RU2445575C2 - Sensitive element of vibration coriolis gyroscope - Google Patents
Sensitive element of vibration coriolis gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2445575C2 RU2445575C2 RU2008125253/28A RU2008125253A RU2445575C2 RU 2445575 C2 RU2445575 C2 RU 2445575C2 RU 2008125253/28 A RU2008125253/28 A RU 2008125253/28A RU 2008125253 A RU2008125253 A RU 2008125253A RU 2445575 C2 RU2445575 C2 RU 2445575C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylinder
- piezoelectric elements
- gyroscope
- sensitive element
- resonator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам гироскопопической техники и может быть использовано в качестве волнового резонатора.The invention relates to devices for gyroscopic technology and can be used as a wave resonator.
Известен волновой гироскоп (патент Украины №22153), в котором резонатор выполнен в виде тонкостенной цилиндрической оболочки с днищем и узлом крепления оболочки к основанию по ее оси.Known wave gyroscope (Ukrainian patent No. 22153), in which the resonator is made in the form of a thin-walled cylindrical shell with a bottom and a node for attaching the shell to the base along its axis.
В данном устройстве, на свободной кромке резонатора, по его боковой поверхности по окружности расположены восемь пьезоэлектрических элементов, предназначенных для возбуждения упругих стоячих волн в резонаторе и для съема полученного сигнала.In this device, on the free edge of the resonator, along its lateral surface around the circumference are eight piezoelectric elements designed to excite elastic standing waves in the resonator and to pick up the received signal.
Переменный сигнал возбуждения с частотой, близкой к частоте основной собственной формы колебаний резонатора, подается на два диаметрально противоположных пьезоэлектрических элемента, деформации изгиба которых вызывают радиальные колебания оболочки резонатора и приводят к возникновению в резонаторе упругой стоячей волны.An alternating excitation signal with a frequency close to the frequency of the fundamental eigenmodes of the resonator is applied to two diametrically opposite piezoelectric elements, the bending deformations of which cause radial vibrations of the resonator shell and lead to the appearance of an elastic standing wave in the resonator.
При вращении резонатора вокруг оси с угловой скоростью Ω появляются Кориолисовы силы, за счет которых в узлах возникают радиальные колебания, амплитуда которых пропорциональна угловой скорости Ω.When the resonator rotates around the axis with an angular velocity Ω, Coriolis forces appear, due to which radial oscillations arise in the nodes, the amplitude of which is proportional to the angular velocity Ω.
Кориолисовы силы смещают стоячую волну с ее пучностями и узлами по окружности, что вызывает изменение сигналов пьезоэлектрических элементов, размещенных в узлах, при этом сигналы пропорциональны угловой скорости Ω.Coriolis forces displace a standing wave with its antinodes and nodes around the circumference, which causes a change in the signals of the piezoelectric elements located in the nodes, while the signals are proportional to the angular velocity Ω.
К недостаткам данного резонатора относятся:The disadvantages of this resonator include:
1) размещение пьезоэлектрических элементов возле свободной кромки резонатора способствует демпфированию стоячей волны, что ведет к уменьшению его добротности, снижению масштабного коэффициента гироскопа и его чувствительности;1) the placement of the piezoelectric elements near the free edge of the resonator contributes to the damping of the standing wave, which leads to a decrease in its quality factor, a decrease in the scale factor of the gyroscope and its sensitivity;
2) приклеивание пьезоэлектрических элементов создает неравномерное распределение жесткости по окружности резонатора, вследствие чего оси упругой волны не совпадают с осями расположения пьезоэлектрических элементов, что ведет к нелинейности масштабного коэффициента гироскопа и снижению его чувствительности, в особенности - к малым угловым скоростям вращения.2) gluing the piezoelectric elements creates an uneven distribution of stiffness around the circumference of the resonator, as a result of which the axes of the elastic wave do not coincide with the axes of arrangement of the piezoelectric elements, which leads to nonlinearity of the scale factor of the gyroscope and a decrease in its sensitivity, in particular to low angular rotational speeds.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является чувствительный элемент вибрационного гироскопа (патент США №4644793), выполненный в виде цилиндрического стакана, жестко установленного на упругой плоской пластине, соединенной с керамическим диском, на котором расположена система электродов.The closest analogue of the claimed device is a sensitive element of a vibrating gyroscope (US patent No. 4644793), made in the form of a cylindrical glass, rigidly mounted on an elastic flat plate connected to a ceramic disk on which the electrode system is located.
