Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором

Обновлено: 04.01.2025

Полезная модель относится к области измерительной техники предназначенной для измерения угловой скорости. Твердотельный волновой гороскоп, содержащий корпус, на основании которого установлен кронштейн с закрепленным резонатором. Во внутренней полости резонатора расположена емкостная система регистрации колебаний резонатора, напротив которой с внешней стороны резонатора установлена электромагнитная система возбуждения колебаний резонатора, обе системы крепятся к кронштейну. Боковая поверхность резонатора имеет выступ, расположенный между емкостной и электромагнитной системами. В основании резонатора выполнены сквозные отверстия. Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении добротности колебательной системы и в обеспечении стабильности колебаний резонатора с амплитудой большей величины без увеличения усилий для их возбуждения.

Полезная модель относится к области измерительной техники предназначенной для измерения угловой скорости.

Известен вибрационный цилиндрический гироскоп, описанный в изобретении под названием «Вибрационный цилиндрический гироскоп и способ измерения» [патент США 4793195, МПК 4 G01C 19/28, G01C 19/56, опубликован 27.12.1988 г.], содержащий корпус, на основании которого установлен кронштейн с закрепленным резонатором, во внутренней полости которого расположена емкостная система регистрации колебаний резонатора, напротив которой с внешней стороны резонатора установлена электромагнитная система возбуждения колебаний резонатора, обе системы крепятся к кронштейну.

Данное устройство принимается за прототип, как наиболее близкое по технической сущности к заявляемому.

Недостатком известного гироскопа является то, что при простой цилиндрической форме резонатора происходят значительные потери энергии колебаний резонатора. Это приводит к уменьшению добротности и к нестабильности колебаний резонатора, в результате снижается точность измерения угловой скорости.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности измерения угловой скорости.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении добротности колебательной системы и в обеспечении стабильности колебаний резонатора с амплитудой большей величины без увеличения усилий для их возбуждения.

Указанный технический результат достигается тем, что твердотельный волновой гироскоп содержит корпус, на основании которого установлен кронштейн с закрепленным резонатором, во внутренней полости которого расположена емкостная система регистрации колебаний резонатора, напротив которой с внешней стороны резонатора установлена электромагнитная система возбуждения колебаний резонатора, обе системы крепятся к кронштейну, согласно предлагаемой полезной модели боковая поверхность резонатора имеет выступ, расположенный между емкостной и электромагнитной системами, а в основании резонатора выполнены сквозные отверстия.

Выполнение гироскопа в виде корпуса, на основании которого установлен кронштейн с закрепленным резонатором, во внутренней полости которого расположена емкостная система регистрации колебаний резонатора, напротив которой с внешней стороны резонатора установлена электромагнитная система возбуждения колебаний резонатора, обе системы крепятся к кронштейну, боковая поверхность резонатора имеет выступ, расположенный между емкостной и электромагнитной системами, а в основании резонатора выполнены сквозные отверстия, позволяет увеличить добротность колебательной системы и обеспечить стабильность колебаний резонатора с амплитудой большей величины без увеличения усилий для их возбуждения.

Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующим условию «новизна».

Полезная модель иллюстрируется чертежами:

на фиг. представлена схема конструкции твердотельного волнового гироскопа.

Твердотельный волновой гироскоп содержит герметичный корпус 1, на основании 2 которого установлен кронштейн 3 с закрепленным резонатором 4. Резонатор 4 выполнен из металла, в виде полого несквозного цилиндра, во внутренней полости которого расположена емкостная система регистрации колебаний резонатора. Емкостная система состоит из электродов 5, расположенных равномерно по окружности с зазором относительно внутренней боковой поверхности резонатора 4 и жестко зафиксированных на кронштейне 3, и металлического вывода 6, установленного вдоль оси крепления резонатора 4. Напротив емкостной системы со стороны внешней боковой поверхности резонатора 4 установлена электромагнитная система возбуждения колебаний резонатора 4. Электромагнитная система состоит из электромагнитов 7, установленных равномерно по окружности с зазором относительно внешней боковой поверхности резонатора 4 в металлическом кольце 8. Металлическое кольцо 8 неразъемно соединено с кронштейном 3. Причем каждый из электромагнитов 7 установлен напротив соответствующего электрода 5.

