RU2166734C1 - Sensitive member of wave type gyroscope - Google Patents
Sensitive member of wave type gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2166734C1 RU2166734C1 RU2000114027A RU2000114027A RU2166734C1 RU 2166734 C1 RU2166734 C1 RU 2166734C1 RU 2000114027 A RU2000114027 A RU 2000114027A RU 2000114027 A RU2000114027 A RU 2000114027A RU 2166734 C1 RU2166734 C1 RU 2166734C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- hemispherical
- end surface
- sensitive member
- envelope
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к конструкции чувствительных элементов волновых твердотельных гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, космических аппаратов, управляемых бурильных головок. The invention relates to the design of sensitive elements of wave solid-state gyroscopes, which are used to determine angular displacements in the navigation devices of aircraft, spacecraft, guided drill heads.
Известен чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа, включающий полусферический резонатор из кварцевого стекла с металлизированной полусферической поверхностью, узел емкостных электродов, вакуумный корпус. В известном чувствительном элементе полусферический резонатор из кварцевого стекла имеет металлическое покрытие на полусферической поверхности. Узел емкостных электродов также выполнен из кварцевого стекла в виде полусферической поверхности, на которую напылены электроды. Узел емкостных электродов соединяют с крепежной ножкой полусферического резонатора таким образом, чтобы между полусферическими поверхностями резонатора и узла электродов имелся зазор. Каждый напыленный электрод образует с металлизированной поверхностью полусферического резонатора электрическую емкость. Колебания полусферической оболочки в радиальном направлении, перпендикулярно оси симметрии резонатора, приводят к изменению этого зазора и соответственно к изменению емкости. Изменение емкости преобразуют с помощью электронного блока в электрический сигнал, который используют затем для вычисления ориентации стоячей волны в резонаторе. Эти же электроды используют для управления стоячей волны, в том числе для поддержания постоянной ее амплитуды, путем прикладывания к ним напряжений, которые создают электростатические силы между электродами и полусферической оболочкой, с помощью которых и управляют колебаниями [D.Lynch, A.Matthews, G.Varty "Innovative Mechanizations to Optimize Inertial Sensors for High of Low Rate Operations", Symposium Gyro Technology, 1997, Stuttgart, Germany, 16-17 September 1997. Proc. Ed.H.Sorg. pp. 9.0-9.21.]
К недостаткам известной конструкции следует отнести:
- необходимость металлизации всей полусферической поверхности резонатора. Нанесение металлического покрытия на всю полусферическую поверхность резонатора по данным автора снижает его добротность в 2-3 раза. Так как самопроизвольный угловой дрейф стоячей волны (ошибка чувствительного элемента гироскопа) обратно пропорционален добротности, то наличие металлического покрытия на всей полусферической поверхности в 2-3 раза увеличивает ошибку чувствительного элемента гироскопа;
- газовое демпфирование колебаний резонатора. Колебания полусферической оболочки резонатора сжимают и вытесняют остаточный газ из зазора между поверхностями резонатора и узла электродов. При этом возникает тормозящая сила, на преодоление которой расходуется энергия резонатора, поэтому газовое демпфирование снижает добротность резонатора и увеличивает ошибку чувствительного элемента гироскопа. По данным автора при величине зазора около 100 мкм необходимо обеспечить давление внутри вакуумного корпуса чувствительного элемента гироскопа менее 10-7 мм рт.ст. Увеличение давления остаточного газа, связанное с десорбцией молекул с поверхности, газовыделением из материалов и т.д. приводит к увеличению ошибки чувствительного элемента гироскопа и в конечном счете к прекращению его функционирования. Обеспечение указанного уровня вакуумирования требует применения специальных материалов и сложных технологий сборки чувствительного элемента гироскопа;
- необходимость обеспечения постоянной величины зазора между полусферической поверхностью резонатора и полусферической поверхностью узла емкостных электродов. Отклонения в величине этого зазора приводят к различию характеристик электрических емкостей, образованных разными электродами, что приводит к ошибкам в вычислении положения стоячей волны и к несимметричному действию управляющих электростатических сил. Кроме того, это приводит к дополнительной ошибке из-за несимметричного газового демпфирования. Необходимость обеспечения постоянной величины этого зазора вынуждает повышать точность изготовления всех полусферических поверхностей и точность сборки.A known element of the wave solid-state gyroscope, including a hemispherical quartz glass resonator with a metallized hemispherical surface, a capacitive electrode assembly, a vacuum housing. In a known sensing element, a hemispherical quartz glass resonator has a metal coating on a hemispherical surface. The capacitive electrode assembly is