Деформации изгиба мембраны при подаче на нее переменного сигнала возбуждения передаются на цилиндрический стакан и вызывают его радиальные колебания вокруг оси, при этом узловые точки радиальных колебаний перемещаются по окружности стакана благодаря воздействию сил Кориолиса.The bending deformations of the membrane when an alternating excitation signal is applied to it are transmitted to the cylindrical cup and cause its radial vibrations around the axis, while the nodal points of radial vibrations move around the circumference of the cup due to the action of Coriolis forces.
Смещения узловых точек передаются мембране, на которой расположены датчики перемещения, регистрирующие данные смещения.The displacements of the nodal points are transmitted to the membrane on which the displacement sensors that record the displacement data are located.
Недостатками данного устройства являются:The disadvantages of this device are:
1) наличие в составе чувствительного элемента мембраны, которая защемлена по наружному контуру и нагружена цилиндрическим стаканом, связанным с ней по ее внутреннему контуру, приводит к тому, что в случае возникновения неинерционных воздействий (вибрации, удары) возможно появление мембранных форм колебаний, частоты которых могут совпадать, или быть близкими, с основной частотой колебаний цилиндрического стакана, а это, в свою очередь, ограничивает чувствительность гироскопа при его работе и приводит к существенным ошибкам измерения;1) the presence in the composition of the sensing element of the membrane, which is clamped along the outer contour and loaded with a cylindrical cup connected with it along its inner contour, leads to the fact that in the event of non-inertial influences (vibration, shock), membrane forms of vibrations may occur, the frequencies of which can coincide, or be close, with the main oscillation frequency of the cylindrical glass, and this, in turn, limits the sensitivity of the gyroscope during its operation and leads to significant measurement errors;
2) установка датчиков перемещения на мембране способствует несовпадению осей стоячей волны с осями расположения упомянутых датчиков, что также снижает чувствительность гироскопа и точность измерения угловой скорости Ω.2) the installation of displacement sensors on the membrane contributes to the mismatch of the axes of the standing wave with the axes of location of the mentioned sensors, which also reduces the sensitivity of the gyroscope and the accuracy of measuring the angular velocity Ω.
Задачей заявляемого решения является повышение чувствительности и точности гироскопа путем разработки новой конструкции чувствительного элемента и мест размещения пьезоэлектрических элементов, а также упрощения его механической балансировки.The objective of the proposed solution is to increase the sensitivity and accuracy of the gyroscope by developing a new design of the sensitive element and the location of the piezoelectric elements, as well as simplifying its mechanical balancing.
Поставленная задача решается тем, что в чувствительном элементе вибрационного кориолисова гироскопа, содержащем тонкостенный цилиндр с днищем, элемент его крепления к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения и съема сигнала, цилиндр выполняют с утолщенной верхней частью - кольцевым резонатором, днище цилиндра разбивают на сектора посредством множества пазов, расположенных главным образом симметрично и главным образом радиально по окружности от ее центра до периферийной части днища цилиндра, при этом внутри каждого сектора выполняют паз с возможностью размещения в нем множества пьезоэлектрических элементов возбуждения и съема сигнала, пазы выполняют с наружной или внутренней стороны днища, и дополнительно, пазы, образующие сектора, располагают (продлевают) на часть боковой поверхности цилиндра резонатора.The problem is solved in that in a sensitive element of a vibrating Coriolis gyroscope containing a thin-walled cylinder with a bottom, an element for attaching it to the base of the gyroscope and piezoelectric elements for exciting and picking up a signal, the cylinder is made with a thickened upper part - a ring resonator, the cylinder bottom is divided into sectors by means of many grooves located mainly symmetrically and mainly radially around the circumference from its center to the peripheral part of the bottom of the cylinder, while inside each th sector operate groove to be positioned therein a plurality of piezoelectric elements excitation and pickoff signal slots operate with the outer or inner side of the bottom, and further, the grooves forming sector, a (extend) on a side surface portion of the cylinder cavity.
