UA22153U

UA22153U - Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration

Info

Publication number: UA22153U
Application number: UAU200701360U
Authority: UA
Inventors: Valerii Valerianovyc Chikovani; Yurii Oleksiiovych Yatsenko; Volodymyr Anatoliiov Kovalenko
Original assignee: Ltd Liability Company Innalabs
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2007-04-10

Abstract

The proposed vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration contains a cylindrical resonator, piezoelectric elements for exciting vibrations, piezoelectric vibration receivers, and a measuring unit. The lower section of the resonator is made of elastic material. The thickness of the wall of the lower section of the resonator is less than the thickness of the wall of the upper section. At the end wall of the resonator, holes are provided, which are uniformly arranged along the circumference. The piezoelectric elements are installed between the said holes.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Дана корисна модель відноситься до галузі розробки гіроскопічних приладів і може бути використана в 2 хвильових твердотільних гіроскопах, що працюють в режимі датчика кутової швидкості.This useful model belongs to the field of development of gyroscopic devices and can be used in 2 wave solid-state gyroscopes operating in the mode of the angular velocity sensor.

Відомі хвильові твердотільні гіроскопи ("Гироскопические системь! (Гироскопические приборь! и системь)" под ред. проф. Д.С. Пельпора. М., "Вьісшая школа", 1988г., с.114-117, рис.3.11)|, в яких в якості чутливого елемента (резонатора) використовується пружна тонкостінна півсферична оболонка обертання, пов'язана з основою гіроскопа, при цьому коливання оболонки збуджуються і підтримуються за допомогою системи 70 електродів, працюючої в режимі позиційного збудження. Вимірювання кутової швидкості основи проводиться з використанням ефекту інерційних властивостей стоячих хвиль, що виникають в пружній оболонці при її збудженні.Known wave solid-state gyroscopes ("Gyroscopic systems! (Gyroscopic devices! and systems)" under the editorship of Prof. D.S. Pelpor. M., "Vyissaya shkola", 1988, p. 114-117, fig. 3.11)| , in which an elastic thin-walled hemispherical shell of rotation connected to the base of the gyroscope is used as a sensitive element (resonator), while the oscillations of the shell are excited and supported by a system of 70 electrodes operating in the mode of positional excitation. The measurement of the angular velocity of the base is carried out using the effect of the inertial properties of standing waves that arise in the elastic shell when it is excited.

Недоліком цього пристрою є те, що в даній конструкції не може виявитися повною мірою вищезазначений ефект, оскільки для підтримки коливань чутливого елементу прийняте позиційне збудження, що обмежує кут 79 повороту стоячої хвилі. Робоча частина чутливого елементу виготовлена з кристалічного або плавленого кварцу, або кераміки, що знижує міцнісні характеристики цього пристрою. Крім того, виготовлення півсферичного резонатора з високою точністю є складним.The disadvantage of this device is that the above-mentioned effect cannot be fully manifested in this design, since positional excitation is adopted to support the oscillations of the sensitive element, which limits the angle of rotation 79 of the standing wave. The working part of the sensitive element is made of crystalline or fused quartz, or ceramics, which reduces the strength characteristics of this device. In addition, manufacturing a hemispherical resonator with high precision is difficult.

Найближчим аналогом гіроскопа, що заявляється, вибраним як прототип, є хвильовий твердотільний гіроскопThe closest analogue of the proposed gyroscope, chosen as a prototype, is a wave solid-state gyroscope

ІВ.АА. Матвеев, В.М. Липатников, А.В. Алехин "Проектирование волнового твердотельного гироскопа". М., 20 издательство МГТУ им. Н.З. Баумана, 1998г., с.11-13, рис.1.4,1.5) в якому резонатор виконаний у вигляді тонкостінної циліндрової оболонки, на вільній кромці якої на її бічній поверхні по колу розташовані рівномірно вісім п'єзоелектричних елементів, причому її нижня частина жорстко з'єднана з основою. Ці п'єзоелектричні елементи призначені для збудження пружних стоячих хвиль в резонаторі і знімання одержаної інформації. 25 Змінний сигнал збудження з частотою близької до частоти основної власної форми коливань резонатора в подається на два діаметрально протилежних п'єзоелектричних елемента. Їх деформації вигину викликають радіальні коливання оболонки резонатора, що приводить до виникнення в резонаторі пружної стоячої хвилі по другій формі коливань з чотирма видугами і вузлами. При обертанні резонатора навколо центральної осі з кутовою швидкістю с з'являються Коріолісови сили, за рахунок чого у вузлах виникають радіальні коливання, о 30 амплітуда яких пропорційна кутовій швидкості с. Коріолісови сили зміщують стоячу хвилю з її видугами і юю вузлами по колу, що веде до зміни сигналів п'єзоелектричних елементів, розміщених у вузлах, причому ці - сигнали пропорційні кутовій швидкості о.IV.AA. Matveev, V.M. Lypatnikov, A.V. Alekhin "Design of a wave solid-state gyroscope". M., 20 publishing house of the Moscow State Technical University named after N.Z. Bauman, 1998, pp. 11-13, figs. 1.4, 1.5) in which the resonator is made in the form of a thin-walled cylindrical shell, on the free edge of which, on its side surface, eight piezoelectric elements are uniformly arranged in a circle, and its lower part is rigidly connected to the base. These piezoelectric elements are designed to excite elastic standing waves in the resonator and capture the received information. 25 An alternating excitation signal with a frequency close to the frequency of the main eigenform of oscillations of the resonator is applied to two diametrically opposite piezoelectric elements. Their bending deformations cause radial oscillations of the shell of the resonator, which leads to the emergence of an elastic standing wave in the resonator along the second form of oscillations with four arcs and nodes. When the resonator rotates around the central axis with an angular velocity c, Coriolis forces appear, due to which radial oscillations occur in the nodes, the amplitude of which is proportional to the angular velocity c. Coriolis forces move the standing wave with its arcs and nodes in a circle, which leads to a change in the signals of the piezoelectric elements placed in the nodes, and these signals are proportional to the angular velocity o.

