RU2208764C1

RU2208764C1 - Electrostatic gyroscope

Info

Publication number: RU2208764C1
Application number: RU2002107083A
Authority: RU
Inventors: С.С. Гуревич; Е.С. Демидова; Б.Е. Ландау
Original assignee: ФГУП Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-07-20

Abstract

FIELD: precision instrumentation engineering; manufacture and operation of electrostatic gyroscopes with spherical rotors. SUBSTANCE: proposed gyroscope has hermetic housing made from current-conducting material, spherical rotor with pattern on its surface for optical attitude sensor, electrostatic mount for rotor including system of electrodes insulated from housing, system for control of position of rotor relative to electrodes and high-voltage source whose common terminal (terminal with zero potential) is connected to housing, current-conducting limiting stops mounted on inner surface of housing through electric insulator and interconnected by means of electric conductor, optical attitude sensor, rotor acceleration system, rotor angular oscillation dampening system; stops are connected to housing through resistor R whose magnitude is found from relationship R>T/C, where C is capacity between electrodes and rotor of gyroscope; T is time from moment of connection of high-voltage source till moment of separation of rotor from stops. EFFECT: enhanced accuracy and reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором. The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the manufacture and operation of electrostatic gyroscopes with a spherical rotor.

Известен электростатический гироскоп [П.И. Малеев, "Новые типы гироскопов", Ленинград, Судостроение, 1971 г., стр. 18], содержащий герметичный корпус, выполненный из непроводящего материала (керамики), сферический ротор с рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему электродов, размещенных (напыленных) на внутренней поверхности корпуса попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, трехканальную систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, ограничительные упоры, установленные в корпусе попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора. Known electrostatic gyroscope [P.I. Maleev, “New Types of Gyroscopes”, Leningrad, Shipbuilding, 1971, p. 18], comprising a sealed housing made of non-conductive material (ceramic), a spherical rotor with a pattern for an optical angle sensor, an electrostatic rotor suspension including an electrode system, placed (sprayed) on the inner surface of the housing in pairs along three mutually perpendicular axes, a three-channel control system for the position of the rotor relative to the electrodes and a high-voltage voltage source, limit stops installed in case in pairs along three mutually perpendicular axes, optical angle sensor, rotor acceleration system, rotor angular vibration damping system.

Недостатками данного гироскопа являются малая точность и надежность. Указанные недостатки обусловлены несовершенством конструкции и технологическими погрешностями изготовления электродов подвеса. В реальных приборах в конструкции электродов всегда присутствуют острые кромки, пики шероховатости поверхности и т.д. В этих местах при подаче на электроды высокого напряжения нарушается однородность электростатического поля, на острых выступах повышается концентрация электрических зарядов. Возникает процесс их утечки (стекания) с указанных неровностей на поверхность ротора. При этом ротор получает избыточные электрические заряды (происходит его зарядка), количество которых увеличивается со временем. Взаимодействие электрических зарядов ротора с полем подвеса приводит к возникновению возмущающего момента. The disadvantages of this gyroscope are low accuracy and reliability. These shortcomings are due to imperfection of the design and technological errors in the manufacture of suspension electrodes. In real devices, sharp edges, peaks of surface roughness, etc., are always present in the design of electrodes. In these places, when applying high voltage to the electrodes, the uniformity of the electrostatic field is violated, the concentration of electric charges increases on sharp protrusions. There is a process of their leakage (runoff) from these irregularities on the surface of the rotor. In this case, the rotor receives excess electric charges (it is being charged), the amount of which increases with time. The interaction of the electric charges of the rotor with the suspension field leads to the appearance of a disturbing moment.

При выключении гироскопа (электростатического подвеса) ротор касается изолированных упоров. Заряд на роторе сохраняется. При повторных включениях процесс повторяется. В результате происходит накопление заряда на роторе (рост от пуска к пуску возмущающего момента). При многократном включении прибора появляется вероятность отказа гироскопа. When turning off the gyroscope (electrostatic suspension), the rotor touches the insulated stops. The charge on the rotor is maintained. With repeated starts, the process repeats. As a result, the charge accumulates on the rotor (growth from start to start of a disturbing moment). When the device is turned on repeatedly, the probability of a gyroscope failure appears.

