringskrefter til gyroskophoveddelen 1, slik at speilene 12, 13 og 14 blir forskjøvet utover.

Denne uønskede virkning, øker når hengselet utvider seg på grunn av økende driftstemperaturer. Det motsatte ville skje i tilfellet av hengselsammentrekning på grunn av lavere driftstemperaturer. På fig. 2B er der vist deformerende kraftover-føring gjennom gyroskopblokken i det tilfellet de tre be-røringspunkter mellom hengsel og gyroskophoveddel er anskueliggjort ved henholdsvis a, b og c. Slik det vil forstås ved be-traktning av fig. 2B, har hver kraft a, b og c forskjøvet seg ca. 60° fra den stilling som er vist på fig. 2A. Resultatet av den kraftfordeling som er vist på fig. 2B, er at speilene 12, 13 og 14 blir tvunget radialt innover på grunn av en ten-dens hos sidene av den trekantformede gyroskophoveddel til å bøye seg utover. Det endelige resultat vil være en reduksjon av banelengden når hengselet vider seg ut. Det motsatte vil opptre i det tilfellet hvor hengselet trekker seg sammen som reaksjon på synkende driftstemperaturer. På fig. 2C er der vist en situasjon hvor det sentralt anordnede hengsel har jevnere fordelte krefter rettet fra det utvidende hengsel mot gyroskophoveddelen. Den fordeling av krefter som er vist på fig.. 2C resulterer i så å si ingen endringer i banelengden som et resultat av hengselutvidelse eller -sammentrekning.

Det er denne type fordeling av krefter som foreligger ved den foreliggende oppfinnelse, som nå vil bli omtalt nærmere.

Som det fremgår av fig. 3 og 4, er torsjonshengselet 20

i henhold til den foreliggende oppfinnelse anordnet sentralt i en aksialt formet sylindrisk boring 22 anordnet ved midtpartiet av ringlaser-gyroskopho<y>eddelen 1. Hengselet 20 innbefatter generelt tre kakestykke-formede vingeseksjoner 24, 26 og 28 tildannet i en sylinder. Disse vingeseksjoner er symmetriske bg anordnet med en innbyrdes avstand på 120°. Sammenholdende, motstående flater av to tilstøtende vinge-

seksjoner utgjøres av bueformede segmenter 30, 32 og 34, idet disse er tildannet i sylinderen og overspenner mellomrommet mellom boringen 22 og hengselets vingeseksjoner. Hule trekantformede åpninger 36, 38 og 40 skiller de motstående flater av vingeseksjonene.

Som vist ved vingeseksjon 28, er der i den sylindriske vegg av hver vingeseksjon uttatt et ringformet spor 41, slik at der ved topp- og bunnpartiene av hengselet blir dannet flater til å kontakte boringen 22. I materialet av vingeseksjonen er der uttatt hovedsakelig radialt forløpende slisser 44 og 48. Disse slisser er plassert umiddelbart innenfor flatene mellom vingeseksjonen og tilsvarende åpning (40, 36). Dannelsen av disse slisser i vingeseksjonene øker torsjonsfjær-egenskapene for hengselet under vibrasjonen eller oscilleringen av gyroskophoveddelen 1 i forhold til hengselet 20.

Ved en foretrukken utførelsesform for hengselet blir slissene 44 og 48 tildannet av ikke viste EDM-elektroder som er ført gjennom godset i vingeseksjonene i henhold til en kjent teknikk. Et føringshull 42 er uttatt i vingeseksjonen i nærheten av et tilstøtende bueformet segment 32 som tillater riktig plassering av et EDM-føringsverktøy. I den hen-sikt å bibeholde en balansert symmetri er der i hver vinge-seks jon uttatt et annet hull 46. Dette hull har ingen andre funksjoner. Forstørrede åpninger, f.eks. som vist ved 50, er uttatt i midtpartiet av hver vingeseksjon, slik at hengselet ved hjelp av festeorganer kan festes til et ikke vist gyro-skopdeksel på en symmetrisk avbalansert måte.

Ved riktig dimensjonering og plassering av berørings-områdene for de bueformede segmenter 30, 32 og 34 i forhold til den sentrale boring 22 oppnår man en jevn fordeling av kreftene, slik det er omtalt i forbindelse med fig. 2C. Når denne betingelse er tilfredsstilt, vil der bli en minimal banelengdeendring som reaksjon på utvidelse eller sammentrekning av hengselet på grunn av endringer i omgivende temperatur.

Den optimale posisjon av hengselet vil kunne finnes

Ved en liten variasjon av vinkelstillingen i hver retning til forskjell.fra den stilling som er vist på fig. 3. Når den optimale posisjon eller nullstillingen er opprettet, vil en vinkelforskyyning i den ene retning resultere i en for-lengelse av banelengden som reaksjon på termisk utvidelse av hengselet, mens forskyvning av hengselet 1 en motsatt vinkel-retning fra nullposisjonen vil resultere i en reduksjon av banelengden som reaksjon på termisk utvidelse av hengselet.

Hengselmaterialet bør ha egenskaper som elektrisk isolerende, ultralav termisk ekspansjon og impermeabilitet overfor helium. ; Ved en foretrukken utførelsesform er materialet Invar.

Det skal forstås at den foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til de nøyaktige detaljer ved den viste og omtalte utførelsesform, idet opplagte modifikasjoner vil kunne ut-føres av fagfolk på området.

Claims (3)

1. Opphengning for ringlasergyroskop som har en hovedsakelig trekantformet hoveddel, hvori det befinner seg et rørformet hulrom med akser hovedsakelig parallelle med trekantens side-kanter, idet hulrommet definerer tre banelengder for gyroskopets to kontraroterende laserstråler, en boring som er uttatt ved hoveddelens midtparti og med akse vinkelrett på trekanten, og et hovedsakelig sylindrisk utformet hengsel anordnet i boringen og med samme akse som denne, karakterisert ved at hengselet omfatter en flerhet av radialt forløpende på avstand fra hverandre anordnede vingeseksjoner for montering av hengselet, en flerhet av bueformede segmenter, idet hvert segment overspenner to tilstøtende vingeseksjoner og strekker seg radialt utover fra disse for berøring med boringen, samtidig som segmentene dekker forhåndsbestemte bueformede kontaktflater med boringen, idet segmentene er anordnet i en forhåndsvalgt orientering slik at kontaktflatenes sentre befinner seg tilnærmet midt mellom spissene til den trekantformede hoveddel for å hindre variasjon i de nevnte banelengder ved temperaturforandringer i gyroskopet, og en flerhet av slisser som i lengderetningen er uttatt mellom vingeseksjonene og de bueformede segmenter og tillater oscillerende forskyvning av hoveddelen om aksen relativt til vingeseksjonen.

2. Opphengning for ringlasergyroskop i henhold til krav 1, karakterisert ved at slissene generelt strekker seg radialt og er anbragt mellom de tilstøtende radi-ale kanter av vingeseksjonene og de bueformede segmenter.

3. Opphengning for ringlasergyroskop i henhold til krav 2, karakterisert ved at der i en sylindrisk vegg i hvert bueformet segment er uttatt et bueformet spor for derved å fremskaffe boringskontaktflater ved motsatte ender av hengselet.