Боковая поверхность резонатора 4 имеет выступ 9, расположенный между электродами 5 и электромагнитами 7, что позволяет обеспечить стабильность колебаний резонатора 4 и точность измерений.

В основании резонатора 4 равномерно по окружности выполнены сквозные отверстия 10, которые предназначены для акустической развязки резонатора 4 от места его крепления к кронштейну 3, что позволяет увеличить стабильность колебаний резонатора 4, тем самым увеличивается точность измерений и уменьшается энергопотребление твердотельного волнового гироскопа.

Работа твердотельного волнового гироскопа осуществляется следующим образом

При подаче на электромагниты 7 переменного напряжения частотой равной резонансной частоте резонатора 4 возникает электростатическое взаимодействие резонатора 4 с электромагнитами 7, что приводит, к возбуждению колебаний выступа 9 резонатора 4. Колебания выступа 9 резонатора 4 называются стоячей волной. Выступ 9 резонатора 4 обеспечивает увеличение добротности колебательной системы. Сквозные отверстия 10 в основании резонатора 4 обеспечивают акустическую развязку колебаний выступа 9 резонатора 4 от мест его крепления.

При действии угловой скорости, направленной вдоль оси чувствительности гироскопа, возникают кориолисовы силы инерции, вызывающие прецессию стоячей волны, которая определяется емкостной системой регистрации колебаний резонатора 4. Изменения емкостей между электродами 5 и металлическим выводом 6 характеризуют величину действующей угловой скорости.

Таким образом, применение заявленного твердотельного волнового гироскопа позволяет увеличить добротность колебательной системы и обеспечить стабильность колебаний резонатора с амплитудой большей величины без увеличения усилий для их возбуждения.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в измерительной технике, в измерительных элементах угловой скорости;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления;

- средство, воплощающее заявленную полезную модель при осуществлении, способно увеличить добротность колебаний системы и обеспечить стабильность колебаний резонатора с амплитудой большей величины без увеличения усилий для их возбуждения.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».

Твердотельный волновой гироскоп, содержащий корпус, на основании которого установлен кронштейн с закрепленным резонатором, во внутренней полости которого расположена емкостная система регистрации колебаний резонатора, напротив которой с внешней стороны резонатора установлена электромагнитная система возбуждения колебаний резонатора, обе системы крепятся к кронштейну, отличающийся тем, что боковая поверхность резонатора имеет выступ, расположенный между емкостной и электромагнитной системами, а в основании резонатора выполнены сквозные отверстия.

ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Рассматриваются особенности построения волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) с металлическим резонатором. Теоретически и экспериментально показана нелинейная зависимость колебаний пучности и узла стоячей волны резонатора от угловой скорости основания ВТГ прямого измерения. Предложен способ формирования выходного сигнала разомкнутого ВТГ, позволяющий расширить линейную зону характеристики. Приведена структурная схема ВТГ для огибающих колебаний узла и пучности , позволяющая анализировать характеристики ВТГ без учета высокочастотной несущей колебаний резонатора. Проанализированы кривые затуханий колебаний резонатора при работе ВТГ в режиме интегрирующего гироскопа.

SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE WITH A METAL RESONATOR

The features of the construction of Coriolis vibrating gyroscopes (CVG) with a metal resonator are considered. The nonlinear dependence of the oscillations of the antinode and the node of the standing wave of the resonator on the angular velocity of the base of the CVG of direct measurement is shown theoretically and experimentally. A method for generating the output signal of an open CVG is proposed, which makes it possible to expand the linear zone of the characteristic. The block diagram of the CVG for the envelopes of the node and antinode oscillations is presented, which allows analyzing the characteristics of the CVG without taking into account the highfrequency carrier of the resonator vibrations. The damping curves of the resonator oscillations are analyzed when the CVG operates in the integrating gyroscope mode.

