RU2662456C2 - Method of continuous retrieval of navigational information from coriolis vibration gyroscopes - Google Patents
Method of continuous retrieval of navigational information from coriolis vibration gyroscopes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662456C2 RU2662456C2 RU2016119457A RU2016119457A RU2662456C2 RU 2662456 C2 RU2662456 C2 RU 2662456C2 RU 2016119457 A RU2016119457 A RU 2016119457A RU 2016119457 A RU2016119457 A RU 2016119457A RU 2662456 C2 RU2662456 C2 RU 2662456C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- cvg
- base
- sensitivity
- angular velocity
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 14
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 36
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000010420 shell particle Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к кориолисовым вибрационным гироскопам, часто именуемым волновыми твердотельными гироскопами, с вибрирующей оболочкой вращения (резонатором) и применяемым для поучения инерциальной навигационной информации об угловой скорости объекта или углу его разворота.The invention relates to Coriolis vibrational gyroscopes, often referred to as wave solid-state gyroscopes, with a vibrating shell of revolution (resonator) and used to teach inertial navigation information about the angular velocity of an object or its rotation angle.
Уровень техникиState of the art
Кориолисов вибрационный гироскоп является одним из наиболее перспективных приборов, предназначенных для определения угловой скорости вращения объекта, с точки зрения потребительского соотношения цены к точности получаемой инерциальной информации.Coriolis vibratory gyroscope is one of the most promising instruments designed to determine the angular velocity of rotation of an object, from the point of view of the consumer ratio of price to accuracy of inertial information.
В общем случае чувствительным элементом КВГ является резонатор, закрепленный в приборе. Конструктивно, резонатор КВГ представляет из себя оболочку из какого-либо материала, чаще всего из металла или плавленого кварца. В литературе известны конструкции кольцевых, цилиндрических, полусферических и конических резонаторов КВГ. На практике, в настоящее время, большинство приборов имеют чувствительный элемент, выполненный в виде полусферы, сделанной из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь (высокой добротностью) при колебаниях, и закрепленной на круглом стержне. Причем такой резонатор может быть полностью изготовлен из одного монокристалла или представлять собой составное изделие, соединение элементов которого (полусферической оболочки и ножки) осуществляется с помощью, например, клея [например, патентные документы ЕР №1722193, G01C 19/56, 2006 г.; GB №2154739, G01C 19/58, 1995 г.; GB №2310284, G01C 19/56, 1996 г.; RU №2251076, G01C 19/56, G01P 9/04, 2005 г.].In the General case, the sensitive element of the SHG is a resonator mounted in the device. Structurally, the CVG resonator is a shell of some material, most often of metal or fused silica. Designs of circular, cylindrical, hemispherical, and conical KBR resonators are known in the literature. In practice, at present, most devices have a sensitive element made in the form of a hemisphere made of fused silica, sapphire or other material with a low loss coefficient (high quality factor) during oscillations, and mounted on a round rod. Moreover, such a resonator can be completely made of one single crystal or be a composite product, the connection of the elements of which (hemispherical shell and legs) is carried out using, for example, glue [for example, patent documents EP No. 1722193, G01C 19/56, 2006; GB No. 2154739, G01C 19/58, 1995; GB No. 2310284, G01C 19/56, 1996; RU No. 2251076, G01C 19/56, G01P 9/04, 2005].
Источником инерциальной информации обычно полагается изменение волновой картины колебаний осесимметричного резонатора (кольцевого, цилиндрического, полусферического). При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний резонатора, т.е. при отключенном возбуждении резонатора. Полагается, что вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот волновой картины (волны упругих колебаний) на меньший, но известный угол, то есть упругая волна, как целое, прецессирует. Таким образом, кориолисовы вибрационные гироскопы могут использоваться в качестве датчиков угла поворота объекта или датчика угловой скорости поворота объекта. Коэффициент пропорциональности скорости прецессии стоячей волны к проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора - «масштабный коэффициент» - наряду с собственной частотой колебаний резонатора входит в число наиболее важных для изготовителя параметров системы.The source of inertial information is usually the change in the wave pattern of oscillations of an axisymmetric resonator (circular, cylindrical, hemispherical). In this case, measurements are made in the mode of free oscillations of the resonator, i.e. when the excitation of the resonator is turned off. It is believed that the rotation of the base on which the resonator is mounted causes the wave pattern (waves of elastic vibrations) to rotate by a smaller, but known angle, that is, the elastic wave as a whole precesses. Thus, Coriolis vibration gyroscopes can be used as sensors for the angle of rotation of an object or a sensor for the angular velocity of rotation of an object. The proportionality coefficient of the standing wave precession velocity to the projection of the angular velocity of rotation of the base onto the axis of symmetry of the resonator — the “scale factor” - is, along with the natural frequency of oscillations of the resonator, one of the most important system parameters for the manufacturer.