also made of quartz glass in the form of a hemispherical surface on which the electrodes are sprayed. The capacitive electrode assembly is connected to the mounting leg of the hemispherical resonator so that there is a gap between the hemispherical surfaces of the resonator and the electrode assembly. Each sprayed electrode forms an electric capacitance with a metallized surface of a hemispherical resonator. Oscillations of the hemispherical shell in the radial direction, perpendicular to the axis of symmetry of the resonator, lead to a change in this gap and, accordingly, to a change in capacitance. The change in capacitance is converted using an electronic unit into an electrical signal, which is then used to calculate the orientation of the standing wave in the resonator. The same electrodes are used to control a standing wave, including to maintain its constant amplitude, by applying voltages to them, which create electrostatic forces between the electrodes and the hemispherical shell, with which they control vibrations [D. Lynch, A. Matthews, G .Varty "Innovative Mechanizations to Optimize Inertial Sensors for High of Low Rate Operations", Symposium Gyro Technology, 1997, Stuttgart, Germany, 16-17 September 1997. Proc. Ed.H.Sorg. pp. 9.0-9.21.]
The disadvantages of the known design include:
- the need for metallization of the entire hemispherical surface of the resonator. The deposition of a metal coating on the entire hemispherical surface of the resonator, according to the author, reduces its quality factor by a factor of 2–3. Since the spontaneous angular drift of a standing wave (the error of the gyro sensor) is inversely proportional to the Q factor, the presence of a metal coating on the entire hemispherical surface increases the error of the gyro sensor by a factor of 2–3;
- gas damping of resonator vibrations. Oscillations of the hemispherical shell of the resonator compress and displace the residual gas from the gap between the surfaces of the resonator and the electrode assembly. In this case, a braking force arises, overcoming of which the resonator energy is expended; therefore, gas damping reduces the Q factor of the resonator and increases the error of the sensitive element of the gyroscope. According to the author, with a gap of about 100 μm, it is necessary to provide a pressure inside the vacuum housing of the gyro sensor element of less than 10 -7 mm Hg The increase in residual gas pressure associated with the desorption of molecules from the surface, gas evolution from materials, etc. leads to an increase in the error of the sensitive element of the gyroscope and ultimately to the cessation of its functioning. Ensuring the specified level of evacuation requires the use of special materials and sophisticated assembly technology of the sensitive element of the gyroscope;
- the need to ensure a constant gap between the hemispherical surface of the resonator and the hemispherical surface of the capacitive electrode assembly. Deviations in the magnitude of this gap lead to a difference in the characteristics of electric capacitances formed by different electrodes, which leads to errors in calculating the position of the standing wave and to the asymmetric action of the control electrostatic forces. In addition, this leads to an additional error due to asymmetric gas damping. The need to ensure a constant value of this gap forces to increase the manufacturing accuracy of all hemispherical surfaces and the accuracy of the assembly.
По мнению автора, указанные недостатки снижают точность работы прибора до 0,1-0,01 град/ч и значительно усложняют и удорожают его изготовление. According to the author, these shortcomings reduce the accuracy of the device to 0.1-0.01 deg / h and significantly complicate and cost its manufacture.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. The objective of the invention is to remedy these disadvantages.
Задача решается предложенной конструкцией чувствительного элемента, имеющей полусферическую оболочку, торцевая поверхность которой металлизирована, скрепленную ножкой с плоской пластиной с напыленными дискретными емкостными электродами, расположенной параллельно торцевой поверхности оболочки. The problem is solved by the proposed design of the sensing element having a hemispherical shell, the end surface of which is metallized, fastened by a leg with a flat plate with sprayed discrete capacitive electrodes located parallel to the end surface of the shell.
Предложенный чувствительный элемент отличается тем, что полусферическая оболочка резонатора металлизирована по ее торцевой поверхности и узел емкостных электродов выполнен в виде плоской пластины с напыленными электродами и расположен параллельно торцевой поверхности резонатора. The proposed sensitive element is characterized in that the hemispherical shell of the resonator is metallized along its end surface and the capacitive electrode assembly is made in the form of a flat plate with sprayed electrodes and is parallel to the end surface of the resonator.
