UA127201C2 - Чутливий елемент вібраційного гіроскопа - Google Patents

Abstract

Винахід належить до гіроскопічних датчиків кутової швидкості і кута обертання і може бути використаний в системах орієнтації, навігації, стабілізації та управління рухом. Заявлений чутливий елемент вібраційного гіроскопа містить основу з виступаючою частиною у вигляді ніжки та з щонайменше чотирма струмопроводами для обміну інформацією, резонатор у вигляді тонкостінного циліндра з верхнім робочим кільцем та отворами на ніжній частині його стінки, між якими прикріплені п’єзоелектроди збудження коливань та знімання інформації, ковпак для ізоляції порожнини, де знаходиться резонатор. При цьому всередині дна резонатора виконаний елемент кріплення резонатора до ніжки основи. Дно циліндричного резонатора виконано товще, ніж нижня частина стінки резонатора, а п’єзоелектроди, за кількістю щонайменше чотири, закріплені нижньою частиною до торця потовщеного дна резонатора та з’єднані струмопроводами з потовщеним дном резонатора. При цьому елемент кріплення резонатора до основи виконаний у вигляді циліндра із суцільним дном, де ніжка основи має циліндричну форму, діаметр якої менше діаметра елемента кріплення резонатора так, що між двома циліндрами кріплення утворений простір, який заповнений демпфуючим матеріалом для механічної ізоляції резонатора від основи, яка зовні має отвір, який одним або декількома повітряними каналами з'єднаний з внутрішньою частиною чутливого елемента і запаяний або закладений для збереження вакууму після відкачки повітря. Винахід полягає у підвищенні чутливості і точності вимірювання кутової швидкості при дії зовнішніх збурень.

Description

Винахід належить до гіроскопічних датчиків кутової швидкості і кута обертання, заснованим на виникненні сили Коріоліса, що діє на вібраційну структуру при її обертанні і може бути використаний в системах орієнтації, навігації, стабілізації та управління рухом.

Відомі аналоги чутливих елементів вібраційних гіроскопів, що описані у патентах України (на корисну модель) Мо 22153 (501С 19/56), патент України Ме 79166 (501С 19/56), а також патент

США Мо 7281425, в яких описані циліндричні резонатори з отворами на дні циліндра, а електроди кріпляться на спицях, утворених в результаті виконання отворів, при цьому дно циліндра та нижня частина його стінки має меншу товщину, ніж його обід. Недоліки цих технічних рішень полягають у тому, що дно резонатора має товщину значно (в 2-3 рази) менше, ніж його обід і при дії зовнішніх збурень таких, як удар і/або вібрація, що діють уздовж осі симетрії резонатора, важкий обід впливає на тонке дно резонатора, викликаючи його згинальні коливання, які призводять до згинальних коливань електродів збудження і знімання, закріплених на дні резонатора. Як наслідок цього з'являється великий сигнал перешкоди, що значно погіршує точність вимірювань кутової швидкості.

У патенті України Мо 97783 (501С 19/56), який автори вибрали за прототип були видалені електроди з тонкого дна і їх закріпили на стійках, на які зверху було посаджене важке кільце. В результаті цього утворився також циліндр з тонким дном, в центрі якого розташувався вузол кріплення резонатора до основи з ніжкою, виконаної у вигляді конуса, для того, щоб використовувати властивості методу конусної посадки. Однак кріплення конус в конус в даній конструкції має низку недоліків. По-перше, при конусній посадці площа зіткнення конусів мала, на рівні смуги шириною З мм, по-друге, в реальній конструкції площа зіткнення зменшувалася за рахунок похибок виготовлення конусів. В результаті цього резонатор нещільно сидів на ніжці і основне навантаження при фіксації резонатора на ніжці припадало на різьбу та головку гвинта, який фіксував резонатор на ніжці і при зовнішніх збуреннях резонатор зміщувався відносно ніжки, що призводило до похибок кутової швидкості. Крім цього, жорстке кріплення резонатора і ніжки сприяло передачі зовнішніх збурень на резонатор без демпфірування, а корисні коливання на резонансній частоті передавалися через ніжку на основу і далі на корпус приладу, зменшуючи добротність резонатора. У конструкції з тонким дном була також знижена чутливість електродів до деформацій резонатора, бо нижні та верхні кінці електродів при деформації місця

Зо кріплення електродів змішувалися в одну сторону, зменшуючи деформацію електродів, що призводило до помітного зменшення чутливості приладу до кутової швидкості.

Перед авторами стояло завдання підвищення чутливості і точності вимірюванні кутової швидкості при дії зовнішніх збурень, таких як вібрації, удари та звукові збудження.