С точки зрения использования волновых свойств КВГ известны и способы закрепления резонатора: 1) оба края жестко заделаны; 2) один край жестко заделан, второй свободен [Меркурьев И.В. Динамика гироскопических чувствительных элементов систем ориентации и навигации малых космических аппаратов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 2008 г.].From the point of view of using the wave properties of CVG, methods for fixing the resonator are also known: 1) both edges are rigidly sealed; 2) one edge is rigidly fixed, the second is free [I. Merkuryev Dynamics of gyroscopic sensitive elements of orientation and navigation systems of small spacecraft. Abstract of dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences, M., 2008].
Однако при таком подходе к происходящим в резонаторе КВГ динамическим процессам все известные конструкции КВГ имеют заведомо трудно устранимые погрешности получения высокоточной навигационной информации и, одновременно, существенно малый динамический диапазон измеряемых угловых скоростей.However, with this approach to the dynamic processes occurring in the CVG cavity, all known CVG designs have deliberately difficult to eliminate errors in obtaining high-precision navigation information and, at the same time, a substantially small dynamic range of measured angular velocities.
Причиной данных фактов служит то, что в известных конструкциях КВГ принимается во внимание только волновые свойства резонатора в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности резонатора, и игнорируются (не учитываются) вибрационные свойства резонатора, вызывающие, например, движение материальных частиц резонатора параллельно оси чувствительности КВГ [RU №2193753, G01C 19/56, 2002 г.].The reason for these facts is that in the known CVG designs, only the wave properties of the resonator in the plane perpendicular to the axis of sensitivity of the resonator are taken into account, and the vibrational properties of the resonator are ignored (not taken into account), causing, for example, the movement of material particles of the resonator parallel to the axis of sensitivity of the CVG [RU No. 2193753, G01C 19/56, 2002].
Игнорирование движения кромки резонатора параллельно оси чувствительности КВГ приводит к невозможности учета корилосовых сил инерции, возникающих от угловых скоростей основания (объекта) по перекрестным осям (угловых скоростей основания по осям, перпендикулярным оси чувствительности КВГ), т.к. возникающий от этого эффект (деформации оболочки резонатора) нельзя учесть и отличить от подобного эффекта под действием линейных ускорений по перекрестным осям.Ignoring the movement of the resonator edge parallel to the KVG sensitivity axis makes it impossible to take into account the corilos inertia forces arising from the angular velocities of the base (object) along the cross axes (the angular velocities of the base along the axes perpendicular to the KVG sensitivity axis), because the effect arising from this (deformation of the resonator shell) cannot be taken into account and distinguished from a similar effect under the action of linear accelerations along the cross axes.
К аналогичным эффектам приводит игнорирование тангенциального движения частиц оболочки любого резонатора, вызываемое кориолисовыми силами инерции, от колебательного движения частиц резонатора в плоскости, перпендикулярной оси чувствительности КВГ.Similar effects are ignored by the tangential motion of the shell particles of any resonator caused by the Coriolis inertia forces from the oscillatory motion of the resonator particles in a plane perpendicular to the sensitivity axis of the SHG.
Попытка учета величины движением кромки резонатора параллельно оси его чувствительности [как в RU №2193753, G01C19/56, 2002 г.] не может дать полноценного эффекта, т.к. такие движения материальных частиц резонатора могут вызываться как угловыми скоростями основания по перекрестным осям, так и линейными ускорениями относительно всех осей основания. В такой ситуации разделить влияние данных факторов только учетом перемещения кромки резонатора физически невозможно.An attempt to take into account the magnitude by moving the cavity edge parallel to its sensitivity axis [as in RU No. 2193753, G01C19 / 56, 2002] cannot give a full-fledged effect, because such movements of the material particles of the resonator can be caused by both the angular velocities of the base along the cross axes and linear accelerations relative to all the axes of the base. In such a situation, it is physically impossible to separate the influence of these factors only taking into account the movement of the cavity edge.