Предложенная конструкция чувствительного элемента позволяет достичь более точного совпадения осей упругой волны с осями расположения пьезоэлектрических элементов (системой координат, связанной с пьезоэлектрическими элементами), что ведет к упрощению контура коррекции стоячей волной и к повышению чувствительности и точности гироскопа.The proposed design of the sensitive element makes it possible to achieve a more exact coincidence of the axes of the elastic wave with the axes of location of the piezoelectric elements (coordinate system associated with the piezoelectric elements), which simplifies the correction circuit of the standing wave and increases the sensitivity and accuracy of the gyroscope.
Возможна механическая балансировка резонатора за счет уменьшения жесткости по осям упругого подвеса, так как дебалансируемую массу можно снимать в области пазов, меняя ширину паза (изменением жесткости секторов можно компенсировать массовый дебаланс кольцевого резонатора).Mechanical balancing of the resonator is possible by reducing stiffness along the axes of the elastic suspension, since the unbalanced mass can be removed in the groove region by changing the groove width (by changing the stiffness of the sectors, the mass unbalance of the ring resonator can be compensated).
Заявляемое решение иллюстрируется чертежами:The claimed solution is illustrated by the drawings:
на фиг.1 представлена конструкция чувствительного элемента,figure 1 presents the design of the sensing element,
на фиг.2 показано сечение чувствительного элемента,figure 2 shows a cross section of the sensing element,
на фиг.3 представлен ввод и вывод электрических сигналов, подаваемых на пьезоэлектрические элементы и снимаемых с них,figure 3 presents the input and output of electrical signals supplied to the piezoelectric elements and removed from them,
на фиг.4 представлено распределение максимальных узловых перемещений чувствительного элемента при его вращении с угловой скоростью Ω со шкалой относительных перемещений.figure 4 shows the distribution of the maximum nodal displacements of the sensing element during its rotation with the angular velocity Ω with the relative displacement scale.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано следующим образом.The claimed technical solution can be implemented as follows.
Чувствительный элемент выполняют из тонкостенного цилиндра 1 с кольцевым резонатором 2, выполненным в виде цилиндрического обода длиной L с толщиной стенок H, и цилиндрического упругого подвеса 3, состоящего из части длиной l и толщиной стенок h и днища 4, разбитого на сектора 5 с помощью пазов 6 шириной b2.The sensitive element is made of a thin-walled cylinder 1 with an annular resonator 2, made in the form of a cylindrical rim of length L with wall thickness H, and a cylindrical elastic suspension 3, consisting of a part of length l and wall thickness h and bottom 4, divided into
Толщина стенок h упругого подвеса 3 меньше толщины стенок кольцевого резонатора 2, при этом средний радиус R0 разнотолщинного цилиндра 1 одинаков.The wall thickness h of the elastic suspension 3 is less than the wall thickness of the ring resonator 2, while the average radius R 0 of the different thickness cylinder 1 is the same.
Внутри каждого сектора 5 выполняют паз 7 шириной b1 для размещения в нем одного или нескольких пьезоэлектрических элементов 8 для возбуждения резонатора и съема сигнала.Inside each
На днище 4 внутри цилиндра 1 и соосно с ним располагают патрубок 9 с соосными отверстиями 10 и 11, используемый для упругого крепления чувствительного элемента к основанию.On the bottom 4, inside the cylinder 1 and coaxially with it, a pipe 9 with coaxial holes 10 and 11 is arranged, used for elastic fastening of the sensitive element to the base.
Патрубок 9 выполняют с отверстием радиуса r и с осесимметричной базовой поверхностью В, необходимой при изготовлении чувствительного элемента, и задающей его ось.The pipe 9 is made with a hole of radius r and with an axisymmetric base surface B, necessary in the manufacture of the sensing element, and defining its axis.
Чувствительный элемент соединяют с основанием при помощи патрубка 9 по конусной посадке, что позволяет центрировать чувствительный элемент относительно основания гироскопа.The sensing element is connected to the base using a pipe 9 in a conical fit, which allows you to center the sensitive element relative to the base of the gyroscope.
Пазы 7 могут быть размещены на обеих сторонах днища 4, а пазы 6, образующие сектора 5, могут располагаются на части боковой поверхности цилиндра 1, в области упругого подвеса 3.The
Предлагаемое устройство может быть использовано следующим образом.The proposed device can be used as follows.