Поставлена задача вирішується тим, що чутливий елемент вібраційного гіроскопа, що містить резонатор у вигляді тонкостінного циліндра з отворами на ніжній частині його стінки, між якими кріпляться п'єзоелектроди збудження коливань та знімання інформації, а на дні резонатора виконаний конусоподібний пристрій кріплення резонатора до ніжки, дно циліндричного резонатора виконується значно товще, ніж нижня частина стінки резонатора так, що нижня частина п'єзоелектродів, за кількістю щонайменше чотири, покриває торець товстого дна резонатора, а струмопроводи з'єднуються з п'єзоелектродами в місці, де вони кріпляться до торця товстого дна, всередині товстого дна виконується пристрій кріплення резонатора до основи у вигляді циліндра меншого діаметра із суцільним дном та такою висотою, що центр циліндра меншого діаметра співпадає з центром ваги резонатора, основа має виступаючу частину, на кінці якої виконують відповідну циліндричну форму, діаметр якої менше діаметра пристрою кріплення резонатора так, що між двома циліндрами кріплення утворюється простір, який заповнюється демпфуючим матеріалом, для механічної ізоляції резонатора від основи, а основа має не менше, ніж чотири штирі для обміну інформацією з зовнішніми електронними блоками, а також зовні може мати отвір, який одним або декількома повітряними каналами з'єднується з внутрішньою частиною, де знаходиться резонатор і, який запаюється або закладається для збереження вакууму тривалий час, ковпак, що ізолює резонатор, п'єзоелектроди, струмопроводи і внутрішні частини штирів від зовнішнього середовища для забезпечення вакуумування порожнини, де знаходиться резонатор.

Для пояснення суті винаходу представлені наступні фігури: фіг. 1 а, б представляють тонкостінний циліндричний резонатор з товстим дном, отворами на нижній частині стінки циліндра, між якими розміщені п'єзоелектроди (а) та чутливий елемент (б) з тим же самим резонатором, закріпленим на основі та ізольованим від зовнішнього середовища ковпаком; на фіг. 2 а, б показані основа з виступаючою частиною, на кінці якої виконана циліндрична форма з розширенням до площини основи і маленькими отворами для забезпечення бо вакуумування (а) та зовнішнє дно основи (б);

фіг. З представляє ковпак, який охоплює усю верхню частину чутливого елемента та забезпечує утримання вакууму довгий час; на фіг. 4 представлений другий варіант виконання чутливого елемента з резонатором, закріпленим у вигляді гриба.

У резонаторі (фіг. 1 а), з робочим резонуючим кільцем 1 та електродами 2, розташованими на нижній частині стінки циліндра, необхідно мати товсте дно 3, для того, щоб при наклейці п'єзоелектродів 2 їх нижня частина була закріплена на торці товстого дна. У такого кріплення є дві переваги. По перше, воно призводить до збільшення деформації п'єзоелектродів порівняно з прототипом тому, що товстий торець дна практично не переміщається і утримує від переміщення нижні кінці п'єзоелектродів, а верхні кінці п'єзоелектродів, що розташовані під робочим верхнім кільцем, переміщуються на максимальну амплітуду, збільшуючи деформацію п'єзоелектродів і, отже, призводить до зростання сигналу, що знімається з електродів і, як наслідок, до збільшення чутливості до деформації, викликаної кутовою швидкістю. По друге, при з'єднанні струмопроводів 4 (фіг. 1. б) з п'єзоелектродами 2 на їх нижніх кінцях, де електроди практично не переміщуються, мінімізується шкідливий момент сил, діючий від струмопроводу на резонатор, що призводить до зменшення гальмуючих сил, що діють на резонатор, тобто до збільшення добротності резонатора і, як наслідок, до збільшення його чутливості і точності. В середині товстого дна виконується пристрій кріплення резонатора до основи у вигляді циліндра 5 (фіг. 1, а та б) із суцільним дном, діаметр якого менше діаметра верхнього робочого кільця 1.

Висота циліндра 5 виконується такою, що центр циліндра кріплення 5 співпадає з центром ваги всього циліндричного резонатора, що представлений на фіг. 1 а. Таке кріплення не викликає виникнення додаткових моментів сил при дії зовнішніх збурень.

Дійсно, зовнішні механічні збурюючі сили, що діють на прилад, концентруються в точці підвісу циліндричного резонатора і, якщо центр мас резонатора не збігається з точкою підвісу, виникає момент сил, який спрямований на розворот резонатора щодо ніжки, викликаючи деформацію чутливого елемента, що призводить до зміни зміщення нуля, напрямку осі чутливості і значення масштабного коефіцієнта, а, отже до зниження точності вимірювань при роботі в умовах дії зовнішніх механічних збурень.

Основа, що представлена на фіг. 2 а, має виступаючу частину у вигляді ніжки, на кінці якої

Зо виконують відповідну циліндричну форму 7, діаметр якої менше діаметра пристрою кріплення 5 (фіг. 1 б) резонатора до основи так, що між двома циліндрами кріплення утворюється простір 6 (фіг. 1 б), який заповнюється демпфуючим матеріалом, для механічної ізоляції резонатора від основи. Демпфуючий матеріал у даному випадку буде фіксувати резонатор до основи та одночасно виконувати роль демпфуючої втулки. Як демпфуючий матеріал можуть бути використані, наприклад, припої на основі сплавів індію, сплавів вісмуту, срібла або полімери, такі як поліуретанова піна або інші полімери.