Текст научной работы на тему «ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ»

The developed analytical approach to determining the speed of movement of highly maneuverable mobile objects based on the pseudo-radial-speed methodfrom the signals of the satellite radio navigation system makes it possible to reduce the time for mathematical transformations and increase the accuracy of solutions to navigation problems.

Key words: satellite radio navigation system, analytical expressions, navigation methods, navigation parameters, pseudo-radial speed method.

Prokhortsov Alexey Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, head of department, _proxav@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Minina Olga Vladimirovna, postgraduate, OL-within-sunayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ

Рассматриваются особенности построения волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) с металлическим резонатором. Теоретически и экспериментально показана нелинейная зависимость колебаний пучности и узла стоячей волны резонатора от угловой скорости основания ВТГ прямого измерения. Предложен способ формирования выходного сигнала разомкнутого ВТГ, позволяющий расширить линейную зону характеристики. Приведена структурная схема ВТГ для огибающих колебаний узла и пучности, позволяющая анализировать характеристики ВТГ без учета высокочастотной несущей колебаний резонатора. Проанализированы кривые затуханий колебаний резонатора при работе ВТГ в режиме интегрирующего гироскопа.

Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, пучность, узел, нелинейность, огибающие колебаний.

Введение. В настоящее время волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) с металлическим резонатором являются одними из перспективных датчиков первичной информации подвижных объектов по соотношению цена/точность. Производство ВТГ не требуют специальных технологий, таких как фотолитография и травление кремния, как например, при производстве микромеханических гироскопов или объемной обработки кварцевого стекла при изготовлении полусферических резонаторов.

Принцип действия ВТГ основан на эффекте инерции стоячих волн, возбуждаемых в металлическом резонаторе, открытом еще в конце XIX века английским математиком и механиком Дж. Х. Брайаном. При возбуждении стоячей волны в тонкостенном бокале, точки его кромки будут иметь радиальные колебания. Точки с максимальной амплитудой радиальных колебаний называются пучностями (antinode), а с минимальной -узлами (node) (рис. 1). Брайан наблюдал в микроскоп колеблющуюся кромку тонкостенного бокала, расположенного на вращающемся столике и установил, что число пучностей (узлов) стоячей волны, проходящей через объектив меньше числа поворотов столика с бокалом. При этом волновая картина колеблющейся оболочки будет отставать от поворота основания в соответствии с зависимостью [1]:

где ф - угол отставания волновой картины; к - номер формы колебаний; О - угловая скорость основания.

Рис. 1. Запаздывание волновой картины при повороте основания

Для второй формы колебаний (к = 2) при постоянной угловой скорости основания имеем угол отставания волновой картины:

Коэффициент K = 0,4 называется коэффициентом Брайана, который характеризует, что стоячая волна поворачивается в пространстве на угол меньший угла поворота корпуса. Например, если основание повернется относительно инерциального пространства на угол 90°, то стоячая волна (пучности и узлы) будет отставать на угол 0,4*90° = 36°. Следовательно, относительно инерциального пространства волна повернется на 54°. В аналогичных условиях классический гироскоп с быстровращающимся ротором, в силу свойства сохранять направление своей главной оси неизменной в инер-циальном пространстве, будет отставать от поворота основания на 90°.

На эффекте инерции стоячей волны могут быть реализованы интегрирующие гироскопы и датчики угловой скорости. Для реализации интегрирующего гироскопа требуется, так называемое, позиционное возбуждение резонатора, при котором стоячая волна «свободна» относительно корпуса. После прекращения вращения основания волна остается неподвижной в том положении, которое было достигнуто в процессе вращения. При реализации датчика угловой скорости возбуждение стоячей волны происходит вдоль фиксированного направления и стоячая волна, как бы «привязана» к корпусу прибора. После прекращения вращения основания волна возвращается к исходному направлению, создаваемому системой возбуждения.