До недоліків цього пристрою відносяться: с з 1) розміщення п'єзоелектричних елементів біля вільної кромки резонатора сприяє демпфіруванню стоячої сч хвилі, а це, у свою чергу, веде до зменшення його добротності, а отже, до зниження масштабного коефіцієнта гіроскопа в цілому і його чутливості; 2) використана в цієї конструкції схема приклеювання п'єзоелектричних елементів створює нерівномірний розподіл жорсткості по колу резонатора, унаслідок чого осі пружної хвилі не співпадають з осями розташування « 20 п'єзоелектричних елементів, а це веде до нелінійності масштабного коефіцієнта гіроскопа і зниження його -в чутливості, особливо - до малих кутових швидкостей обертання. с У основу пропонованої корисної моделі поставлена задача підвищення чутливості гіроскопа, а також :з» удосконалення технології його виготовлення шляхом розробки нової конструкції резонатора і місць розміщення п'єзоелектричних елементів. 15 Поставлена задача вирішується так, що у вібраційному гіроскопі, чутливому до коріолісового прискорення, 7 який містить основу, резонатор, виконаний у вигляді циліндра з днищем, п'єзоелектричні елементи збудження і знімання інформації і вимірювальний контур, новим є те, що резонатор має нижню і верхню частини, при цьому іме) нижня частина циліндра, з'єднана з днищем, виконана гнучкою з меншою товщиною стінок, ніж верхня жорстка - частина, в днищі виконана множина отворів, розташованих головним чином рівномірно і головним чином по колу во З розміщенням множини п'єзоелектричних елементів на перемичках між отворами, причому резонатор 1 забезпечений елементом його пружного кріплення до основи, при цьому нижня частина циліндра має більшу сю» довжину, ніж верхня частина, отвори розташовані симетрично відносно осі резонатора, п'єзоелектричні елементи розміщені на перемичках і зовні, і всередині резонатора, а елемент кріплення резонатора до основи виконаний у вигляді патрубка, розташованого вертикально по осі циліндра усередині нього і жорстко зв'язаного з його днищем з можливістю використання внутрішньої поверхні патрубка як базової площини кріплення.The disadvantages of this device include: c c 1) placement of piezoelectric elements near the free edge of the resonator contributes to the damping of the standing wave, and this, in turn, leads to a decrease in its Q factor, and therefore to a decrease in the scale factor of the gyroscope as a whole and its sensitivities; 2) the piezoelectric element gluing scheme used in this design creates an uneven distribution of stiffness around the resonator circumference, as a result of which the axes of the elastic wave do not coincide with the axes of the "20" piezoelectric elements, and this leads to the nonlinearity of the scale coefficient of the gyroscope and its reduction - in sensitivity, especially to small angular velocities of rotation. c At the basis of the proposed useful model is the task of increasing the sensitivity of the gyroscope, as well as: c" improving the technology of its manufacture by developing a new design of the resonator and places for placing piezoelectric elements. 15 The problem is solved in such a way that in a vibrating gyroscope sensitive to Coriolis acceleration, 7 which contains a base, a resonator made in the form of a cylinder with a bottom, piezoelectric elements for excitation and information removal and a measuring circuit, the new thing is that the resonator has a lower and the upper part, with this name) the lower part of the cylinder, connected to the bottom, is made flexible with a smaller thickness of the walls than the upper rigid part, the bottom is made of a set of holes, located mainly evenly and mainly in a circle in With the placement of the set piezoelectric elements on the bridges between the holes, and the resonator 1 is equipped with an element of its elastic attachment to the base, while the lower part of the cylinder has a greater length than the upper part, the holes are located symmetrically with respect to the axis of the resonator, the piezoelectric elements are located on the bridges and outside and inside the resonator, and the element of attachment of the resonator to the base is made in the form of a nozzle located vertically along the axis of the cylinder inside it and rigidly connected to its bottom with the possibility of using the inner surface of the nozzle as the base plane of attachment.