На чертеже показан предлагаемый чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа. The drawing shows the proposed sensitive element of the wave solid-state gyroscope.
Чувствительный элемент содержит полусферический резонатор, который имеет полусферическую оболочку 1 и ножку 2. Металлическое покрытие 3 нанесено на торцевую поверхность 4 полусферической оболочки 1. Узел емкостных электродов выполнен в виде плоской пластины 5 с напыленными дискретными электродами, которые расположены по окружности, радиус которой равен радиусу полусферической оболочки резонатора. Каждый напыленный дискретный электрод содержит две площадки 6, которые с помощью токопроводящих дорожек 7 соединены с гермовыводами вакуумного корпуса и затем с электронным блоком. Полусферическая оболочка 1 соединена через ножку 2 с пластиной 5 так, что между торцевой поверхностью 4 полусферической оболочки 1 и пластиной 5 образуется зазор D. The sensitive element contains a hemispherical resonator, which has a hemispherical shell 1 and a leg 2. A metal coating 3 is deposited on the end surface 4 of the hemispherical shell 1. The capacitive electrode assembly is made in the form of a flat plate 5 with discrete electrodes deposited that are arranged in a circle whose radius is equal to a radius hemispherical shell of the resonator. Each sprayed discrete electrode contains two pads 6, which are connected to the pressure leads of the vacuum casing by means of conductive paths 7 and then to the electronic unit. The hemispherical shell 1 is connected through the leg 2 to the plate 5 so that a gap D is formed between the end surface 4 of the hemispherical shell 1 and the plate 5.
Предложенный чувствительный элемент работает следующим образом. Колебания полусферической оболочки 1 приводят к периодическому изменению зазора D между металлизированной торцевой поверхностью 4 полусферической оболочки 1 и площадками 6 с амплитудой d. Как показывает численное моделирование амплитуда этих колебаний равна:
d ≈ 0,5r,
где r - амплитуда радиальных колебаний полусферической оболочки.The proposed sensitive element operates as follows. Oscillations of the hemispherical shell 1 lead to a periodic change in the gap D between the metallized end surface 4 of the hemispherical shell 1 and platforms 6 with amplitude d. As numerical modeling shows, the amplitude of these oscillations is equal to:
d ≈ 0.5r,
where r is the amplitude of the radial vibrations of the hemispherical shell.
Электрическая емкость C, которую образуют площадки 6 и расположенные напротив них металлизированные участки торцевой поверхности 4 полусферической оболочки 1, зависит от амплитуды колебаний следующим образом:
C = εε0S/2(d+D),
где S - площадь площадки 5;
ε - диэлектрическая проницаемость среды, для вакуума ε = 1;
ε0 - диэлектрическая постоянная.The electric capacitance C, which is formed by the pads 6 and the metallized sections of the end surface 4 of the hemispherical shell 1 located opposite them, depends on the oscillation amplitude as follows:
C = εε 0 S / 2 (d + D),
where S is the area of the site 5;
ε is the dielectric constant of the medium, for vacuum ε = 1;
ε 0 is the dielectric constant.
Изменение емкости C при колебаниях преобразуется в электронном блоке в электрический сигнал, который используют для определения ориентации стоячей волны. The change in capacitance C during oscillations is converted in the electronic unit into an electrical signal, which is used to determine the orientation of the standing wave.
Для управления стоячей волной управляющее напряжение U прикладывают к площадкам 6, что приводит к появлению электростатической силы F. Для вакуума эта сила равна:
F = ε0SU2/16D2
Оценим характеристики предложенного чувствительного элемента гироскопа. Пусть полусферическая оболочка 1 имеет диаметр 30 мм, толщину стенки 1 мм, величину зазора D = 20 мкм, площадь площадки 6 S = 5 мм2. При амплитуде радиальных колебаний r = 1 мкм амплитуда d = 0.5 мкм, что приведет к относительному изменению емкости C на 2.5%. Это в 2.5 раза больше, чем для известного чувствительного элемента при такой же амплитуде радиальных колебаний.To control a standing wave, a control voltage U is applied to the pads 6, which leads to the appearance of an electrostatic force F. For a vacuum, this force is equal to:
F = ε 0 SU 2 / 16D 2
We evaluate the characteristics of the proposed sensitive element of the gyroscope. Let the hemispherical shell 1 has a diameter of 30 mm, a wall thickness of 1 mm, a gap value of D = 20 μm, a platform area of 6 S = 5 mm 2 . When the amplitude of radial vibrations r = 1 μm, the amplitude d = 0.5 μm, which will lead to a relative change in the capacitance C by 2.5%. This is 2.5 times larger than for a known sensitive element with the same amplitude of radial vibrations.