Преимуществом ВТГ по сравнение с классическими гироскопами является отсутствие подвижных частей, что позволяет создавать приборы длительного ресурса работы.

Конструкция волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором. Прототипом многих разработок ВТГ является конструкция гироскопа компании Innalabs, Ltd (рис. 2, а) [2]. Металлический резонатор 1 устанавливается на основание 3 при помощи винта 2. Пьезоэлементы 5 наклеиваются на дно резонатора равномерно через 45°. Пьезоэлементы при помощи токоподводводов подключаются к гермо-выводам 4. На рис. 2 б приведена фотография образца ВТГ-ДУС без кожуха. Материал резонатора - 21 НКМТ-ВИ. На верхней кромке резонатора видны углубления, как результат его балансировки. Резонатор закрывается кожухом 6 и вакуумируется. Схема наклеивания пьезоэлентов на дно резонатора показана на рис. 2 в.

При реализации ВТГ-ДУС для возбуждения стоячей волны на пьезоэлементы 11 (рис. 2, в) подается гармонический сигнал на частоте равной частоте второй формы колебаний резонатора. Сигналы, снимаемые с пьезоэлементов 2-2, служат для контроля резонанса. С пьезоэлементов 3-3 снимается сигнал, вызванный вращением основания, который обрабатывается и подается на пьезоэлементы 4-4, формируя цепь обратной связи. Сигнал обратной связи несет информацию об угловой скорости основания.

Рис. 2. ВТГ с металлическим резонатором: а - конструктивная схема; б - фотография образца; в - схема расположения пьезоэлементов

Математическая модель ВТГ-ДУС. Анализ характеристик ВТГ осуществляется на основе исследования уравнений движения резонатора в режимах возбуждения и чувствительности соответственно. Математическая модель ВТГ приведена в многочисленной литературе, которая, как правило, сводится к системе двух обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих первичные колебания (режим возбуждения) и вторичные колебания (режим чувствительности), предложенных Д. Линчем (D. Lynch) [3 - 4], которая вытекает из рассмотрения движения двумерного линейного осциллятора и с некоторой модификацией может быть представлена так:

x1 + x1 + (w2 - W2)x1 = f 0 sin nt + 2KWx2 + NxWx2,

x2 + 2£w2x2 + (w2 - W2)x2l = -2KWx1 - N2 Wxb где x1, x2 ; w1, w2- фазовые координаты и собственные частоты резонатора в режиме возбуждения и чувствительности соответственно; £ - относительный коэффициент демпфирования; W - угловая скорость основания; K- коэффициент Брайана; Ni, N2 -коэффициенты углового ускорения; f0, n - амплитуда и частота, ускорения резонатора,

придаваемая пьезоэлементами возбуждения.

Амплитуды установившихся колебаний пучности и узла, полученные по математической модели (2) определяются зависимостями [5]:

2п (1 + пП2) ^ 2п 1 + 2

где Т = 2Q / V - постоянная времени резонатора (Q = 1/(2£) - добротность); п = К 2Т2 -коэффициент нелинейности.

Экспериментальные исследования ВТГ, совместного производства Мичуринский завод «Прогресс» - «Тульский государственный университет» показали, что образцы металлических резонаторов диаметром 22 мм имеют добротность около 30 000 и собственную частоту не более 6 кГц, что соответствует постоянной времени Т»1,5 с.

На рис. 3, а, б приведены экспериментальные графики зависимости амплитуд пучности и узла колебаний ВТГ без контура обратной связи от угловой скорости основания в резонансном режиме. Там же приведены кривые на основе теоретических зависимостей (3) амплитуд установившихся колебаний пучности и узла, показывающие высокую сходимость с экспериментом. Максимум амплитуды колебаний узла достигается при угловой скорости

Для приведенных выше параметров резонаторов максимум амплитуды колебаний узла будет достигаться при угловой скорости основания около 90 °/с.