Известен также электростатический гироскоп [С.С. Гуревич и др. "Система ориентации орбитальных космических аппаратов на базе бескарданных электростатических гироскопов со сплошным ротором", VIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, Санкт-Петербург, ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2001 г., стр. 52], который принимаем за прототип. Also known electrostatic gyroscope [S. S. Gurevich et al. "Orientation system for orbiting spacecraft based on gimbal-free electrostatic gyroscopes with a continuous rotor", VIII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, St. Petersburg, SSC RF CRI Elektropribor, 2001, p. 52] which we take as a prototype.

Электростатический гироскоп содержит герметичный корпус, выполненный из токопроводящего материала (для защиты от внешних полей), сферический ротор, с нанесенным на его поверхность рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему изолированных от корпуса электродов, систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, общая клемма (клемма с нулевым потенциалом) высоковольтного источника подключена к корпусу, токопроводящие ограничительные упоры, установленные на внутренней поверхности корпуса, упоры соединены друг с другом электрическим проводником (корпусом) и электрически связаны с ним, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора. An electrostatic gyroscope contains a sealed housing made of conductive material (for protection from external fields), a spherical rotor, with a pattern for an optical angle sensor printed on its surface, an electrostatic suspension of the rotor, including a system of electrodes isolated from the housing, a system for controlling the position of the rotor relative to the electrodes and high voltage source, common terminal (terminal with zero potential) of the high voltage source connected to the housing, conductive limit stops s mounted on the inner surface of the housing, the stops are connected to each other by an electrical conductor (housing) and are electrically connected to it, an optical angle sensor, a rotor acceleration system, a rotor angular vibration damping system.

В процессе работы ротор данного гироскопа также получает объемный заряд. Однако каждый раз при выключении прибора (подвеса) происходит его разрядка. Ротор касается ограничительных токопроводящих упоров. Образуется цепь разряда через упоры на корпус, соединенный с общей клеммой высоковольтного источника. Накопление заряда на роторе от пуска к пуску не происходит. During operation, the rotor of this gyroscope also receives a space charge. However, each time the device (suspension) is turned off, it is discharged. The rotor touches the limit conductive stops. A discharge circuit is formed through the stops on the housing connected to a common terminal of the high voltage source. Accumulation of charge on the rotor from start to start does not occur.

Недостатками данного гироскопа являются малая точность и малая надежность. Указанные недостатки обусловлены тем, что при подаче на электроды напряжения (включении подвеса) в роторе происходит перераспределение электрических зарядов (увеличение концентрации электрических зарядов в части ротора, расположенной под электродом с максимальным напряжением, и уменьшение в противоположной части ротора, соприкасающейся с упорами, подключенными через корпус к общей клемме высоковольтного источника). В результате между ротором и общей клеммой высоковольтного источника образуется разность потенциалов. Так как напряжение на электродах возрастает до напряжения, при котором происходит взвешивание ротора (отрыв от упоров) не мгновенно, то за время его нарастания под действием разности потенциалов (между ротором и общей клеммой источника) часть электрических зарядов через упоры перемещается на ротор. Ротор получает электрический заряд. Как было уже отмечено выше, взаимодействие электрических зарядов ротора с полем подвеса приводит к возникновению возмущающего момента, к уменьшению точности гироскопа. The disadvantages of this gyroscope are low accuracy and low reliability. These drawbacks are due to the fact that when voltage is applied to the electrodes (suspension is turned on), redistribution of electric charges occurs in the rotor (an increase in the concentration of electric charges in the part of the rotor located under the electrode with the maximum voltage, and a decrease in the opposite part of the rotor in contact with the stops connected via housing to the common terminal of the high voltage source). As a result, a potential difference is formed between the rotor and the common terminal of the high voltage source. Since the voltage at the electrodes rises to the voltage at which the rotor is weighed (separation from the stops) is not instantaneous, then during its growth under the influence of the potential difference (between the rotor and the common source terminal), part of the electric charges through the stops moves to the rotor. The rotor receives an electric charge. As already noted above, the interaction of the electric charges of the rotor with the suspension field leads to the appearance of a disturbing moment, to a decrease in the accuracy of the gyroscope.