При консольном креплении резонатора КВГ материальные частицы резонатора КВГ движутся перпендикулярно оси чувствительности и, одновременно, параллельно ей, а также, одновременно, имеют тангенциальное движение относительно кромки резонатора. Если оба края резонатора жестко заделаны, то практически отсутствует движение материальной точки резонатора только вдоль оси чувствительности КВГ. Упомянутым способам крепления резонатора КВГ присущи большие угловые жесткости резонатора относительно его оси чувствительности при относительно малых моментах кориолисовых сил инерции относительно этой же оси, что приводит к малому динамическому диапазону измеряемых угловых скоростей. Но, при этом резонатор КВГ всегда будет реагировать на угловые скорости основания по перекрестным осям, из-за кориолисовых инерционных сил, ввиду малой угловой жесткости крепления резонатора в любой плоскости, проходящей через ось чувствительности, т.е. в снимаемой с КВГ навигационной информации всегда будет присутствовать неизвестная погрешность от перекрестных угловых скоростей и линейных ускорений, что приводит к принципиальной невозможности изготовления высокоточного КВГ, на основе известных способов крепления его резонатора.During cantilever mounting of the CVG resonator, the material particles of the CVG resonator move perpendicular to the sensitivity axis and, simultaneously, parallel to it, and also, have a tangential motion relative to the edge of the resonator. If both edges of the resonator are rigidly sealed, then there is practically no movement of the material point of the resonator only along the axis of sensitivity of the SHG. The mentioned methods of fastening the CVG resonator are characterized by large angular stiffnesses of the resonator relative to its sensitivity axis for relatively small moments of Coriolis inertia forces relative to the same axis, which leads to a small dynamic range of measured angular velocities. But, at the same time, the CVG resonator will always respond to the angular velocity of the base along the cross axes, due to Coriolis inertial forces, due to the small angular stiffness of the cavity mounting in any plane passing through the sensitivity axis, i.e. In the navigation information taken from the CVG, there will always be an unknown error from cross angular velocities and linear accelerations, which leads to the fundamental impossibility of manufacturing high-precision CVG, based on the known methods of attaching its resonator.
Из этого следует, что известные конструктивные схемы КВГ (ТВГ) всегда и в разной степени реагируют на угловые скорости основания по всем трем осям объекта. Поэтому принципиально невозможно получить с известных конструкций КВГ навигационную информацию об угловой скорости основания, относительно оси чувствительности КВГ, которая не содержала бы неизвестные погрешности от угловых скоростей и линейных ускорений по перекрестным осям КВГ.It follows from this that the well-known structural schemes of CVG (TWG) always and to varying degrees respond to the angular velocity of the base along all three axes of the object. Therefore, it is fundamentally impossible to obtain navigation information about the angular velocity of the base relative to the axis of sensitivity of the CVG, which would not contain unknown errors from the angular velocities and linear accelerations along the cross-axis of the CVG, from the known KVG designs.
Такие свойства известных конструкций КВГ (ТВГ) определяются тем, что угловая жесткость крепления резонатора известных КВГ, относительно оси чувствительности, значительно больше угловой жесткости резонатора в любой плоскости, проходящей через ось чувствительности резонатора.Such properties of the known CVG (TWG) constructions are determined by the fact that the angular rigidity of the mounting of the resonator of the known CVG, relative to the sensitivity axis, is significantly greater than the angular rigidity of the resonator in any plane passing through the axis of sensitivity of the resonator.
Поэтому инерционные кориолисовы силы действующие на оболочку резонатора КВГ практически не учитываются, из-за большой угловой жесткости крепления резонатора относительно оси чувствительности КВГ, что приводит к неконтролируемым погрешностям КВГ, из-за относительно малой угловой жесткости резонатора в плоскости, проходящей через ось чувствительности.Therefore, the inertial Coriolis forces acting on the shell of the CVG resonator are practically not taken into account, because of the large angular rigidity of the cavity mounting relative to the sensitivity axis of the CVG, which leads to uncontrolled errors of the CVG, because of the relatively small angular rigidity of the resonator in the plane passing through the sensitivity axis.
В результате, колебательные (вибрационные) свойства известных конструкций КВГ приводят к неконтролируемым погрешностям в навигационной информации.As a result, the vibrational (vibrational) properties of the well-known CVG designs lead to uncontrolled errors in navigation information.