RU2708907C1 - Твердотельный волновой гироскоп - Google Patents

Publication number RU2708907C1 RU2708907C1 RU2019115580A RU2019115580A RU2708907C1 RU 2708907 C1 RU2708907 C1 RU 2708907C1 RU 2019115580 A RU2019115580 A RU 2019115580A RU 2019115580 A RU2019115580 A RU 2019115580A RU 2708907 C1 RU2708907 C1 RU 2708907C1 Authority RU Russia Prior art keywords electrodes resonator oscillations output adder Prior art date 2019-05-21 Application number RU2019115580A Other languages English ( en ) Inventor Антонина Алексеевна Папко Алексей Владимирович Поспелов Original Assignee Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2019-05-21 Filing date 2019-05-21 Publication date 2019-12-12 2019-05-21 Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" 2019-05-21 Priority to RU2019115580A priority Critical patent/RU2708907C1/ru 2019-12-12 Application granted granted Critical 2019-12-12 Publication of RU2708907C1 publication Critical patent/RU2708907C1/ru

Images

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
- G01C19/5607 — Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks
Abstract

Изобретение относится к метрологии, в частности, к твердотельным волновым гироскопам. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления. Электронный блок управления дополнительно содержит компаратор с гистерезисом, устройство фазовой автоподстройки частоты, модулятор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер. Выходы устройств вычисления угла соединены через аналого-цифровой преобразователь с микроконтроллером, а также через устройство подавления квадратурных колебаний с устройством стабилизации амплитуды колебаний. Выход устройства подавления квадратурных колебаний соединен с входом сумматора, выход одного из устройств вычисления угла последовательно соединен с компаратором с гистерезисом и устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого через модулятор соединен с сумматором. Технический результат - улучшение метрологических характеристик за счет уменьшения времени вхождения в рабочий режим, повышение точности и стабильности гироскопа. 1 ил.

Description

Твердотельный волновой гироскоп относится к гироскопическому приборостроению и может быть использован для измерения угловых скоростей подвижных объектов.

В основе функционирования твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) лежит физический принцип, основанный на инертных свойствах упругих механических стоячих волн в твердом теле, проявляющих себя в виде отставания угла поворота стоячей волны от поворота корпуса.

Также известен твердотельный волновой гироскоп (Патент РФ №2182312, МПК G01C 19/56, опубл. 10.05.2002), содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации по меньшей мере на одной из множества мод стоячих волн, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков и электродов управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и вычисления угла, отличающийся тем, что электрод резонатора, закрепленный напротив электродов датчиков, присоединен к нулевому потенциалу, а электроды датчиков - к источникам опорных переменных токов высокой частоты, электродами датчиков и электродом резонатора образованы емкостные преобразователи перемещений. Электронный блок управления дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, дифференциальные усилители-сумматоры сигналов с емкостных преобразователей перемещений, устройства детектирования и фильтрации низких частот для выделения сигналов колебаний резонатора. Электроды управления и электроды датчиков закреплены на одной поверхности корпуса.

Недостатком указанных гироскопов является большое время вхождения в рабочий режим, обусловленное высокой добротностью резонатора.