Другим источником уменьшения точности является то, что связь ротора, лежащего на упорах с корпусом, подключенным к точке с нулевым потенциалом, приводит к снижению точности измерения емкости между ротором электродами подвеса. Недостоверные измерения емкости приводят к вероятности неправильной настройки подвеса и, как следствие, к уменьшению точности гироскопа. Another source of reduced accuracy is that the connection of the rotor lying on the stops with the housing connected to a point with zero potential leads to a decrease in the accuracy of measuring capacitance between the rotor of the suspension electrodes. Inaccurate capacitance measurements lead to the likelihood of incorrect suspension settings and, as a consequence, to a decrease in the accuracy of the gyroscope.

Малая надежность обусловлена следующим. При выключении подвеса напряжение на электродах уменьшается до нуля не мгновенно. Соответственно с изменением напряжения уменьшается и зазор между ротором и упорами. При постепенном уменьшении зазора напряженность электрического поля между заряженным ротором и упорами, с которыми он соприкоснется, увеличивается. При достижении напряженностью критического значения (перед самым касанием ротора упоров) происходит пробой зазора и возникает электрический разряд между ротором и одним из упоров. Между упором и ротором потечет ток разрядки. Заряд с ротора через упоры стекает на клемму нулевого потенциала высоковольтного источника питания. Из-за большой величины разрядного тока возникает перенос материала между поверхностью ротора и упором зазора. При этом возникает вероятность, что рисунок на поверхности ротора будет поврежден. Гироскоп перестанет функционировать. Low reliability is due to the following. When the suspension is turned off, the voltage at the electrodes decreases to zero not instantly. Accordingly, with a change in voltage, the gap between the rotor and the stops decreases. With a gradual decrease in the gap, the electric field between the charged rotor and the stops with which it is in contact increases. When the tension reaches a critical value (just before the rotor touches the stops), a breakdown of the gap occurs and an electric discharge occurs between the rotor and one of the stops. A discharge current will flow between the stop and the rotor. The charge from the rotor through the stops flows to the terminal of the zero potential of the high-voltage power source. Due to the large magnitude of the discharge current, material transfer occurs between the surface of the rotor and the gap stop. In this case, it is likely that the pattern on the surface of the rotor will be damaged. The gyroscope will stop functioning.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности электростатического гироскопа. The objective of the present invention is to improve the accuracy and reliability of an electrostatic gyroscope.