Запропонована конструкція пристрою дозволяє виключити нелінійність масштабного коефіцієнта гіроскопа, с підвищити його величину і тим самим підвищити чутливість гіроскопа в цілому.The proposed design of the device makes it possible to eliminate the nonlinearity of the scale coefficient of the gyroscope, to increase its value and thus to increase the sensitivity of the gyroscope as a whole.

Конструкція гіроскопа, що заявляється, пояснюється такими малюнками: на Фіг.1 подана конструкція резонатора в плані (вид знизу), во на Фіг.2 показаний поперечний перетин резонатора, на Фіг.З показана форма однієї з перемичок для випадку формування в днищі резонатора круглих отворів, на Фіг.4 подана фотографія гіроскопа без захисного кожуха, на Фіг.5 подана фотографія загального виду гіроскопа, на Фіг.б приведена електрична схема гіроскопа, що пояснює принцип регулювання його параметрів, на Фіг.7 приведена електрична схема одного з елементів електронної системи управління гіроскопа. б5 Хвильовий твердотільний гіроскоп (Фіг.1-5) складається з тонкостінного циліндрового резонатора 1 з днищемThe design of the proposed gyroscope is explained by the following figures: Fig. 1 shows the design of the resonator in plan (view from below), Fig. 2 shows the cross-section of the resonator, Fig. 3 shows the shape of one of the jumpers for the case of forming in the bottom of the resonator round holes, Fig. 4 shows a photo of the gyroscope without a protective cover, Fig. 5 shows a photo of the general appearance of the gyroscope, Fig. b shows an electrical diagram of the gyroscope that explains the principle of adjusting its parameters, Fig. 7 shows an electrical diagram of one of the elements of the electronic gyro control system. b5 Wave solid-state gyroscope (Fig. 1-5) consists of a thin-walled cylindrical resonator 1 with a bottom

2, в якому виконана множина отворів З діаметром 4 з їх розташуванням по її периферійній частині, при цьому на перемичках, утворених отворами 3, розміщуються п'єзоелектричні елементи 4. Тут осі Х і М є осями симетрії перемичок, а вісь 7 є віссю, що проходить через центри діаметрально протилежних отворів 3. Резонатор 1 діаметром 2Ко (Фіг.2) складається з жорсткої частини 5 (її довжина 7, а товщина Н) і гнучкої частини 6, яка виконує роль пружного підвісу (довжина І, а товщина п). У днищі 2 гнучкої частини 6 резонатора 1 співісний з нею розташований патрубок 7 із співісними отворами 8 і 9, які використовуються для пружного кріплення резонатора 1 до основи (на кресленні не показано). Резонатор 1 закривається кришкою 10 (Фіг.4, на якій резонатор 1 не видно) і встановлюється на базовій платі 11, що має фланець 12. Розміщення монтажних плат 13 /о показане на Фіг.4, які кріпляться за допомогою гвинтів до кільця 14, встановленому зверху кришки 10 для додання додаткової жорсткості гіроскопу в цілому. Установка захисного кожуха 15 показана на Фіг.5.2, in which a set of holes Z with a diameter of 4 is made with their location along its peripheral part, while piezoelectric elements 4 are placed on the jumpers formed by the holes 3. Here the axes X and M are the axes of symmetry of the jumpers, and axis 7 is the axis, which passes through the centers of diametrically opposite holes 3. Resonator 1 with a diameter of 2Ko (Fig. 2) consists of a rigid part 5 (its length is 7, and its thickness is H) and a flexible part 6, which performs the role of an elastic suspension (length I, and thickness n) . In the bottom 2 of the flexible part 6 of the resonator 1, a spigot 7 is located concentrically with it, with concentric holes 8 and 9, which are used to elastically attach the resonator 1 to the base (not shown in the drawing). The resonator 1 is closed with a cover 10 (Fig. 4, on which the resonator 1 is not visible) and is installed on the base board 11, which has a flange 12. The placement of the mounting boards 13 /o is shown in Fig. 4, which are attached with screws to the ring 14, installed on top of the cover 10 to add additional rigidity to the gyroscope as a whole. Installation of the protective cover 15 is shown in Fig.5.

Патрубок 7 виконаний з отвором радіуса гі з осесиметричною базовою поверхнею А, необхідною при виготовленні резонатора 1 і яка задає напрям його центральної осі. Установка патрубка 7 має на меті зменшення зв'язку вібруючих перемичок з вузлом кріплення резонатора 1 із основою і зменшення втрат енергії гіроскопа.The nozzle 7 is made with an opening of radius gi with an axisymmetric base surface A, which is necessary in the manufacture of the resonator 1 and which determines the direction of its central axis. The installation of the nozzle 7 is aimed at reducing the connection of the vibrating jumpers with the assembly of the resonator 1 with the base and reducing the energy losses of the gyroscope.