Известны патенты [UA №22153, G01C 19/56, 2007 г., UA №79166, G01C 19/56, 2007 г.], в которых чувствительный элемент вибрационного гироскопа содержит цилиндрический резонатор из упругого материала, состоящий из 2-х частей - цилиндрического обода и цилиндрической гнутой части с днищем, которая выполняет роль упругого подвеса. Толщина стенки цилиндрического упругого подвеса меньше по сравнению с толщиной стенки цилиндрического обода.Known patents [UA No. 22153, G01C 19/56, 2007, UA No. 79166, G01C 19/56, 2007], in which the sensitive element of the vibrating gyroscope contains a cylindrical resonator of elastic material, consisting of 2 parts - a cylindrical rim and a cylindrical bent part with a bottom, which acts as an elastic suspension. The wall thickness of the cylindrical elastic suspension is less than the wall thickness of the cylindrical rim.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является чувствительный элемент, содержащий резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с основанием. При помощи основания резонатор крепится к другим частям КВГ. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)].Closest to the proposed invention is a sensitive element containing a resonator made in the form of a thin-walled metal cylinder with a base. Using the base, the resonator is attached to other parts of the CVG. The edge of a thin-walled cylinder at the opposite end serves as the working part of the resonator [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // US Patent, NCI 74-5.6 No. 4793195 (1988)].
Основные недостатки данного чувствительного элемента КВГ те же, что и у всех КВГ, с консольно закрепленным резонатором, и которые уже описаны выше. Именно по указанным причинам КВГ относятся, по настоящее время, к датчикам угловой скорости средней точности.The main disadvantages of this KBG sensing element are the same as all KBGs, with a cantilever-mounted resonator, and which are already described above. It is for these reasons that CVGs, to date, relate to angular velocity sensors of medium accuracy.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Для устранения этих недостатков КВГ и направлено данное изобретение.To eliminate these shortcomings of CVG, this invention is directed.
Предлагаемый способ крепления резонатора КВГ обеспечивает угловую жесткость резонатора относительно его оси чувствительности, значительно меньшую, чем угловая жесткость резонатора в любой плоскости, проходящей через его ось чувствительности. Одновременно, в предлагаемой конструкция КВГ разделены канал возбуждения колебаний резонатора от канала съема навигационной информации, об угловой скорости основания относительно оси чувствительности.The proposed method of fastening the CVG resonator provides the angular stiffness of the resonator relative to its sensitivity axis, significantly less than the angular stiffness of the resonator in any plane passing through its sensitivity axis. At the same time, in the proposed design of the CVG, the resonator vibration excitation channel is separated from the navigation information acquisition channel, about the angular velocity of the base relative to the sensitivity axis.
Такая конструкция использует вибрационные (колебательные) свойства резонатора КВГ, не в ущерб его волновым свойствам. Одновременно появляется возможность выбирать размеры резонатора и элементов его крепления с учетом прочностных свойств материала резонатора и реально возможных динамических характеристиках движения основания (линейных ускорений, угловых ускорений и скоростей и др.).This design uses the vibrational (vibrational) properties of the CVG resonator, without prejudice to its wave properties. At the same time, it becomes possible to choose the dimensions of the resonator and its fastening elements, taking into account the strength properties of the resonator material and the really possible dynamic characteristics of the base motion (linear accelerations, angular accelerations and speeds, etc.).
Техническим результатом изобретения является учет колебательных (вибрационных) свойств резонатора, исключение движения материальных частиц резонатора параллельно оси чувствительности, соответственно исключение динамических эффектов от перекрестных угловых скоростей, реализация канала возбуждения колебаний резонатора независимо от канала съема навигационной информации что, в совокупности, обеспечивает существенно меньший уход (повышенную точность) КВГ и увеличенный динамический диапазон измерения угловых скоростей.The technical result of the invention is to take into account the vibrational (vibrational) properties of the resonator, exclude the movement of material particles of the resonator parallel to the sensitivity axis, respectively, exclude dynamic effects from cross angular velocities, implement a resonator vibration excitation channel regardless of the navigation information acquisition channel, which, in aggregate, provides significantly less care (increased accuracy) CVG and increased dynamic range of measurement of angular velocities.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Конструкция предлагаемого КВГ отличается способом креплением резонатора с помощью торсионов, закрепленных одним концом на узловых линиях колебаний оболочки резонатора, что исключает искажения формы колебаний резонатора, вызываемые обычно применяемыми способами крепления резонатора. Выбор формы и поперечного сечения торсионов, например в виде тонких пластин, позволяет учесть колебательные (вибрационные) свойства резонатора, для чего торсионы обеспечивают малую угловую жесткость подвеса резонатора относительно оси чувствительности и существенно большую угловую жесткость подвеса резонатора в любой плоскости, проходящей через ось чувствительности.The design of the proposed CVG is distinguished by the method of attaching the resonator using torsion bars fixed at one end to the nodal lines of oscillation of the resonator shell, which eliminates distortion of the resonator vibration form caused by commonly used methods of attaching the resonator. The choice of the shape and cross section of the torsion bars, for example in the form of thin plates, allows one to take into account the vibrational (vibrational) properties of the resonator, for which the torsion bars provide a low angular rigidity of the resonator suspension relative to the sensitivity axis and a significantly larger angular rigidity of the resonator suspension in any plane passing through the sensitivity axis.