Поставленная задача решается тем, что в известном электростатическом гироскопе, содержащем герметичный корпус, выполненный из токопроводящего материала, сферический ротор с нанесенным на его поверхность рисунком для оптического датчика угла, электростатический подвес ротора, включающий систему изолированных от корпуса электродов, систему управления положением ротора относительно электродов и высоковольтный источник напряжения, общая клемма (клемма с нулевым потенциалом) высоковольтного источника подключена к корпусу, токопроводящие ограничительные упоры, установленные на внутренней поверхности корпуса, упоры соединены друг с другом электрическим проводником и подключены к корпусу, оптический датчик угла, систему разгона ротора, систему демпфирования угловых колебаний ротора, ограничительные упоры установлены на внутренней поверхности токопроводящего корпуса через электрический изолятор, а подключение упоров к корпусу осуществлено через резистор R, значение которого определяется из соотношения R>T/C, где С - значение емкости между электродами и ротором гироскопа, Т - время с момента включения высоковольтного источника до момента отрыва ротора от упоров. The problem is solved in that in a known electrostatic gyroscope containing a sealed housing made of conductive material, a spherical rotor with a pattern for an optical angle sensor applied to its surface, an electrostatic suspension of the rotor, including a system of electrodes isolated from the housing, a system for controlling the position of the rotor relative to the electrodes and a high voltage voltage source, the common terminal (terminal with zero potential) of the high voltage source is connected to the housing, conductive The restrictive stops installed on the inner surface of the housing, the stops are connected to each other by an electrical conductor and connected to the housing, an optical angle sensor, the rotor acceleration system, the rotor angular vibration damping system, the restrictive stops are installed on the inner surface of the conductive housing through an electrical insulator, and the connection stops to the housing is carried out through the resistor R, the value of which is determined from the ratio R> T / C, where C is the value of the capacitance between the electrodes and the gyro rotor Pa, T is the time from the moment the high-voltage source is turned on until the rotor detaches from the stops.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема электростатического гироскопа, где приняты следующие обозначения:
1 - корпус гироскопа,
2 - изолирующие прокладки электродов,
3 - электроды электростатического подвеса,
4 - ротор гироскопа,
5 - рисунок на поверхности ротора для оптического датчика угла,
6 - система управления электростатического подвеса (система управления положением ротора относительно электродов),
7 - высоковольтный источник напряжения,
8 - изолирующие прокладки ограничительных упоров,
9 - токопроводящие ограничительные упоры,
10 - электрический проводник, соединяющий упоры,
11 - система разгона ротора,
12 - система демпфирования угловых колебаний ротора,
"0" - клемма с нулевым потенциалом высоковольтного источника,
R - резистор.The invention is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of an electrostatic gyroscope, where the following notation:
1 - the body of the gyroscope,
2 - insulating gaskets of electrodes,
3 - electrodes of electrostatic suspension,
4 - gyroscope rotor,
5 is a drawing on the surface of the rotor for an optical angle sensor,
6 - control system for electrostatic suspension (control system for the position of the rotor relative to the electrodes),
7 - high voltage voltage source,
8 - insulating gaskets limit stops,
9 - conductive limit stops,
10 - electrical conductor connecting the stops,
11 - rotor acceleration system,
12 - damping system of angular oscillations of the rotor,
"0" - terminal with zero potential of a high voltage source,
R is the resistor.

Предлагаемый электростатический гироскоп содержит герметичный корпус 1, выполненный из токопроводящего материала. Внутри корпуса 1 через изолирующие прокладки 2 попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей (для упрощения третья ось на рисунке не показана) установлена система электродов 3. Между электродами 3 размещен сферический ротор 4 с нанесенным на его поверхность рисунком 5 для оптического датчика угла (датчик угла на рисунке не показан). Электроды 3 подсоединены к системе 6 управления положением ротора 4. К системе 6 подключен высоковольтный источник 7 напряжения. Общая клемма "0" (клемма с нулевым потенциалом) высоковольтного источника 7 подключена к корпусу 1. На внутренней поверхности корпуса 1 попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей через изолирующие прокладки 8 установлены токопроводящие ограничительные упоры 9 (на рисунке упоры по третьей оси не показаны). Упоры 9 соединены друг с другом электрическим проводником 10 и подключены через резистор R к корпусу 1. Значение резистора R определено из соотношения R>T/C, где Т - время с момента включения высоковольтного источника 7 до момента отрыва ротора 4 от упоров, С - значение емкости между электродами 3 и ротором 4 гироскопа. В корпусе 1 установлена также система 11 разгона ротора 4, система 12 демпфирования угловых колебаний ротора 4. The proposed electrostatic gyroscope contains a sealed housing 1 made of conductive material. An electrode system 3 is installed inside the housing 1 through insulating gaskets 2 in pairs along three mutually perpendicular axes (for simplicity, the third axis is not shown in the figure). A spherical rotor 4 is placed between the electrodes 3 with the figure 5 applied to its surface for an optical angle sensor (angle sensor on not shown). The electrodes 3 are connected to the rotor 4 position control system 6. A high voltage voltage source 7 is connected to the system 6. The common terminal “0” (the terminal with zero potential) of the high-voltage source 7 is connected to the housing 1. On the inner surface of the housing 1, conductive limit stops 9 are installed in pairs along three mutually perpendicular axes through insulating spacers 8 (the stops on the third axis are not shown in the figure). The stops 9 are connected to each other by an electrical conductor 10 and connected through the resistor R to the housing 1. The value of the resistor R is determined from the ratio R> T / C, where T is the time from the moment the high-voltage source 7 is turned on until the rotor 4 detaches from the stops, C - the value of the capacitance between the electrodes 3 and the rotor 4 of the gyroscope. The housing 1 also has a rotor 4 acceleration system 11, a rotor damping system 12 of the rotor 4.