От генераторного блока на диаметрально противоположные пьезоэлектрические элементы 8А и 8E подается управляющий сигнал в виде синусоидального напряжения Asin(ω0t), где ω0 - частота подачи переменного сигнала, равная (или близкая) к собственной частоте основной формы колебаний чувствительного элемента.From the generator block to the diametrically opposite piezoelectric elements 8A and 8E, a control signal is supplied in the form of a sinusoidal voltage Asin (ω 0 t), where ω 0 is the frequency of the alternating signal, equal to (or close to) the natural frequency of the main oscillation form of the sensitive element.
Вследствие изгибных деформаций днища 4 чувствительного элемента возникает изгибающий момент, который вызывает эллиптические деформации упругого подвеса 3 по второй форме колебаний, в результате чего в чувствительном элементе возбуждается стоячая волна с четырьмя узловыми областями, ориентированными вдоль пьезоэлектрических элементов 8A и 8E и 8G и 8С, и четырьмя узловыми областями, расположенными вдоль пьезоэлектрических элементов 8В и 8F и 8H и 8D.Due to the bending deformations of the bottom 4 of the sensing element, a bending moment occurs, which causes elliptical deformations of the elastic suspension 3 in the second mode of vibration, as a result of which a standing wave is excited in the sensing element with four nodal regions oriented along the piezoelectric elements 8A and 8E and 8G and 8C, and four nodal regions located along the
Съем сигнала производят с использованием пьезоэлектрических элементов 8G и 8С и 8H и 8D: первые из них используют для съема сигналов с пучностей стоячей волны, вторые - для съема сигналов с ее узлов.The signal is taken using piezoelectric elements 8G and 8C and 8H and 8D: the first of them are used to pick up signals from the antinodes of a standing wave, the second - to pick up signals from its nodes.
Так как пьезоэлектрические элементы 8 расположены симметрично по окружности, то возможно, что ось узлов и ось пучностей могут взаимно меняться.Since the piezoelectric elements 8 are arranged symmetrically around the circumference, it is possible that the axis of the nodes and the axis of the antinodes can mutually change.
При вращении гироскопа с колеблющимся чувствительным элементом вокруг его центральной оси с постоянной угловой скоростью Q возникают Кориолисовы силы, которые способствуют смещению узловых областей стоячей волны по окружности, в результате чего на пьезоэлектрических элементах 8B и 8F, расположенных в узлах, появляется сигнал, пропорциональный угловой скорости Ω, который поступает в блок для выработки сигнала компенсации инерциального смещения стоячей волны.When a gyroscope with an oscillating sensing element rotates around its central axis with a constant angular velocity Q, Coriolis forces arise that contribute to the displacement of the nodal regions of the standing wave around the circumference, as a result of which a signal proportional to the angular velocity appears on the
Сигнал компенсации выводится из блока электроники в качестве выходного сигнала, пропорционального измеряемой угловой скорости Ω.The compensation signal is output from the electronics unit as an output signal proportional to the measured angular velocity Ω.