Такой способ крепления резонатора исключает неконтролируемые ошибки навигационной информации, от угловых скоростей основания по перекрестным осям и от линейных ускорений по всем осям основания, что способствует повышению точности навигационной информации, снимаемой с такого КВГ и увеличению динамического диапазона измерения угловых скоростей.This method of attaching the resonator eliminates uncontrolled errors in navigation information from the angular velocities of the base along the cross axes and from linear accelerations along all axes of the base, which helps to increase the accuracy of the navigation information taken from such SHG and increase the dynamic range of measurement of angular velocities.
Т.е. КВГ предлагаемой конструкции действительно является однокомпонентным датчиком угловой скорости основания, в отличие от известных конструкций КВГ.Those. The CVG of the proposed design is indeed a one-component sensor of the angular velocity of the base, in contrast to the known CVG designs.
Предлагаемое изобретение, в частности, содержит резонатор в виде цилиндрической оболочки, прикрепленный к основанию плоскими торсионами, одним концом закрепленных на узловых линиях колебаний резонатора, и основание, снабженное средствами детектирования и возбуждения, взаимодействующими с резонатором и торсионами, отличающийся тем, что средства возбуждения взаимодействуют с резонатором, а средства детектирования взаимодействуют с торсионами.The present invention, in particular, contains a cylindrical-shell resonator attached to the base by flat torsions, one end fixed to the node oscillation lines of the resonator, and a base equipped with detection and excitation means interacting with the resonator and torsion bars, characterized in that the excitation means interact with a resonator, and the means of detection interact with torsions.
Согласно одному из вариантов выполнения изобретения целесообразно, чтобы данные средства включали детекторы и измерительные преобразователи, которые могут размещаться на основании, в плоскости вибрации резонатора, которая (плоскость) расположена ортогонально (под прямым углом) к оси чувствительности КВГ.According to one embodiment of the invention, it is advisable that these means include detectors and measuring transducers, which can be placed on the base, in the plane of vibration of the resonator, which (the plane) is located orthogonally (at right angles) to the sensitivity axis of the SHG.
Детекторы и/или измерительные преобразователи могут иметь любую известную различную конструкцию. Они могут содержать электроды, взаимодействующие с резонатором, для получения емкостных измерительных преобразователей возбуждения колебаний, и электроды, взаимодействующие с торсионами, для получения емкостных измерительных преобразователей для создания компенсирующего момента относительно оси чувствительности КВГ. Кроме того, детекторы и/или измерительные преобразователи могут быть иного, а не электростатического типа.Detectors and / or transducers may have any known various design. They may contain electrodes interacting with the resonator to obtain capacitive measuring transducers of excitation of oscillations, and electrodes interacting with torsions to obtain capacitive measuring transducers to create a compensating moment relative to the sensitivity axis of the SHG. In addition, the detectors and / or transducers may be of a different, rather than electrostatic type.
Целесообразно предусмотреть, конструктивно и технологически, соосность сопряжения резонатора с ответной частью основания, выполненного из того же материала, имеющего такой же коэффициент теплового линейного расширения, что и резонатор, с тем, чтобы обеспечить малую чувствительность датчика к температурным колебаниям.It is advisable to provide, structurally and technologically, the alignment of the resonator mating with the counterpart of the base made of the same material having the same coefficient of thermal linear expansion as the resonator, so as to ensure low sensitivity of the sensor to temperature fluctuations.
КВГ по предлагаемому изобретению имеет только радиальную составляющую смещения цилиндрического резонатора, для возбуждения вибрации, а тангенциальная составляющая смещения цилиндрического резонатора парируется емкостными измерительными преобразователями на торсионах для создания компенсирующего (измерительного) момента относительно оси чувствительности КВГ.The CVG according to the invention has only the radial component of the displacement of the cylindrical resonator to excite vibration, and the tangential component of the displacement of the cylindrical resonator is parried by capacitive transducers on the torsion bars to create a compensating (measuring) moment relative to the sensitivity axis of the CVG.
На практике, в нерабочем положении следует принимать межэлектродный зазор в пределах от 5 до 100 мкм, желательно в пределах от 5 до 20 мкм, то есть значения, которые гораздо легче соблюдать при наличии цилиндрических и плоских, обращенных друг к другу, поверхностей. Для сохранения приемлемых размеров обычно следует применять резонатор, имеющий собственную частоту менее 10 кГц. Целесообразно размещать резонатор в вакууме для уменьшения затухания колебаний его оболочки.In practice, in the inoperative position, an interelectrode gap of between 5 and 100 μm, preferably between 5 and 20 μm, i.e. values that are much easier to observe when there are cylindrical and flat facing each other, should be taken. To maintain an acceptable size, a resonator having a natural frequency of less than 10 kHz should usually be used. It is advisable to place the resonator in a vacuum to reduce the damping of oscillations of its shell.