Електрична частина гіроскопа (Фіг.б, 7) складається з генераторного блоку 16, демодулятора 17,The electric part of the gyroscope (Fig. b, 7) consists of a generator unit 16, a demodulator 17,

ПІ-регулятора 18, модулятора 19, блоку функціональної електроніки 20, блоку 21 (див. нижче), програмного підсилювача 22 і суматора 23.PI controller 18, modulator 19, functional electronics unit 20, unit 21 (see below), software amplifier 22 and adder 23.

Величини параметрів Ко, Н, ГГ, й, Ї, г ї а можуть змінюватися в значній мірі, причому ці величини залежать від діаметру резонатора 2Ко і області використовування гіроскопа. Так, одне з типових втілень гіроскопа має наступні розміри: Ко-12,5мм, Н-Тмм, І «вмм, п-0,Змм, І-1Омм, г-4мм, а-5,5мм.The values of parameters Ко, Н, ГГ, й, Й, гі а can vary significantly, and these values depend on the diameter of the resonator 2Ко and the area of use of the gyroscope. So, one of the typical embodiments of the gyroscope has the following dimensions: Ko-12.5mm, H-Tmm, I "vmm, p-0.Zmm, I-1Omm, g-4mm, a-5.5mm.

На Фіг.1 поданий вид з боку днища 2 резонатора 1 з вісьма отворами З діаметром 4, які розташовані симетрично відносно осі резонатора через 452. Отвори З можуть бути круглими, овальними або іншої форми.Fig. 1 shows a side view of the bottom 2 of the resonator 1 with eight holes C with a diameter of 4, which are located symmetrically relative to the axis of the resonator through 452. The holes C can be round, oval or of another shape.

П'єзоелектричні елементи 4 збудження резонатора і знімання інформації розташовуються, як вже згадувалося, на перемичках, утворених отворами 3. Кількість отворів З, як мінімум, може дорівнювати двом, і отже,Piezoelectric elements 4 for excitation of the resonator and removal of information are located, as already mentioned, on the jumpers formed by holes 3. The number of holes Z can be at least two, and therefore

Кількість п'єзоелектричних елементів 4 також дорівнює двом. Можливі інші комбінації кількості отворів З і п'єзоелектричних елементів 4: наприклад, використовування трьох отворів З, розташованих через 12052, і в) відповідно трьох п'єзоелектричних елементів 4, також розміщених через 1202. Можливе використовування чотирьох, п'яти, шести або семи отворів З і відповідних п'єзоелектричних елементів 4. Допустиме використовування більше восьми отворів 3, наприклад, шістнадцяти, проте із збільшенням числа отворів З і со п'єзоелектричних елементів 4 збільшується відношення "сигнал-перешкода" і чутливості, і крім того, значно зростає вартість виготовлення резонатора 1. Аналізуючи вищесказане, можна прийти до висновку, що немає й необхідності у використовуванні більше восьми отворів З і відповідного числа п'єзоелектричних елементів 4, і че переважно всього використовувати вісім отворів З і вісім п'єзоелектричних елементів 4.The number of piezoelectric elements 4 is also equal to two. Other combinations of the number of holes C and piezoelectric elements 4 are possible: for example, the use of three holes C, located through 12052, and c) respectively, three piezoelectric elements 4, also located through 1202. It is possible to use four, five, six or seven holes C and the corresponding piezoelectric elements 4. It is permissible to use more than eight holes 3, for example, sixteen, but with an increase in the number of holes C and so piezoelectric elements 4, the "signal-interference" ratio and sensitivity increase, and in addition, significantly the cost of manufacturing resonator 1 increases. Analyzing the above, we can come to the conclusion that there is no need to use more than eight holes C and the corresponding number of piezoelectric elements 4, and that it is preferable to use eight holes C and eight piezoelectric elements 4.

При розробці пропонованої конструкції резонатора 1 переважним є використовування всього вільного см простору, що знаходиться між отворами 3, тобто використовування всієї площі перемичок для розміщення наних «М п'єзоелектричних елементів 4. На Фіг.1 показані п'єзоелектричні елементи 4 прямокутної форми, а на Фіг.З показана форма перемички, яка формується на днище 2 резонатора 1, якщо отвори З мають круглу форму.When developing the proposed design of the resonator 1, it is preferable to use all the free cm of space between the holes 3, i.e. use the entire area of the jumpers for placing the "M" piezoelectric elements 4. Figure 1 shows the piezoelectric elements 4 of a rectangular shape, and Fig. 3 shows the shape of the jumper, which is formed on the bottom 2 of the resonator 1, if the holes 3 have a round shape.