При механической балансировке чувствительного элемента изменяют его массу путем изменения ширины пазов.With mechanical balancing of the sensitive element, its mass is changed by changing the width of the grooves.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008125253/28A RU2445575C2 (en) | 2008-06-24 | 2008-06-24 | Sensitive element of vibration coriolis gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008125253/28A RU2445575C2 (en) | 2008-06-24 | 2008-06-24 | Sensitive element of vibration coriolis gyroscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008125253A RU2008125253A (en) | 2009-12-27 |
| RU2445575C2 true RU2445575C2 (en) | 2012-03-20 |
Family
ID=41642510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008125253/28A RU2445575C2 (en) | 2008-06-24 | 2008-06-24 | Sensitive element of vibration coriolis gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2445575C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2544870C2 (en) * | 2013-05-21 | 2015-03-20 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | Solid-state wave gyroscope |
| RU2744820C1 (en) * | 2020-03-27 | 2021-03-16 | Иван Алексеевич Волчихин | Resonator of solid state wave gyroscope |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2521783C2 (en) * | 2012-01-13 | 2014-07-10 | Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" - ОАО "АПЗ" | Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU625164A1 (en) * | 1977-04-25 | 1978-09-25 | Предприятие П/Я М-5845 | Vibration-type angular speed sensor |
| US4644793A (en) * | 1984-09-07 | 1987-02-24 | The Marconi Company Limited | Vibrational gyroscope |
| RU2147117C1 (en) * | 1998-12-04 | 2000-03-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Медикон" | Method of balancing of hemispherical resonator of wave solid gyroscope |
| US6240781B1 (en) * | 1996-10-15 | 2001-06-05 | Ngk Insulators, Ltd. | Vibration gyro sensor |
| US6640630B1 (en) * | 1999-02-01 | 2003-11-04 | De Salaberry Bernard | Vibrating gyroscope |
| UA22153U (en) * | 2007-02-09 | 2007-04-10 | Ltd Liability Company Innalabs | Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration |
| UA79166C2 (en) * | 2005-05-31 | 2007-05-25 | Yurii Oleksiiovych Yatsenko | Detecting element of a vibratory gyroscope sensitive to coriolis acceleration |
-
2008
- 2008-06-24 RU RU2008125253/28A patent/RU2445575C2/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU625164A1 (en) * | 1977-04-25 | 1978-09-25 | Предприятие П/Я М-5845 | Vibration-type angular speed sensor |
| US4644793A (en) * | 1984-09-07 | 1987-02-24 | The Marconi Company Limited | Vibrational gyroscope |
| US6240781B1 (en) * | 1996-10-15 | 2001-06-05 | Ngk Insulators, Ltd. | Vibration gyro sensor |
| RU2147117C1 (en) * | 1998-12-04 | 2000-03-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Медикон" | Method of balancing of hemispherical resonator of wave solid gyroscope |
| US6640630B1 (en) * | 1999-02-01 | 2003-11-04 | De Salaberry Bernard | Vibrating gyroscope |
| UA79166C2 (en) * | 2005-05-31 | 2007-05-25 | Yurii Oleksiiovych Yatsenko | Detecting element of a vibratory gyroscope sensitive to coriolis acceleration |
| UA22153U (en) * | 2007-02-09 | 2007-04-10 | Ltd Liability Company Innalabs | Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2544870C2 (en) * | 2013-05-21 | 2015-03-20 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | Solid-state wave gyroscope |
| RU2744820C1 (en) * | 2020-03-27 | 2021-03-16 | Иван Алексеевич Волчихин | Resonator of solid state wave gyroscope |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008125253A (en) | 2009-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100594957B1 (en) | An angular rate sensor | |
| US5915276A (en) | Rate sensor | |
| UA79166C2 (en) | Detecting element of a vibratory gyroscope sensitive to coriolis acceleration | |
| US8011245B2 (en) | Sensing element of coriolis force gyroscope | |
| US5226321A (en) | Vibrating planar gyro | |
| KR101412877B1 (en) | Vibratory gyroscope with parasitic mode damping | |
| EP1425554B1 (en) | Vibratory gyroscopic rate sensor | |
| US20100154542A1 (en) | Sensing element of coriolis force gyroscope | |
| JP2001091264A (en) | Angular velocity detecitng gyro having high q-value | |
| KR20040031087A (en) | Vibratory gyroscopic rate sensor | |
| RU2445575C2 (en) | Sensitive element of vibration coriolis gyroscope | |
| US20190285415A1 (en) | Angular rate sensors | |
| RU151978U1 (en) | SENSITIVE ELEMENT OF A WAVE SOLID GYROSCOPE | |
| US20040118204A1 (en) | Vibratory gyroscopic rate sensor | |
| RU2453812C1 (en) | Integrated sensitive element of vibration gyroscope | |
| US20040118205A1 (en) | Vibratory gyroscopic rate sensor | |
| UA22153U (en) | Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration | |
| KR100258173B1 (en) | Resonance type micro gyroscope and method of manufacturing the same and method of measuring an angular velocity using the same | |
| RU2659097C2 (en) | Method of error compensation from angular acceleration of base for coriolis vibration gyroscope with continuous retrieval of navigational data | |
| CN117268360A (en) | High-quality factor annular gyroscope for compensating single crystal silicon directional stiffness error |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20121114 |