Наиболее близким к заявляемому твердотельному волновому гироскопу является принимаемый за прототип твердотельный волновой гироскоп (Патент РФ №2168702, МПК G01C 19/56, опубл. 10.06.2001), содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации по меньшей мере на одной из множества мод стоячих волн, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков, электродов управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, отличающийся тем, что дополнительно закреплен по меньшей мере один электрод на торцевой поверхности резонатора, а электроды датчиков закреплены на поверхности корпуса, параллельной торцевой поверхности резонатора, напротив электродов, закрепленных на торцевой поверхности резонатора. Электроды, закрепленные на торцевой поверхности резонатора, присоединены к нулевому потенциалу, а электроды датчиков - к источникам опорных переменных токов высокой частоты, электродами датчиков и электродами, закрепленными на торцевой поверхности резонатора, образованы емкостные преобразователи перемещений. Электронный блок управления дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, дифференциальные усилители-сумматоры сигналов с емкостных преобразователей перемещений, устройства детектирования и фильтрации низких частот для выделения сигналов колебаний резонатора. Электроды на торцевой поверхности резонатора электрически соединены с электродом резонатора, а электроды управления закреплены на поверхности корпуса напротив электрода резонатора.

Недостатком приведенной конструкции является низкая точность и стабильность гироскопа, обусловленная погрешностью определения положения колебательной картины из-за наличия раздельного выделения сигналов колебаний резонатора по собственным осям.

Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик за счет уменьшения времени вхождения в рабочий режим и повышения точности и стабильности гироскопа.

Поставленная цель достигается тем, что твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления, отличающийся тем, что электронный блок управления дополнительно содержит компаратор с гистерезисом, устройство фазовой автоподстройки частоты, модулятор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, при этом выходы устройств вычисления угла соединены через аналого-цифровой преобразователь с микроконтроллером, а также через устройство подавления квадратурных колебаний с устройством стабилизации амплитуды колебаний, причем выход устройства подавления квадратурных колебаний соединен с входом сумматора, выход одного из устройств вычисления угла последовательно соединен с компаратором с гистерезисом и устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого через модулятор соединен с сумматором.

Введение в структуру электронного блока управления компаратора с гистерезисом обеспечивает уменьшение времени вхождения гироскопа в рабочий режим за счет уменьшения потерь энергии стоячей волны до уровня, обеспечивающего нормальную работоспособность канала возбуждения и может быть рассчитано по формуле уравнения свободных затухающих колебаний:

Конкурентоспособный волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором

Рассмотрены конструкция и особенности изготовления волнового твердотельного гироскопа-датчика угловой скорости (ВТГ-ДУС) с металлическим резонатором, для возбуждения и детектирования колебаний которого применены пьезоэлементы.

Так как технические характеристики ВТГ в основном определяются резонатором, его конструкция является определяющей в составе ВТГ. Для изготовления высокодобротного металлического резонатора ВТГ с заданными свойствами хорошим выбором является прецизионный сплав 21НКМТ-ВИ. Устранение дефектов изготовления резонатора, которые приводят к разночастотности и разнодобротности, достигается балансировкой. Базовым методом является балансировка по 4-й форме распределения дефектов масс. Калибровка ВТГ с блоком электроники является завершающим этапом изготовления ВТГ, в результате которой достигается: обеспечение условия резонансной настройки чувствительного элемента, определение коэффициентов обратных связей контура удержания колебаний, определение метрологических характеристик ВТГ и получение функции коррекции выходного сигнала от различных параметров после проведения комплекса испытаний.

При определении функции коррекции учитывался тот факт, что сигналы подавления квадратурной и кориолисовой составляющих являются не абсолютно независимыми, а в какой-то мере смешанными. При демодуляции сигнала узла на квадратурную и кориолисовую составляющие приходится анализировать сигнал, прошедший через пьезоэлементы, усилители и АЦП. Каждый из этих элементов может вносить зависящий от температуры фазовый сдвиг в сигнал узла. Частично этот фазовый сдвиг может быть учтен, но не с абсолютной точностью. Поэтому выходной сигнал ВТГ необходимо рассматривать как линейную комбинацию сигналов квадратурной и кориолисовой составляющих сигнала компенсации. Для уменьшения амплитуды шумовых составляющих выходного сигнала возможно применение различных типов сглаживающих фильтров.