П'єзоелектричні елементи 4 можуть бути розміщені на обох сторонах днища 2 резонатора 1, тобто і на « зовнішній, і на внутрішній його поверхнях. Слід також помітити, що в пропонованому пристрої можна використовувати будь-який спосіб установки п'єзоелектричних елементів 4 на днище 2 резонатора 1: наприклад, --е с приклеювати їх епоксидною смолою або іншим відомим способом. а Резонатор 1 може бути виготовлений з різних матеріалів, проте для забезпечення високої стабільності "» коливань він виготовляється з матеріалів з низькими внутрішніми втратами і високим С-фактором, що забезпечує його високу добротність, і крім того, ці матеріали повинні мати постійні пружні властивості для 475 забезпечення стабільності частоти коливань резонатора 1 в інтервалі робочих температур. До таких матеріалів ко відносяться, наприклад, прецизійний немагнітний сплав із заданими пружними властивостями 42НХТЮМ або юю титановий сплав ВТ8, для яких логарифмічний декремент затухання складає відповідно 5-0,0395 і 5-0,02290, а температурний коефіцієнт модуля Юнга відповідно в- кла і в-а10- 1 ,; а також інші високоякісні со се с 50 немагнітні і слабомагнітні матеріали.Piezoelectric elements 4 can be placed on both sides of the bottom 2 of the resonator 1, that is, on both its outer and inner surfaces. It should also be noted that in the proposed device you can use any method of installing the piezoelectric elements 4 on the bottom 2 of the resonator 1: for example, glue them with epoxy resin or another known method. and Resonator 1 can be made of different materials, however, to ensure high stability "" of oscillations, it is made of materials with low internal losses and a high C-factor, which ensures its high Q-factor, and in addition, these materials must have constant elastic properties for 475 ensuring the stability of the oscillation frequency of the resonator 1 in the range of operating temperatures. Such materials include, for example, a precision non-magnetic alloy with specified elastic properties 42НХТЮМ or a titanium alloy ВТ8, for which the logarithmic decrement of damping is 5-0.0395 and 5-0, respectively ,02290, and the temperature coefficient of the Young's modulus, respectively, included and v-a10-1, as well as other high-quality so se s 50 non-magnetic and weakly magnetic materials.

Повітря з резонатора 1 може не відкачуватися з метою створення в ньому вакууму: особливо це відноситься сю до гіроскопів, що мають невеликі розміри.The air from the resonator 1 may not be pumped out in order to create a vacuum in it: this especially applies to gyroscopes that have small dimensions.

Розміри гіроскопа, зображеного на Фіг.4, 5, такі: близько 55мм в діаметрі і 45-55мм по висоті, проте гіроскоп може бути мінімізований, і це підтверджується тим, що майже половина об'єму гіроскопа зайнята го електронною частиною. с Робота пропонованого гіроскопа описується таким чином.The dimensions of the gyroscope shown in Fig. 4, 5 are as follows: about 55 mm in diameter and 45-55 mm in height, but the gyroscope can be minimized, and this is confirmed by the fact that almost half of the volume of the gyroscope is occupied by the electronic part. c The operation of the proposed gyroscope is described as follows.

Від генераторного блоку 16 подається змінний сигнал на діаметрально протилежні п'єзоелектричні елементи 4, розташовані на перемичках пружного підвісу, причому частота подачі змінного сигналу близька до власної частоти коливань резонатора 1. Унаслідок згинних деформацій перемичок в днище 2 резонатора 1 виникає 60 згинальний момент, який викликає еліптичні деформації гнучкої частини 6 резонатора 1 по основній другій формі коливань, в результаті чого в резонаторі 1 збуджується стояча хвиля, видуга якій орієнтована уздовж осі У. По осі Х (вісь вузлів), поверненій на кут 4592 щодо осі М, розташовані п'єзоелектричні елементи 4 знімання інформації. Оскільки п'єзоелектричні елементи 4 розташовані симетрично по колу, то можливо, що вісь У буде віссю вузлів, а вісь Х - віссю видугів. При обертанні гіроскопа з резонатором, що коливається, 1 навколо його бо Центральної осі з постійною кутовою швидкістю о виникають Коріолісови сили, які сприяють зміщенню вузлових точок стоячої хвилі по колу, внаслідок чого на п'єзоелектричних елементах 4, розташованих у вузлах, з'являється сигнал, пропорційний кутовій швидкості о. Цей сигнал (Фіг.б, 7) демодулюється в демодуляторі 17 і через ПіІ-регулятор 18 і модулятор 19 подається на два компенсаційні п'єзоелектричні елементи 4, розташовані під кутом 902 відносно п'єзоелектричних елементів 4 знімання інформації, для компенсації інерціального зміщення стоячої хвилі. Сигнал компенсації виводиться з блоку 20 як вихідний сигнал пропорційній вимірюваній кутовій швидкості о.An alternating signal is sent from the generator unit 16 to the diametrically opposite piezoelectric elements 4 located on the bridges of the elastic suspension, and the frequency of the alternating signal is close to the natural frequency of oscillations of the resonator 1. As a result of the bending deformations of the bridges in the bottom 2 of the resonator 1, a bending moment 60 occurs, which causes elliptical deformations of the flexible part 6 of the resonator 1 along the main second form of oscillations, as a result of which a standing wave is excited in the resonator 1, the arc of which is oriented along the U axis. Along the X axis (the axis of nodes), turned at an angle of 4592 with respect to the M axis, there are n' isoelectric elements 4 information capture. Since the piezoelectric elements 4 are located symmetrically around the circle, it is possible that the Y axis will be the axis of the nodes, and the X axis will be the axis of the arcs. When rotating a gyroscope with an oscillating resonator 1 around its central axis with a constant angular velocity o, Coriolis forces arise that contribute to the displacement of the nodal points of the standing wave in a circle, as a result of which a piezoelectric element 4 located in the nodes appears a signal proportional to the angular velocity o. This signal (Fig. b, 7) is demodulated in the demodulator 17 and through the PI regulator 18 and the modulator 19 is fed to two compensating piezoelectric elements 4, located at an angle of 902 relative to the piezoelectric elements 4 of information removal, to compensate for the inertial displacement of the standing waves. The compensation signal is output from unit 20 as an output signal proportional to the measured angular velocity o.