Предполагая, что размер электродов в известном чувствительном элементе равен 4 х 11 мм, приложение управляющего напряжения U к электродам приведет к возникновению управляющей электростатической силы, примерно одинаковой для известного и предложенного чувствительного элемента. Однако в предложенном чувствительном элементе отсутствует металлическое покрытие полусферических поверхностей оболочки 1, поэтому добротность резонатора будет выше в 2-3 раза, а величина требуемых управляющих сил (например, для поддержания постоянной амплитуды колебаний) будет в 2-3 раза меньше, чем для известного чувствительного элемента. Это означает, что управляющее напряжение в предложенном чувствительном элементе может быть уменьшено в 1.4-1.7 раз. Высокая добротность резонатора позволит получить величину самопроизвольного дрейфа в гироскопе с предложенным чувствительным элементом в 2-3 раза меньше, чем с известным. Assuming that the size of the electrodes in the known sensor is 4 x 11 mm, the application of a control voltage U to the electrodes will result in a control electrostatic force that is approximately the same for the known and proposed sensor. However, in the proposed sensitive element, there is no metal coating of the hemispherical surfaces of the shell 1, therefore, the Q factor of the resonator will be 2-3 times higher, and the magnitude of the required control forces (for example, to maintain a constant oscillation amplitude) will be 2-3 times lower than for the known sensitive item. This means that the control voltage in the proposed sensitive element can be reduced by 1.4-1.7 times. The high quality factor of the resonator will make it possible to obtain the value of spontaneous drift in a gyroscope with the proposed sensitive element 2-3 times less than with the known one.
Сжимаемый при колебаниях объем газа в предложенном чувствительном элементе примерно в 20 раз меньше, чем в известном, а количество вытесняемого газа меньше примерно в 8 раз. Так как при газовом демпфировании тормозящая сила пропорциональна количеству вытесняемого газа и расстоянию, на которое вытесняются молекулы газа, то в предложенном чувствительном элементе тормозящая сила при одной и той же амплитуде радиальных колебаний полусферической оболочки будет меньше примерно в 30 раз. Поэтому предложенный чувствительный элемент позволяет иметь остаточное давление газа примерно в 30 раз больше, чем в известном чувствительном элементе. The volume of gas compressible during vibrations in the proposed sensitive element is about 20 times less than in the known one, and the amount of gas displaced is less than about 8 times. Since in case of gas damping, the braking force is proportional to the amount of gas displaced and the distance by which gas molecules are displaced, in the proposed sensing element the braking force at the same amplitude of radial oscillations of the hemispherical shell will be approximately 30 times less. Therefore, the proposed sensor element allows you to have a residual gas pressure of about 30 times more than in the known sensor element.
