RU2104557C1

RU2104557C1 - Vibration-type angular-velocity transducer

Info

Publication number: RU2104557C1
Application number: RU96115217A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Виноградов; Ю.Д. Голяев; Н.Р. Запотылько; И.Н. Красивский; А.В. Мельников
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "Кварк"
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1996-07-26
Publication date: 1998-02-10

Abstract

FIELD: measurement technology; rotary motion to electric signal conversion by means of vibrating gyroscopes with piezoids, for example, in navigation systems. SUBSTANCE: transducer has supporting member, vibrating rod one of whose pairs of adjacent faces mounts driving piezoids; vibrating rod is made in the form of hexahedral-section prism whose diagonals are relatively perpendicular; other pair of adjacent faces mounts output piezoids. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразованию параметров вращения в электрический сигнал с помощью гироскопов вибрационного типа с пьезоэлектрическими элементами. Оно может быть использовано, например, в системах навигации. The invention relates to measuring technique, in particular to the conversion of rotation parameters into an electrical signal using vibratory type gyroscopes with piezoelectric elements. It can be used, for example, in navigation systems.

Известен вибрационный датчик угловой скорости, содержащий вибрирующий стержень, прямоугольного поперечного сечения, на боковых гранях которого закреплены приводной и выходные пьезоэлементы, и поддерживающие элементы для подвески вибрирующего стержня в корпусе. Оси поддерживающих элементов, выполненных в виде спиц, проходят через пару параллельных граней стержня в области узловых точек. Приводной пьезоэлемент, расположенный на грани стержня, параллельной осям поддерживающих элементов, служит для возбуждения поперечных колебаний стержня на резонансной частоте. A known angular velocity sensor containing a vibrating rod of rectangular cross-section, on the side faces of which are mounted the drive and output piezoelectric elements, and supporting elements for suspending the vibrating rod in the housing. The axis of the supporting elements, made in the form of spokes, pass through a pair of parallel faces of the rod in the region of the nodal points. A drive piezoelectric element located on the edge of the rod parallel to the axes of the supporting elements serves to excite the lateral vibrations of the rod at the resonant frequency.

При вращении вокруг продольной оси вибрирующего стержня под действием кориолисовых сил инерции в нем возникают поперечные колебания в плоскости, перпендикулярной плоскости возбужденных колебаний. В пьезоэлементах, расположенных на гранях, перпендикулярых осям поддерживающих элементов, возникают противофазные электрические напряжения с возбуждающей частотой и амплитудами, пропорциональными угловой скорости вращения, в совокупности представляющие полезный выходной сигнал. When rotating around the longitudinal axis of the vibrating rod under the action of Coriolis forces of inertia, transverse vibrations arise in it in a plane perpendicular to the plane of excited vibrations. In piezoelectric elements located on faces perpendicular to the axes of the supporting elements, out-of-phase electrical voltages arise with an exciting frequency and amplitudes proportional to the angular velocity of rotation, which together represent a useful output signal.

Недостатком такого датчика является низкая точность из-за существенного влияния на выходной сигнал погрешностей изготовления и параметров пьезоэлементов, так как отклонения от заданной плоскости колебания порождают на выходных пьезоэлементах сигнал, совпадающий по фазовому соотношению с полезным сигналом. The disadvantage of this sensor is its low accuracy due to the significant influence on the output signal of manufacturing errors and the parameters of the piezoelectric elements, since deviations from the given plane of oscillation generate a signal on the output piezoelectric elements that coincides in phase with the useful signal.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является вибрационный датчик угловой скорости, содержащий вибрирующий стержень, выполненный в виде призмы с поперечным сечением в форме равностороннего треугольника, приводные пьезоэлементы, закрепленные на двух смежных гранях стержня, и поддерживающие элементы, прикрепленные к продольному ребру, расположенному между приводными пьезоэлементами. С этих же пьезоэлементов снимается выходной сигнал. Таким образом, каждый из указанных пьезоэлементов является и приводным, и выходным. The closest in technical essence to the present invention is a vibrational angular velocity sensor containing a vibrating rod made in the form of a prism with a cross section in the shape of an equilateral triangle, piezoelectric elements mounted on two adjacent faces of the rod, and supporting elements attached to a longitudinal rib located between drive piezoelectric elements. The output signal is removed from the same piezoelectric elements. Thus, each of these piezoelectric elements is both a drive and an output.

Недостатками такого датчика являются низкая чувствительность и узкий диапазон измеряемых скоростей из-за наличия паразитных колебаний поддерживающих элементов, которые искажают выходной сигнал и изменяют резонансную частоту колебаний в плоскости обнаружения полезного сигнала, а также сложность разделения возбуждающего и выходного сигналов и обработки последнего. The disadvantages of such a sensor are low sensitivity and a narrow range of measured speeds due to the presence of spurious oscillations of the supporting elements, which distort the output signal and change the resonant frequency of oscillations in the plane of detection of the useful signal, as well as the difficulty in separating the exciting and output signals and processing the latter.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности датчика и расширение диапазона измеряемых скоростей путем упрощения конструкции и сближения резонансных частот колебаний вибрирующего стержня в двух взаимно перпендикулярных направлениях. The objective of the present invention is to increase the sensitivity of the sensor and expand the range of measured speeds by simplifying the design and converging the resonant frequencies of vibrations of the vibrating rod in two mutually perpendicular directions.