Основа має не менше, ніж чотири струмопровідних штиря 8 (фіг. 2 а, б) для обміну інформацією з зовнішніми електронними блоками, а також зовні може мати отвір 9 (фіг. 2 б), який одним або декількома повітряними каналами, що виконані всередині матеріалу основи, виходи яких 10 показані на фіг. 2 а, забезпечують повітряне з'єднання з внутрішньою частиною чутливого елемента, де знаходиться резонатор. Отвір 9 (фіг. 2 б) запаюється або закладається для збереження вакууму тривалий час, після відкачки повітря.

Верхня частина чутливого елемента, що складається з резонатора, п'єзоелектродів, струмопроводів і внутрішніх частин штирів, закривається ковпаком (фіг. 3), який забезпечує ізоляцію від зовнішнього середовища для того, щоб можливо було вакуумування порожнини, де знаходиться резонатор, через отвір 9 (фіг. 2 б), шляхом з'єднання його з відкачним постом. Таке вакуумування забезпечує зростання добротності резонатора і, як наслідок, зростання чутливості датчика до кутових швидкостей, а також до зростання точності вимірювання кутової швидкості.

Слід відмітити, що на фіг. З ковпак представлений у вигляді циліндра тільки як приклад. Ковпак може бути виконаний у вигляді паралелепіпеда, призми, піраміди, зрізаної піраміди та інших геометричних фігур, що дозволяють забезпечити ізолювання резонатора від зовнішнього середовища для забезпечення вакуумування.

Фіг. 4 представляє чутливий елемент, де резонатор кріпиться на основі у вигляді гриба, а не чашки, як було представлено на фіг. 1 б. Таке кріплення доцільно в разі, коли високий і товстий обід значно важче дна і центр ваги резонатора занадто високо розташований над основою, збільшуючи, тим самим, вплив бічних вібрації і ударів на точність вимірювання кутової швидкості.

Пропонований чутливий елемент має низьку чутливість до зовнішніх збурень типу вібрацій і ударів та звукових збуджень, за рахунок того, що пристрій кріплення, по-перше, має значно бо більшу площину дотику, ніж у кріпленні прототипу, по друге, у пропонованому чутливому елементі з'єднання резонатора до основи виконується через демпфуючий матеріал. Крім цього, кріплення п'єзоелектродів так, що їх нижня частина з'єднується з торцем товстого дна, який практично не переміщується, призводить до зростання деформації п'єзоелектродів і, відповідно до зростання чутливості до кутової швидкості порівняно з прототипом, а з'єднання струмопроводів з п'єзоелектродами у місці, де він кріпиться до нерухомого торця, не викликає додаткових гальмуючих моментів сил, що діють на резонатор. Останнє призводить до зростання добротності і, як наслідок, до зростання чутливості і точності.

Таким чином, показано досягнення мети винаходу - підвищення чутливості і точності чутливого елемента при дії зовнішніх збурень.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Чутливий елемент вібраційного гіроскопа, що містить основу з виступаючою частиною у вигляді ніжки, резонатор у вигляді тонкостінного циліндра з верхнім робочим кільцем та отворами на нижній частині його стінки, між якими прикріплені п'єзоелектроди (2) збудження коливань та знімання інформації, ковпак для ізоляції порожнини елемента, де знаходиться резонатор, при цьому у центрі дна (3) резонатора виконано елемент кріплення (4) резонатора до ніжки основи, який відрізняється тим, що дно (3) циліндричного резонатора має товщину, більшу, ніж товщина стінки резонатора, а п'єзоелектроди (2), за кількістю щонайменше чотири, закріплені нижньою частиною до торця потовщеного дна резонатора та з'єднані струмопроводами з потовщеним дном резонатора, при цьому елемент кріплення резонатора до основи виконаний у вигляді циліндра із суцільним дном (4), а ніжка основи має форму циліндра, діаметр якого менше діаметра елемента кріплення резонатора з утворенням між двома циліндрами простору, який заповнений демпфуючим матеріалом для механічної ізоляції резонатора від основи, на якій встановлено щонайменше чотири струмопроводи (5) для обміну інформацією, а також виконаний отвір, який одним або декількома повітряними каналами з'єднаний з внутрішньою частиною чутливого елемента і запаяний або закладений для збереження вакууму після відкачки повітря. 4 і 4 хх м Ох х р х х А КК п ж х ТИМ в | п 0» З З | з о у 6 З а б

   Фіг. 1

   7 10 5

   М. Й й / ! З реж. У 00 Б -

   п. її " б

   Фіг. 2

   Фіг. З