Значение резистора R рассчитывается из условия, что постоянная времени RC (время заряда емкости, образованной ротором 4 и электродами 3) должна быть больше времени нахождения ротора на упорах 9 (времени с момента включения источника 7 питания до момента отрыва ротора 4 от упоров 9). При этом на ротор 4 успеет перетечь ограниченное число зарядов. В идеальном случае при R, равном бесконечности, число перешедших на ротор 4 зарядов будет равно нулю. Для реальных гироскопов значение R находится на уровне нескольких мОм. The value of the resistor R is calculated from the condition that the time constant RC (the charge time of the capacitance formed by the rotor 4 and the electrodes 3) should be longer than the time the rotor was on the stops 9 (the time from the moment the power source 7 was turned on until the rotor 4 detached from the stops 9). In this case, a limited number of charges will have time to flow onto the rotor 4. In the ideal case, with R equal to infinity, the number of 4 charges transferred to the rotor will be zero. For real gyroscopes, the value of R is at the level of several mOhm.

Работа предлагаемого электростатического гироскопа происходит следующим образом. При выключенном подвесе ротор 4 лежит (касается) на упорах 9. Его потенциал равен потенциалу на клемме "0" источника 7. Ротор 4 находится в разряженном состоянии. При включении источника 7 на верхний электрод (см. рисунок) подается напряжение. Под влиянием электростатического поля, образующегося в зазоре, происходит перераспределение электрических зарядов в роторе 4. Между ротором 4 и клеммой "0" высоковольтного источника 7 образуется разность потенциалов. Под действием разности потенциалов электрические заряды начнут перемещаться от клеммы "0" источника 7 в направлении ротора 4. Однако их перемещению препятствует установленный в этой цепи резистор R. При значении сопротивления резистора R, равном бесконечности, количество перемещенных зарядов становится равным нулю. Точность работы гироскопа за счет уменьшения (исключения) заряда, получаемого ротором 4 при его взвешивании, повышается. The work of the proposed electrostatic gyroscope is as follows. When the suspension is off, the rotor 4 lies (touches) on the stops 9. Its potential is equal to the potential at terminal "0" of the source 7. Rotor 4 is in a discharged state. When the source 7 is turned on, voltage is applied to the upper electrode (see figure). Under the influence of the electrostatic field formed in the gap, a redistribution of electric charges occurs in the rotor 4. A potential difference is formed between the rotor 4 and the terminal “0” of the high-voltage source 7. Under the action of the potential difference, the electric charges will begin to move from the terminal “0” of the source 7 in the direction of the rotor 4. However, the resistor R installed in this circuit prevents their movement. When the resistance value of the resistor R is equal to infinity, the number of charged charges becomes zero. The accuracy of the gyro due to the reduction (exclusion) of the charge received by the rotor 4 when it is weighed increases.

После взвешивания положение ротора 4 относительно электродов 3 регулируется системой 6 управления подвесом. Далее включают систему 11 разгона, раскручивают ротор 4 до рабочей скорости. Включают систему 12 демпфирования, демпфируют нутационные колебания ротора 4. После затухания нутационных колебаний в течение заданного промежутка времени (в течение пуска) измеряют сигнал датчика угла гироскопа. За это время ротор 4 получает объемный заряд. After weighing, the position of the rotor 4 relative to the electrodes 3 is regulated by the suspension control system 6. Next, turn on the acceleration system 11, spin the rotor 4 to an operating speed. The damping system 12 is turned on, nutation oscillations of the rotor 4 are damped. After the nutation oscillations are damped for a predetermined period of time (during start-up), the gyro angle sensor signal is measured. During this time, the rotor 4 receives a space charge.