Резонатор должен иметь постоянную толщину стенки. Толщина и высота цилиндрической оболочки могут быть увеличены с тем, чтобы увеличить чувствительность КВГ и увеличить активную поверхность электродов, устанавливаемых на основании. Целесообразно, чтобы размеры устанавливаемых на основании электродов превышали размер электродов на резонаторе и на торсионах, чтобы они выступали с каждого края и чтобы небольшое нарушение центровки не оказывало воздействия на измерение.The resonator must have a constant wall thickness. The thickness and height of the cylindrical shell can be increased in order to increase the sensitivity of the CVG and increase the active surface of the electrodes installed on the base. It is advisable that the dimensions of the electrodes mounted on the base exceed the size of the electrodes on the resonator and on the torsion bars, so that they protrude from each edge and that a slight misalignment does not affect the measurement.
Эффективность измерительных преобразователей и детекторов в первом приближении пропорциональна поверхности электродов, поделенной на межэлектродный зазор в квадрате. Из этого видно еще одно и существенное преимущество предлагаемого изобретения, которое позволяет значительно сократить межэлектродный зазор и увеличить поверхность электродов. Поскольку значение зазора берется в квадрате, то уменьшая зазор и увеличивая площадь электродов, значительно увеличивается эффективность измерительных преобразователей и детекторов.The efficiency of measuring transducers and detectors is, to a first approximation, proportional to the surface of the electrodes divided by the interelectrode gap squared. This shows another and significant advantage of the invention, which can significantly reduce the interelectrode gap and increase the surface of the electrodes. Since the gap value is taken in the square, reducing the gap and increasing the area of the electrodes, significantly increases the efficiency of the measuring transducers and detectors.
Предпочтительно выбирать механические характеристики резонатора таким образом, чтобы частота его собственных колебаний заключалась в пределах от 3 до 10 кГц, так как его кпд падает за пределами этого последнего значения. Амплитуду вибраций можно отрегулировать, чтобы иметь диапазон в пределах от 0,5 до 1 мкм. Резонатор следует заключать в корпус, в котором будет устанавливаться пониженное давление, на практике менее 10-3 миллибар с тем, чтобы снизить воздушное демпфирование.It is preferable to choose the mechanical characteristics of the resonator in such a way that the frequency of its natural oscillations is in the range from 3 to 10 kHz, since its efficiency falls outside this last value. The amplitude of the vibrations can be adjusted to have a range in the range from 0.5 to 1 μm. The resonator should be enclosed in a housing in which a reduced pressure will be installed, in practice less than 10 -3 mbar, in order to reduce air damping.
Предлагаемое изобретение может быть выполнено в нескольких вариантах в зависимости от способа закрепления торсионов к основанию.The present invention can be performed in several ways, depending on the method of fixing the torsion bars to the base.
В предлагаемом изобретении торсионы могут быть (например) выполнены плоскими и закреплены к основанию как с внутренней стороны резонатора, так и с внешней стороны или с обеих сторон. При таких креплениях торсионов измерительная часть КВГ, выполненная по следящей схеме (например, с использованием емкостных датчиков, включенных по дифференциальной схеме), обеспечивает неизменное (исходное) положение (относительно основания) как узловых линий колебаний резонатора (соответственно и самого резонатора), так и неизменное положение торсионов, путем приложения к торсионам сил (например, электростатических) соответствующего направления и величины.In the present invention, the torsion bars can be (for example) made flat and fixed to the base both on the inside of the resonator and on the outside or on both sides. With such fastenings of torsion bars, the measuring part of the CVG, made according to a follow-up circuit (for example, using capacitive sensors connected according to a differential circuit), provides a constant (initial) position (relative to the base) of both nodal oscillation lines of the resonator (respectively, of the resonator itself) and the constant position of the torsion bars by applying forces (for example, electrostatic) to the torsion bars of the corresponding direction and magnitude.
Варианты с прикреплением торсионов к резонатору с двух сторон (в плоскости резонатора) обладают дополнительными преимуществами, при необходимости обеспечить желаемый динамический диапазон измерения угловых скоростей и одновременного удовлетворения конструкции КВГ прочностным требованиям, вытекающим из динамических характеристик движения основания (прочностным требования по выдерживанию конструкцией КВГ перегрузок).The options for attaching torsion bars to the resonator on both sides (in the plane of the resonator) have additional advantages, if necessary, provide the desired dynamic range for measuring angular velocities and at the same time satisfy the KVG design with the strength requirements arising from the dynamic characteristics of the base motion (strength requirements for the KVG design to withstand overloads) .