Унаслідок того, що Н«Н, власна частота пружного підвісу зміщена в область більш низьких частот. Це видно з виразу для власної частоти коливань циліндрової оболонки:Due to the fact that Н«Н, the natural frequency of the elastic suspension is shifted to the region of lower frequencies. This can be seen from the expression for the natural frequency of oscillations of the cylinder shell:

НК)NC)

Фр кі Е ! е2 Ех де піг по коефіцієнт, залежний від номера форми коливань і, Е - модуль Юнга для оболонки, у -Fr ki E ! e2 Ex where pig po is a coefficient depending on the number of the form of oscillations and, E - Young's modulus for the shell, y -

КІЙ - -я-STICK - -I-

М коефіцієнт Пуассона для матеріалу оболонки, р - густина матеріалу.M is Poisson's ratio for the shell material, p is the density of the material.

А це, у свою чергу, приводить до частотної розв'язки між резонатором 1 і основою, на якій він розміщується. Тому пружний підвіс в резонаторі 1 виконує роль амортизатора при дії на гіроскоп нінерціальних збуджень (наприклад, удари, поштовхи, сили вібрації і т.д.). Крім того, параметри пружного підвісу вибирають так, щоб його частота не співпадала з максимумом спектральної компоненти технічного шуму, який знаходиться в діапазоні до 2-3КГцЦ.And this, in turn, leads to frequency resolution between resonator 1 and the base on which it is placed. Therefore, the elastic suspension in the resonator 1 acts as a shock absorber when the gyroscope is affected by non-inertial excitations (for example, shocks, shocks, vibration forces, etc.). In addition, the parameters of the elastic suspension are chosen so that its frequency does not coincide with the maximum of the spectral component of the technical noise, which is in the range of 2-3 kHz.

Зменшення товщини стінок пружного підвісу веде до зменшення його моменту інерції, а це знижує вимоги до точності його виготовлення, а також до пружних властивостей матеріалу. Це видно з виразу: З 25 (2) тит(в)Reducing the thickness of the walls of an elastic suspension leads to a decrease in its moment of inertia, which reduces the requirements for the accuracy of its manufacture, as well as for the elastic properties of the material. This can be seen from the expression: Z 25 (2) tit(s)

Меохв со й Щі ШИ й Щі де Мпід - момент інерції пружного підвісу, Мр - момент інерції резонатора 1. Щео,Meochv so and Shchi SHY and Shchi de Mpid - the moment of inertia of the elastic suspension, Mr - the moment of inertia of the resonator 1. Shcheo,

Виходячи із співвідношення - 1 , вимоги до точності виготовлення пружного підвісу знижуються майже на «-- н'4 порядок, що є важливим чинником при виробництві гіроскопів. Високі вимоги до точності форми, а також до сBased on the ratio - 1, the requirements for the accuracy of the production of an elastic suspension are reduced by almost an order of magnitude, which is an important factor in the manufacture of gyroscopes. High requirements for the accuracy of the form, as well as for

Зз5 пружних властивостей резонатора необхідно забезпечити тільки на висоті | резонатора 1 (Фіг2), що значно су покращує технологію його виготовлення, а отже, зменшує його вартість.Зз5 elastic properties of the resonator must be ensured only at the height | resonator 1 (Fig. 2), which significantly improves the technology of its manufacture, and therefore reduces its cost.

