UA22153U - Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration - Google Patents

Description

Опис винаходу

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.

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.

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.

Найближчим аналогом гіроскопа, що заявляється, вибраним як прототип, є хвильовий твердотільний гіроскоп

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.

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.

Запропонована конструкція пристрою дозволяє виключити нелінійність масштабного коефіцієнта гіроскопа, с підвищити його величину і тим самим підвищити чутливість гіроскопа в цілому.

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 днищем

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.

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.

Електрична частина гіроскопа (Фіг.б, 7) складається з генераторного блоку 16, демодулятора 17,

ПІ-регулятора 18, модулятора 19, блоку функціональної електроніки 20, блоку 21 (див. нижче), програмного підсилювача 22 і суматора 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.

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.

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,

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.

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.

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.

Повітря з резонатора 1 може не відкачуватися з метою створення в ньому вакууму: особливо це відноситься сю до гіроскопів, що мають невеликі розміри.

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.

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.

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:

НК)

Фр кі Е ! е2 Ех де піг по коефіцієнт, залежний від номера форми коливань і, Е - модуль Юнга для оболонки, у -

КІЙ - -я-

М коефіцієнт Пуассона для матеріалу оболонки, р - густина матеріалу.

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.

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)

Меохв со й Щі ШИ й Щі де Мпід - момент інерції пружного підвісу, Мр - момент інерції резонатора 1. Щео,

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 с

Зз5 пружних властивостей резонатора необхідно забезпечити тільки на висоті | резонатора 1 (Фіг2), що значно су покращує технологію його виготовлення, а отже, зменшує його вартість.

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. «

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:

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.

Загальна жорсткість перемичок (при співвідношенні Ка РА: й) складе: б5 аш-- 2 се - ВЕД тне) й 5ої2в21 0ОЕНо

Для виконання умови (5) необхідно, щоб Ся г тобто - с, 2 (8) пе енввв з

Ко ЕКО

Як бачимо, умова (5) виконується вже при Ро ах -

П'єзоелектричні елементи 4А і 4Е (Фіг.б6) сприймають керуючий сигнал у вигляді синусоїдальної напруги

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.

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.

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. шщ

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 «-

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.

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.

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.

Блок 22 є підсилювачем з програмованим коефіцієнтом підсилення, який фільтрує зовнішній сигнал і г нормалізує амплітуду цього сигналу. іме)

Claims (5)

1. Формула винаходу - , виш, - с. 8, -

   о 1. Вібраційний гіроскоп, чутливий до Коріолісового прискорення, який містить основу, резонатор, виконаний «сю у вигляді циліндра з днищем, п'єзоелектричні елементи збудження і знімання інформації та вимірювальний контур, який відрізняється тим, що резонатор має нижню і верхню частини, при цьому нижня частина циліндра, з'єднана з днищем, виконана гнучкою з меншою товщиною стінок, ніж верхня жорстка частина, в днищі виконана вв Множина отворів, розташованих головним чином рівномірно і головним чином по колу з розміщенням множини п'єзоелектричних елементів на перемичках між отворами, причому резонатор забезпечений елементом його с пружного кріплення до основи.
2. 2. Вібраційний гіроскоп, чутливий до Коріолісового прискорення за п. 1, який відрізняється тим, що нижня частина циліндра має більшу довжину, ніж верхня частина. во З.
3. Вібраційний гіроскоп, чутливий до Коріолісового прискорення за п. 1, який відрізняється тим, що отвори розташовані симетрично відносно осі резонатора.
4. 4. Вібраційний гіроскоп, чутливий до Коріолісового прискорення за п. 1, який відрізняється тим, що п'єзоелектричні елементи розміщені на перемичках і зовні, і усередині резонатора.
5. 5. Вібраційний гіроскоп, чутливий до Коріолісового прискорення за п. 1, який відрізняється тим, що елемент в5 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