Указанная задача решается за счет того, что в известном вибрационном датчике вибрирующий стержень выполнен в виде призмы четырехугольного поперечного сечения со взаимно перпендикулярными диагоналями, на двух одинаковых смежных гранях которого закреплены выходные диагонали упомянутого сечения. This problem is solved due to the fact that in the known vibration sensor, the vibrating rod is made in the form of a prism of a quadrangular cross section with mutually perpendicular diagonals, on two identical adjacent faces of which the output diagonals of the said section are fixed.

На чертеже показана схема датчика по настоящему изобретению. Датчик содержит приводные пьезоэлементы 1, 2 и выходные пьезоэлементы 3, 4, которые закреплены с помощью клея или припоя на боковых гранях стержня 5. Пьезоэлементы представляют собой пластинки из пьезоэлектрического материала толщиной в 10 - 30 раз меньшей размеров поперечного сечения стержня. Поддерживающие элементы 6, 7 выполнены в виде спиц круглого или иного поперечного сечения. Они соединяют стержень 5 с корпусом 8. Продольные оси спиц проходят через диагонали параллельных поперечных сечений стержня на определенном расстоянии от его концов, соответствующем положению узловых точек при колебании стержня. The drawing shows the sensor circuit of the present invention. The sensor contains driving piezoelectric elements 1, 2 and output piezoelectric elements 3, 4, which are fixed with glue or solder on the side faces of the rod 5. The piezoelectric elements are plates of piezoelectric material 10-30 times thicker than the cross section of the rod. The supporting elements 6, 7 are made in the form of spokes of round or other cross section. They connect the rod 5 with the housing 8. The longitudinal axis of the spokes pass through the diagonals of parallel cross-sections of the rod at a certain distance from its ends, corresponding to the position of the nodal points during the oscillation of the rod.

Поскольку резонансная частота поперечных колебаний стержня определяется его упругими характеристиками и жесткостью связей, то принятая в изображении форма сечения вибрирующего стержня позволяет выбором соотношения сторон сечения получить различные изгибные жесткости относительно осей, проходящих через его диагонали. В результате при определенном соотношении сторон и диагоналей резонансные частоты соответствующих поперечных колебаний с учетом жесткости подвески становятся одинаковыми. Since the resonant frequency of the transverse vibrations of the rod is determined by its elastic characteristics and the stiffness of the bonds, the cross-sectional shape of the vibrating rod adopted in the image allows one to obtain various bending stiffnesses relative to the axes passing through its diagonals by choosing the aspect ratio of the section. As a result, with a certain ratio of sides and diagonals, the resonant frequencies of the corresponding transverse vibrations, taking into account the stiffness of the suspension, become the same.

Датчик работает следующим образом. При подаче от внешнего генератора переменного напряжения на приводные одинаковые пьезоэлемнты 1 и 2, они периодически сокращаются и расширяются в своей плоскости. Частота генератора устанавливается равной частоте собственных поперечных колебаний стержня. За счет жесткой связи пьезоэлементов с гранями стержня 5, последний изгибается с указанной частотой в плоскости, проходящей через диагональ 9. The sensor operates as follows. When applying an alternating voltage from an external generator to the same driving piezoelectric elements 1 and 2, they periodically contract and expand in their plane. The frequency of the generator is set equal to the frequency of the natural transverse vibrations of the rod. Due to the rigid connection of the piezoelectric elements with the faces of the rod 5, the latter bends at the indicated frequency in a plane passing through the diagonal 9.

При этом на одинаковые выходных пьезоэлементах 3, 4 возникают синфазные напряжения с одинаковыми амплитудами за счет их периодического сжатия и растяжения с частотой колебаний стержня 5. При отсутствии вращения разность выходных напряжений на пьезоэлементах 3 и 4 равна нулю, то есть выходной сигнал отсутствует. При повороте датчика вокруг продольной оси стержня за счет кориолисовых сил инерции в вибрирующем стержне возникают поперечные колебания в направлении, перпендикулярном исходным колебаниям, то есть в плоскости отклика, параллельной диагонали 10. Амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости вращения. В результате изгиба в направлении диагонали 10 в пьезоэлементах 3 и 4 возникают напряжения разного знака. Выходной сигнал, равный разности этих напряжений, имеет величину, пропорциональную угловой скорости вращения, а его фаза определяется направлением вращения. In this case, common-phase voltages with the same amplitudes occur at the same piezoelectric elements 3, 4 due to their periodic compression and tension with the oscillation frequency of the rod 5. In the absence of rotation, the difference in output voltages at the piezoelectric elements 3 and 4 is zero, i.e. there is no output signal. When the sensor rotates around the longitudinal axis of the rod due to the Coriolis forces of inertia, transverse vibrations occur in the vibrating rod in the direction perpendicular to the initial vibrations, i.e., in the response plane parallel to diagonal 10. The amplitude of these vibrations is proportional to the angular velocity of rotation. As a result of bending in the direction of the diagonal 10 in the piezoelectric elements 3 and 4, stresses of different signs arise. The output signal, equal to the difference of these voltages, has a value proportional to the angular velocity of rotation, and its phase is determined by the direction of rotation.