Як вже згадувалося, днище 2 резонатора 1 і його гнучка частина 6 є пружним підвісом. Розташування на днище 2 резонатора 1 п'єзоелектричних елементів 4 веде до підвищення його жорсткості по осях їх розміщення. «As already mentioned, the bottom 2 of the resonator 1 and its flexible part 6 is an elastic suspension. The arrangement of the piezoelectric elements 4 on the bottom 2 of the resonator 1 leads to an increase in its stiffness along the axes of their placement. "

Тому для забезпечення коливань резонатора 1 необхідно збільшити жорсткість днища 2 між осями, де розміщені п'єзоелектричні елементи 4. Жорсткість перемичок між отворами З визначається: шщ с (вісь Х), (3) п ЕНЗ и? Су пт- 1225 45 . . о , 7 а жорсткість днища 2 по осях, зміщених на кут 22,52, визначиться: іме) КІ (осі У). (1) се ЕН - Сл 120 - а 1 с Для того, щоб коливання відбувалися по осях Х, необхідне виконання умови:Therefore, to ensure oscillations of the resonator 1, it is necessary to increase the stiffness of the bottom 2 between the axes where the piezoelectric elements 4 are placed. Su Fri- 1225 45 . . o , 7 and the stiffness of the bottom 2 along the axes shifted by an angle of 22.52 will be determined: име) КИ (axis Y). (1) se ЕН - Сл 120 - а 1 s In order for oscillations to occur along the X axes, it is necessary to fulfill the condition:

Сх « 1 7 с, с Жорсткість п'єзоелектричних елементів 4, розміщених по осях Х, буде: (6) в ЕвБНЗ 60 по 12а? де а і 5 довжина і ширина пластин (п'єзоелектричних елементів 4), п, - товщина пластин, Е, - модуль Юнга матеріалу пластин.Сх « 1 7 с, с Stiffness of piezoelectric elements 4 placed along the X axes will be: (6) in EvBNZ 60 to 12a? where a and 5 are the length and width of the plates (piezoelectric elements 4), n is the thickness of the plates, E is the Young's modulus of the plate material.

Загальна жорсткість перемичок (при співвідношенні Ка РА: й) складе: б5 аш-- 2 се - ВЕД тне) й 5ої2в21 0ОЕНоThe total stiffness of the jumpers (at the ratio Ka RA: y) will be:

Для виконання умови (5) необхідно, щоб Ся г тобто - с, 2 (8) пе енввв зTo fulfill condition (5), it is necessary that Sya g ie - s, 2 (8) pe envvv z

Ко ЕКОEKO Co

Як бачимо, умова (5) виконується вже при Ро ах -As we can see, condition (5) is fulfilled already when Ro ah -

П'єзоелектричні елементи 4А і 4Е (Фіг.б6) сприймають керуючий сигнал у вигляді синусоїдальної напругиPiezoelectric elements 4A and 4E (Fig. b6) perceive the control signal in the form of a sinusoidal voltage

Авіп(орі), де оо - частота рівна (або близька) частоті другої форми коливань резонатора 1, при цьому залежно від динамічного діапазону гіроскопа амплітуда коливань розташовуватиметься в межах 1 -10 вольт.Avip(ori), where oo is the frequency equal to (or close to) the frequency of the second form of oscillations of resonator 1, while depending on the dynamic range of the gyroscope, the amplitude of oscillations will be within 1-10 volts.

Відбувається генерування стоячої хвилі з чотирма вузловими точками, орієнтованими уздовж п'єзоелектричних елементів 4А, 4Е і 40, 4С, і чотирма вузловими точками, розташованими уздовж п'єзоелектричних елементів 48, 4 ї 4Н, 40. Для того, щоб автоматично підтримувати стабільну амплітуду коливань при роботі гіроскопа, сигнали пропорційні амплітуді коливань, одержувані від п'єзоелектричних елементів 40 і 4С, підсумовуються і цей сигнал посилається генераторному блоку 16, який забезпечує позитивний зворотний зв'язок в системі.A standing wave is generated with four nodal points oriented along piezoelectric elements 4A, 4E and 40, 4C and four nodal points located along piezoelectric elements 48, 4 and 4H, 40. In order to automatically maintain a stable amplitude oscillations during operation of the gyroscope, signals proportional to the amplitude of oscillations received from piezoelectric elements 40 and 4C are summed up and this signal is sent to the generator unit 16, which provides positive feedback in the system.

Вихідний сигнал генераторного блоку 16 живить п'єзоелектричні елементи 4А і 4Е. Таким чином, сигнал 29 генераторного блоку 16 забезпечує коливання резонатора 1 з автостабілізаційною амплітудою коливань. шщThe output signal of the generator unit 16 powers the piezoelectric elements 4A and 4E. Thus, the signal 29 of the generator unit 16 provides oscillations of the resonator 1 with a self-stabilizing amplitude of oscillations. shsh