При работе КВГ предлагаемой конструкции полностью исключаются влияния перекрестных угловых скоростей на цилиндрический резонатор КВГ из-за отсутствия (невозможности) движения элементов резонатора параллельно оси чувствительности, повышается чувствительность и увеличивается динамический диапазон измерения угловых скоростей КВГ (из-за малой угловой жесткости подвеса резонатора относительно оси чувствительности), что в совокупности уменьшает ошибки измерения угловой скорости основания и существенно улучшает его динамические характеристики.During operation of the CVG of the proposed design, the influence of cross angular velocities on the cylindrical CVG resonator is completely eliminated due to the absence (impossibility) of the movement of the resonator elements parallel to the sensitivity axis, the sensitivity increases and the dynamic range of measuring the CVG angular velocities increases (due to the low angular rigidity of the resonator suspension relative to the axis sensitivity), which together reduces the measurement errors of the angular velocity of the base and significantly improves its dynamic character eristiki.
Предложенная конструкция КВГ работает следующим образом.The proposed design of CVG works as follows.
Резонатор закрепляется на основании и с другими конструктивными частями КВГ одним из упомянутых выше способов. При работе в резонаторе возбуждают изгибные колебания, например, с помощью электростатического датчика. Резонатор, введенный в режим вибрации, обеспечивает наличие переменной линейной скорости материальных частиц резонатора с частотой, равной резонансной. В качестве рабочей используется эллиптическая мода колебаний (n=2) с частотой собственных колебаний резонатора. При вращении резонатора вокруг оси симметрии (оси чувствительности), относительно инерциального пространства, каждый индивидуально вибрирующий (колеблющийся) элемент массы кольцевого резонатора проявляет инерционную кориолисову силу, стремящуюся повернуть этот элемент массы резонатора относительно оси чувствительности.The resonator is fixed on the base and with other structural parts of the CVG using one of the above methods. When working in the resonator, bending vibrations are excited, for example, using an electrostatic sensor. The resonator, entered into vibration mode, provides a variable linear velocity of the material particles of the resonator with a frequency equal to the resonant. The elliptic mode of oscillations (n = 2) with the natural frequency of the resonator is used as the working mode. When the resonator rotates around the axis of symmetry (sensitivity axis), relative to the inertial space, each individually vibrating (oscillating) mass element of the ring resonator exhibits an inertial Coriolis force, which tends to rotate this resonator mass element relative to the sensitivity axis.
Результирующие (совокупные) кориолисовы силы инерции, действующие на все элементы массы кольцевого резонатора, стремятся повернуть резонатор относительно оси чувствительности в направлении, противоположном направлению угловой скорости основания. Измерительно-компенсационная система КВГ отслеживает неизменное положение линий узловых колебаний оболочки резонатора (или неизменное положение торсионов) с помощью емкостных датчиков, включенных (например) по дифференциальной схеме, и парирует возникающий момент инерционных кориолисовых сил противомоментом, прикладываемым к резонатору через торсионы, например, электростатическими датчиками. Величина противомомента, создаваемого измерительно-компенсационной системой КВГ, пропорциональна, через «масштабный коэффициент»», угловой скорости основания относительно оси чувствительности КВГ и имеет одинаковое с ней направление.The resulting (aggregate) Coriolis inertia forces acting on all mass elements of the ring resonator tend to rotate the resonator relative to the sensitivity axis in the direction opposite to the direction of the angular velocity of the base. The CVG measuring and compensation system monitors the constant position of the lines of nodal vibrations of the resonator shell (or the constant position of the torsion bars) using capacitive sensors switched on (for example) using a differential circuit, and counteracts the moment of inertial Coriolis forces with a moment applied to the resonator through torsion bars, for example, electrostatic sensors. The magnitude of the moment created by the KVG measuring and compensation system is proportional, through the "scale factor", to the angular velocity of the base relative to the KVG sensitivity axis and has the same direction with it.
Т.е. оболочка резонатора предложенной конструкции КВГ совершает колебания постоянной ориентации относительно осей основания, а информация об угловой скорости основания непрерывно снимается с измерительно-компенсационной системы и обрабатывается, с необходимой частотой, и, при необходимости, обрабатывается (например, цифровыми фильтрами) для дальнейшего использования (например, в БИНС).Those. The resonator shell of the proposed KBG design oscillates in a constant orientation with respect to the axes of the base, and information about the angular velocity of the base is continuously removed from the measuring and compensation system and processed, with the necessary frequency, and, if necessary, processed (for example, by digital filters) for further use (for example , in SINS).