Таким образом, по сравнению с известным чувствительным элементом предложенный чувствительный элемент имеет более простую конструкцию и технологию сборки, работает при давлении остаточного газа в 30 раз выше, имеет ошибку, связанную с самопроизвольным дрейфом, меньше в 2-3 раза и работает при величинах управляющих напряжений, меньших в 1.4-1.7 раз. Thus, in comparison with the known sensitive element, the proposed sensitive element has a simpler design and assembly technology, operates at a residual gas pressure of 30 times higher, has an error associated with spontaneous drift, is 2–3 times less, and works at control voltages smaller by 1.4-1.7 times.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000114027A RU2166734C1 (en) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | Sensitive member of wave type gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000114027A RU2166734C1 (en) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | Sensitive member of wave type gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2166734C1 true RU2166734C1 (en) | 2001-05-10 |
Family
ID=20235670
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000114027A RU2166734C1 (en) | 2000-06-05 | 2000-06-05 | Sensitive member of wave type gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2166734C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002029361A1 (en) * | 2000-10-02 | 2002-04-11 | Federalnoe Gosvdarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie "Izhevsky Elektromekhanichesky Zavod "Kupol" Fgup "Iemz" Kupol" | Solid wave gyroscope |
| RU2460969C1 (en) * | 2008-09-16 | 2012-09-10 | Сажем Дефанс Секюрите | Resonator for angular parameter sensor |
| RU2491506C1 (en) * | 2009-05-07 | 2013-08-27 | Сажем Дефанс Секюрите | Vibration detector with two channels activated in series |
| RU2498218C1 (en) * | 2009-11-12 | 2013-11-10 | Сажем Дефанс Секюрите | Partially metallised resonator |
| RU2527319C2 (en) * | 2009-11-12 | 2014-08-27 | Сажем Дефанс Секюрите | Resonator with protective ply, vibration transducer with such resonator and method of resonator production |
-
2000
- 2000-06-05 RU RU2000114027A patent/RU2166734C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| D. Lynch, A. Matthews, G. Varty "Innovative Mechanizations to Optimize Inertial Sensors for High ofLOw Rate Operations". - Symposium Gyro Technology, 1997, Stuttgart, Germany, 16-17 September 1997, pp. 9.0-9.21. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002029361A1 (en) * | 2000-10-02 | 2002-04-11 | Federalnoe Gosvdarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie "Izhevsky Elektromekhanichesky Zavod "Kupol" Fgup "Iemz" Kupol" | Solid wave gyroscope |
| RU2460969C1 (en) * | 2008-09-16 | 2012-09-10 | Сажем Дефанс Секюрите | Resonator for angular parameter sensor |
| RU2491506C1 (en) * | 2009-05-07 | 2013-08-27 | Сажем Дефанс Секюрите | Vibration detector with two channels activated in series |
| RU2498218C1 (en) * | 2009-11-12 | 2013-11-10 | Сажем Дефанс Секюрите | Partially metallised resonator |
| RU2527319C2 (en) * | 2009-11-12 | 2014-08-27 | Сажем Дефанс Секюрите | Resonator with protective ply, vibration transducer with such resonator and method of resonator production |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11808574B2 (en) | Micromechanical detection structure of a MEMS multi-axis gyroscope, with reduced drifts of corresponding electrical parameters | |
| Söderkvist | Micromachined gyroscopes | |
| US5377544A (en) | Rotational vibration gyroscope | |
| JP4577671B2 (en) | Configuration for angular velocity measurement | |
| US5392650A (en) | Micromachined accelerometer gyroscope | |
| US8056413B2 (en) | Sensor and sensing method utilizing symmetrical differential readout | |
| US7640803B1 (en) | Micro-electromechanical system inertial sensor | |
| US9476710B2 (en) | Axially symmetric Coriolis vibratory gyroscope (variants) | |
| US6474161B1 (en) | Gyroscopic sensor and rotation measurement apparatus constituting an application thereof | |
| KR19990014303A (en) | 2-axis navigation grade micromachined rotation detector system | |
| CN101755215A (en) | Multi-axial sensor for determining displacement, velocity and acceleration of a linear or angular movement | |
| JP2008241242A (en) | Integrated monolithic gyroscope and accelerometer | |
| JP2018155499A (en) | Gyroscope | |
| US11567100B2 (en) | Vibrating beam accelerometer with additional support flexures to avoid nonlinear mechanical coupling | |
| WO2002025290A1 (en) | Reentrant microwave resonant cavity accelerometer | |
| RU2166734C1 (en) | Sensitive member of wave type gyroscope | |
| WO2013140134A1 (en) | Vibratory ring structure | |
| JP6401868B2 (en) | Acceleration sensor | |
| US4267731A (en) | Force balanced vibratory rate sensor | |
| Kuisma et al. | A bulk micromachined silicon angular rate sensor | |
| US5821420A (en) | Vibration-type gyro apparatus for calculating angular velocity | |
| US6907782B2 (en) | Micromechanical inertial sensor | |
| US5533394A (en) | Ferroelectric thin film travelling wave rotation sensor | |
| RU2357213C1 (en) | Sensitive element of solid-state wave gyro | |
| KR101083952B1 (en) | SAWsurface acoustic wave Gyroscope using progressive wave and angular velocity measuring method |