За відсутності вхідної кутової швидкості (с30-:0) сигнал у вузлах стоячої хвилі (цей сигнал вимірюється за допомогою п'єзоелектричних елементів 48, 4Е і 4Н, 40) є мінімально можливим (є дрейфом нуля гіроскопа). При обертанні резонатора 1 відносно його осі симетрії п'єзоелектричні елементи 48, 4Е і 4Н, 40 вимірюють сигнал, який змінюється у фазі на 902 відносно керуючого сигналу Авіп(Фрі), іншими словами, вимірюється косинусний о сигнал А/віп(оо), амплітуда А якого пропорційна кутовій швидкості 0. Сигнал, що виробляється ІФ) п'єзоелектричними елементами 4В, 4Е, підсумовується, демодулюється (див. поз. 17 на Фіг.7), поступає в «-In the absence of input angular velocity (c30-:0), the signal at the nodes of the standing wave (this signal is measured using piezoelectric elements 48, 4E and 4H, 40) is the minimum possible (it is the zero drift of the gyroscope). When rotating the resonator 1 relative to its axis of symmetry, the piezoelectric elements 48, 4E and 4H, 40 measure a signal that changes in phase by 902 relative to the control signal Avip(Free), in other words, the cosine o signal A/vip(oo) is measured, the amplitude A of which is proportional to the angular velocity 0. The signal produced by IF) piezoelectric elements 4B, 4E is summed up, demodulated (see item 17 in Fig. 7), enters "-

ПІ-регулятор (поз. 18 на Фіг.7), потім модулюється (поз. 19 на Фіг.7) за допомогою сигналу з такою ж частотою як керуюча частота для формування компенсаційного сигналу (сигнал виробляється п'єзоелектричними с з5 елементами АА і 4Е). Ці операції виконуються в блоці 20. Перетворений сигнал подається на п'єзоелектричні сч елементи 4Н і 40 для компенсації сигналу, який генерується у вузлах. Таким чином, здійснюється негативний зворотний зв'язок, який необхідний для такої компенсації. У такому випадку вихідний сигнал ПіІ-регулятора є пропорційним кутової швидкості о.The PI controller (item 18 in Fig. 7) is then modulated (item 19 in Fig. 7) using a signal with the same frequency as the control frequency to form a compensation signal (the signal is produced by piezoelectric elements with 5 elements AA and 4E ). These operations are performed in block 20. The converted signal is applied to piezoelectric elements 4H and 40 to compensate for the signal generated in the nodes. Thus, negative feedback, which is necessary for such compensation, is carried out. In this case, the output signal of the PI controller is proportional to the angular velocity o.

Для зменшення зміщення нуля при дрейфі гіроскопа може бути використаний блок 21, який забезпечує « мінімально можливий сигнал у вузлах стоячої хвилі при попередньому балансуванні резонатора 1. Цей сигнал. 7У с живить п'єзоелектричні елементи 4Н і 400 з протилежною фазою сигналу в цих п'єзоелектричних елементах.Block 21 can be used to reduce the zero offset during gyroscope drift, which provides the "minimum possible signal at the nodes of the standing wave during preliminary balancing of resonator 1. This signal. 7U s feeds piezoelectric elements 4H and 400 with the opposite phase of the signal in these piezoelectric elements.

Проведення балансування пов'язане перш за все з наявністю похибок геометричної форми резонатора 1 і з п'єзоелектричних елементів 4 при їх виготовленні. При попередньому балансуванні резонатора 1 змінюють його масу шляхом підбору різної товщини його стінок.Balancing is primarily related to the presence of errors in the geometric shape of the resonator 1 and piezoelectric elements 4 during their manufacture. During preliminary balancing of resonator 1, its mass is changed by selecting different thicknesses of its walls.

Блок 22 є підсилювачем з програмованим коефіцієнтом підсилення, який фільтрує зовнішній сигнал і г нормалізує амплітуду цього сигналу. іме)Block 22 is an amplifier with a programmable gain, which filters the external signal and normalizes the amplitude of this signal. name)

Claims

The formula of the invention - , above, - p. 8, -

o 1. A vibrating gyroscope sensitive to Coriolis acceleration, which contains a base, a resonator made in the form of a cylinder with a bottom, piezoelectric elements for excitation and information removal, and a measuring circuit, which differs in that the resonator has lower and upper parts, at the same time, the lower part of the cylinder, connected to the bottom, is made flexible with a smaller wall thickness than the upper rigid part, the bottom is made of a set of holes, located mainly uniformly and mainly in a circle with the placement of a set of piezoelectric elements on the bridges between holes, and the resonator is equipped with an element of its elastic attachment to the base.

2. A vibrating gyroscope sensitive to Coriolis acceleration according to claim 1, characterized in that the lower part of the cylinder has a longer length than the upper part. in Z.

Vibrating gyroscope sensitive to Coriolis acceleration according to claim 1, which is characterized by the fact that the holes are located symmetrically with respect to the axis of the resonator.

4. A vibrating gyroscope sensitive to Coriolis acceleration according to claim 1, which differs in that the piezoelectric elements are placed on the jumpers both outside and inside the resonator.

5. Vibrating gyroscope sensitive to Coriolis acceleration according to claim 1, which is characterized by the fact that element b5 of fastening the resonator to the base is made in the form of a nozzle, located vertically along the axis of the cylinder inside it and rigidly connected to its bottom with the possibility of using the inner surface of the nozzle as