При выключении прибора осуществляют сначала торможение ротора 4. Далее выключают подвес. При выключении высоковольтного источника 7 происходит плавное уменьшение напряжения на электродах 3 (плавное уменьшение зазора между заряженным ротором 4 и упорами 9). При достижении напряженностью критического значения (перед самым касанием ротора 4 упоров 9) происходит пробой зазора. Ток разрядки за счет включения в цепь резистором R мал. В идеальном случае при R, равном бесконечности, значение тока становится равным нулю. Повреждения поверхности не происходит. Надежность работы гироскопа повышается. When the device is turned off, the rotor 4 is first braked. Next, the suspension is turned off. When turning off the high-voltage source 7, a gradual decrease in voltage at the electrodes 3 occurs (a gradual decrease in the gap between the charged rotor 4 and the stops 9). When the tension reaches a critical value (just before the rotor touches 4 stops 9), a gap breakdown occurs. The discharge current due to the inclusion of resistor R in the circuit is small. In the ideal case, with R equal to infinity, the current value becomes equal to zero. Damage to the surface does not occur. The reliability of the gyro is increased.

Точность работы гироскопа повышается также за счет повышения точности измерения емкости. Точность повышается за счет исключения (уменьшения) влияния паразитных емкостей между корпусом и электродами. The accuracy of the gyroscope is also increased by increasing the accuracy of measuring capacitance. Accuracy is improved by eliminating (decreasing) the influence of stray capacitances between the housing and the electrodes.

Таким образом, в результате реализации предлагаемого технического решения точность и надежность гироскопа повышается. Точность повышается за счет уменьшения (исключения) заряда ротора при его взвешивании в подвесе и за счет повышения точности измерения емкости между ротором и электродами при регулировании подвеса, повышения точности регулирования подвеса. Надежность повышается за счет уменьшения вероятности повреждения поверхности ротора от воздействия тока при разряде ротора (уменьшения тока разряда). Поставленная задача решена. Thus, as a result of the implementation of the proposed technical solution, the accuracy and reliability of the gyro increases. The accuracy is increased by reducing (eliminating) the rotor charge when it is weighed in the suspension and by increasing the accuracy of measuring the capacitance between the rotor and the electrodes when adjusting the suspension, and increasing the accuracy of the suspension regulation. Reliability is increased by reducing the likelihood of damage to the surface of the rotor from the action of current during a discharge of the rotor (decrease in discharge current). The problem is solved.

На предприятии ЦНИИ "Электроприбор" предлагаемое техническое решение реализовано. При испытаниях получены положительные результаты. В настоящее время разрабатывается техническая документация для его применения при производстве электростатических гироскопов. At the TsNII Elektribribor enterprise, the proposed technical solution has been implemented. During the tests, positive results were obtained. Currently, technical documentation is being developed for its use in the production of electrostatic gyroscopes.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности и надежности электростатического гироскопа со сферическим ротором и, следовательно, точности и надежности систем, в которых он применяется. The technical and economic efficiency of the invention consists in increasing the accuracy and reliability of an electrostatic gyroscope with a spherical rotor and, therefore, the accuracy and reliability of the systems in which it is used.

Claims

An electrostatic gyroscope containing a sealed housing made of conductive material, a spherical rotor, an electrostatic suspension of the rotor, including a system of electrodes isolated from the housing, a control system for the position of the rotor relative to the electrodes and a high voltage voltage source, the terminal with zero potential of which is connected to the housing, conductive limit stops, mounted on the inner surface of the housing, connected to each other by an electrical conductor and connected to the housing A system for acquiring information about the angular position of the rotor relative to the housing, including a pattern printed on the surface of the rotor, and optical sensors, a system for accelerating the rotor, a system for damping angular oscillations of the rotor, characterized in that the limit stops are installed on the inner surface of the sealed housing through an electrical insulator, and The stops are connected to the housing through a resistor R, the value of which is determined from the ratio R> T / C, where C is the value of the capacitance between the electrodes and the gyro rotor, T is BP volume from the moment the high-voltage source is turned on until the rotor comes off the stops.