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016119457A RU2662456C2 (en) | 2016-05-19 | 2016-05-19 | Method of continuous retrieval of navigational information from coriolis vibration gyroscopes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016119457A RU2662456C2 (en) | 2016-05-19 | 2016-05-19 | Method of continuous retrieval of navigational information from coriolis vibration gyroscopes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2662456C2 true RU2662456C2 (en) | 2018-07-26 |
Family
ID=62981743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016119457A RU2662456C2 (en) | 2016-05-19 | 2016-05-19 | Method of continuous retrieval of navigational information from coriolis vibration gyroscopes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2662456C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4793195A (en) * | 1986-10-20 | 1988-12-27 | Northrop Corporation | Vibrating cylinder gyroscope and method |
| US5383362A (en) * | 1993-02-01 | 1995-01-24 | General Motors Corporation | Control for vibratory gyroscope |
| UA97783C2 (en) * | 2011-08-31 | 2012-03-12 | Сергей Прокофьевич Маляров | Sensitive element of coriolis vibratory gyroscope |
| RU2528037C2 (en) * | 2008-10-20 | 2014-09-10 | Сагем Дефенс Секьюрите | Method and system for gyroscopic measurements with usage of vibration gyroscope |
| US9157739B1 (en) * | 2012-08-07 | 2015-10-13 | Innalabs Limited | Force-rebalance coriolis vibratory gyroscope |
-
2016
- 2016-05-19 RU RU2016119457A patent/RU2662456C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4793195A (en) * | 1986-10-20 | 1988-12-27 | Northrop Corporation | Vibrating cylinder gyroscope and method |
| US5383362A (en) * | 1993-02-01 | 1995-01-24 | General Motors Corporation | Control for vibratory gyroscope |
| RU2528037C2 (en) * | 2008-10-20 | 2014-09-10 | Сагем Дефенс Секьюрите | Method and system for gyroscopic measurements with usage of vibration gyroscope |
| UA97783C2 (en) * | 2011-08-31 | 2012-03-12 | Сергей Прокофьевич Маляров | Sensitive element of coriolis vibratory gyroscope |
| US9157739B1 (en) * | 2012-08-07 | 2015-10-13 | Innalabs Limited | Force-rebalance coriolis vibratory gyroscope |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6860151B2 (en) | Methods and systems for controlling movement within MEMS structures | |
| US5392650A (en) | Micromachined accelerometer gyroscope | |
| US5226321A (en) | Vibrating planar gyro | |
| US6629460B2 (en) | Isolated resonator gyroscope | |
| KR101178692B1 (en) | Coriolis gyro | |
| KR100539061B1 (en) | A two axis gyroscope | |
| US9476710B2 (en) | Axially symmetric Coriolis vibratory gyroscope (variants) | |
| US7004024B1 (en) | Horizontal and tuning fork vibratory microgyroscope | |
| US7155978B2 (en) | Micro angular rate sensor | |
| JP6514790B2 (en) | Gyroscope | |
| JPH10160483A (en) | Rate sensor | |
| JP3307906B2 (en) | Micro gyroscope | |
| KR20070094920A (en) | Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity | |
| JP6278604B2 (en) | Vibration gyro with bias correction function | |
| FI126070B (en) | Improved ring gyroscope design and gyroscope | |
| UA79166C2 (en) | Detecting element of a vibratory gyroscope sensitive to coriolis acceleration | |
| JP3307907B2 (en) | Micro gyroscope | |
| JP2000074673A (en) | Compound movement sensor | |
| RU109851U1 (en) | WAVE SOLID GYROSCOPE BASED ON THE SYSTEM OF RELATED RESONATORS USING THE STANDING WAVE EFFECT | |
| RU151978U1 (en) | SENSITIVE ELEMENT OF A WAVE SOLID GYROSCOPE | |
| RU2662456C2 (en) | Method of continuous retrieval of navigational information from coriolis vibration gyroscopes | |
| RU2659097C2 (en) | Method of error compensation from angular acceleration of base for coriolis vibration gyroscope with continuous retrieval of navigational data | |
| US20240053147A1 (en) | Vibrating gyrometer with planar structure | |
| KR100493149B1 (en) | Symmetrical Z-axis gyroscope and fabricating method thereof | |
| RU2234679C2 (en) | Angular velocity micromechanical sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180520 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190411 |