Коэффициент пропорциональности между измеряемой угловой скоростью и величиной выходного сигнала в известных датчиках вибрационного типа имеет максимальное значение при условии равенства резонансных частот колебаний в плоскости возбуждения (вдоль диагонали 9) и в плоскости отклика (вдоль диагонали 10). Поддерживающие элементы, выполненные в виде спиц, при возбуждающих колебаниях испытывают кручение, а при колебаниях отклика - изгиб. Поскольку жесткость поддерживающих элементов в этих двух случаях различна, - расчетная жесткость изгиба спиц круглого сечения в 4 - 6 раз превышает жесткость кручения, - то резонансные частоты вибрирующего стержня с сечением правильной формы (круг, квадрат, равносторонний треугольник) оказываются различными. Для получения максимальной чувствительности датчика соотношение диагоналей 9 и 10 принимается больше единицы, в результате чего собственная жесткость вибрирующего стержня относительно его взаимно перпендикулярных поперечных осей становится неодинаковой, что в совокупности с жесткостью поддерживающих элементов позволяет сблизить указанные резонансные частоты. The proportionality coefficient between the measured angular velocity and the value of the output signal in the known vibration-type sensors has a maximum value provided that the resonance frequencies of the oscillations are equal in the excitation plane (along diagonal 9) and in the response plane (along diagonal 10). The supporting elements, made in the form of spokes, experience torsion during exciting vibrations, and bend during response vibrations. Since the stiffness of the supporting elements in these two cases is different, - the calculated bending stiffness of the round knitting needles is 4-6 times higher than the torsional stiffness, then the resonant frequencies of the vibrating rod with the cross section of the correct shape (circle, square, equilateral triangle) are different. To obtain maximum sensor sensitivity, the ratio of the diagonals 9 and 10 is taken to be greater than unity, as a result of which the intrinsic rigidity of the vibrating rod relative to its mutually perpendicular transverse axes becomes uneven, which together with the rigidity of the supporting elements makes it possible to bring these resonant frequencies closer.

Изготовлен и испытан датчик по предлагаемому изобретению. Вибрирующий стержень длиной 40 мм и поперечным сечение со сторонами 4; 4, 5; 5 мм выполнен из кварцевого стекла. Поддерживающие элементы выполнены из медной проволоки диаметром 0,6 мм и длиной 12 мм. Пьезоэлементы длиной 10 мм, шириной 3 мм и толщиной 0,27 мм, выполненные из пьезоэлектрической керамики, припаяны к граням предварительно металлизированного стержня. Вибрирующий стержень посредством поддерживающих элементов укреплен в латунном корпусе. The sensor according to the invention is manufactured and tested. Vibrating rod with a length of 40 mm and a cross section with sides 4; 4, 5; 5 mm is made of quartz glass. The supporting elements are made of copper wire with a diameter of 0.6 mm and a length of 12 mm. Piezoelectric elements 10 mm long, 3 mm wide and 0.27 mm thick, made of piezoelectric ceramics, are soldered to the faces of a pre-metallized rod. The vibrating rod by means of supporting elements is mounted in a brass body.

В результате испытаний установлено, что чувствительность такого датчика возросла в 3,0 - 3,8 раза по сравнению с датчиком, имеющим треугольную форму сечения вибрирующего стержня, и в 250 - 280 раз по сравнению с датчиком, имеющим квадратную форму сечения стержня. Диапазон измеряемых угловых скоростей составляет от 0,1 до 150 угловых градусов в секунду. As a result of tests, it was found that the sensitivity of such a sensor increased by 3.0 - 3.8 times compared with a sensor having a triangular cross-section of a vibrating rod, and by 250 - 280 times compared with a sensor having a square cross-section of a rod. The range of measured angular velocities is from 0.1 to 150 angular degrees per second.

Claims

A vibrational angular velocity sensor containing supporting elements, a vibrating rod in the shape of a prism, on one pair of adjacent faces of which are driven piezoelectric elements, characterized in that the prism is made with a quadrangular cross section, the diagonals of which are mutually perpendicular, and the output pair is fixed on another pair of adjacent faces of the prism piezoelectric elements.