Результаты испытаний разработанного ВТГ-ДУС подтверждают его конкурентоспособность по сравнению с иностранным аналогом. Вся электроника управления может быть построена на отечественной элементной базе.

Ключевые слова

Об авторах

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет"
Россия
Доктор технических наук, зав. кафедрой

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет"
Россия
Кандидат технических наук, доцент

Список литературы

1. Bryan G. H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell // Proc. of Cambridge Phil. Soc. 1890, Nov. 24. Vol. VII. Part. III. P. 101—111.

2. Coriolis G. G. Mémoire sur les quations du movement relative des systms de corps (On the Equation of Relative Motion of a Systems of Bodies) // J. Ec. Polytech. 1835. N. 15. P. 142—154.

3. Lynch D. D. Vibration-induced drift in the hemi-spherical resonator gyro // Proc. Annual Meeting of the Institute of Navigation. 23—25 June, 1987, Dayton, Ohio. P. 34—37.

4. Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985. 125 с.

5. Пешехонов В. Г. Гироскопы начала XXI века // Гироскопия и навигация. 2003. № 4. С. 5—18.

6. Линч Д. Взгляд компании "НОРТРОП ГРУММАН" на развитие инерциальных технологий // Гироскопия и навигация. 2008. № 3. C. 102—106.

7. Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.

8. Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М.: Издво МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 165 с.

9. Лунин Б. С. Физико-химические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов. М.: МАИ, 2005. 224 с.

10. Басараб М. А., Кравченко В. Ф., Матвеев В. А. Математическое моделирование физических процессов в гироскопии. М.: Радиотехника, 2005. 176 с.

11. Chikovani V. V., Yatsenko Yu. A., Kovalenko V. A., Scherban V. I. Digitally controlled High Accuracy Metallic Resonator CVG // Proc. Symposium Gyro Technology. Stuttgart. 2006. P. 4.0—4.7.

12. Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Barbashov A. S., Kovalenko V. A., Scherban V. I., Marusyk P. I. Metallic Resonator CVG Thermophysical Parameter Optimization and Temperature Test Results // Proc. Of XIV International Conference on Integreted Navigation Systems (28—30 May 2007. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2007. P. 74—77.

13. Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Barbashov A. S. et al. Improved accuracy metallic resonator CVG // Proc. of XV International Conference on Integreted Navigation Systems (26—28 May 2008. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2008. P. 28—31.

14. Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Mikoloshin I. T. Shock and vibration sensistivity test result for metallic resonator CVG // Proc. of XVI International Conference on Integreted Navigation Systems (25—27 May 2008. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2009. P. 88—92.

15. Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A. Investtigation of azimuth accuracy measurement with metallic resonator Coriolis vibratory gyroscope // Proc. of XVII International Conference on Integreted Navigation Systems (31 May — 2 June 2010. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2010. P. 25—30.

16. Чуманкин Е. А. Результаты проектирования и испытаний датчика угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2013. № 2 (81). C. 104—111.

17. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1983. 359 с.

18. Молотилов Б. В. Прецизионные сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1974. 448 с.

19. Арзамасов Б. Н., Соловьева Т. В., Герасимов С. А. Справочник по конструкционным материалам. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 640 с.

20. Егармин Н. Е., Юрин В. Е. Введение в теорию вибрационных гироскопов. М.: БИНОМ, 1993. 111 с.

21. Жбанов Ю. К., Журавлев В. Ф. О балансировке волнового твердотельного гироскопа // Изв. РАН. МТТ. № 4.

Читайте также:

Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором

ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Матвеев Валерий Владимирович

SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE WITH A METAL RESONATOR

Текст научной работы на тему «ВОЛНОВОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГИРОСКОП С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ»

RU2708907C1 - Твердотельный волновой гироскоп - Google Patents

Links

Images

Classifications

Abstract

Description

Конкурентоспособный волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором

Ключевые слова

Об авторах

Список литературы