Циліндричний чутливий елемент коріолісового вібраційного гіроскопа

Винахід належить до області гіроскопічного приладобудування та може бути використаний для вимірювання кутових швидкостей та кутів повороту в складі вібраційного коріолісового гіроскопа (КВГ). За аналог пристрою чутливого елемента (ЧЕ) можна розглянути схему запропоновану [в книзі В.А.Матвеев, В.И.Липатников, А.В.Але хин "Проектирование волнового твердотельного гироскопа" М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998, стор.11-16],. ЧЕ в ній виконаний, y вигляді циліндричної оболонки з суцільним дном та вузлом кріплення в середині. Збудження пружних стоячих хвиль в циліндричному резонаторі та зйом інформації здійснювався за рахунок 8-ми п'єзодатчиків приклеєних по колу біля вільного краю циліндра. Змінний сигнал збудження подавався на пару діаметрально протилежних п'єзодатчиків на частоті близькій до частоти основної власної форми коливань резонатора. Згинні деформації датчиків викликають радіальні коливання оболонки резонатора. В результаті в резонаторі виникає пружна стояча хвиля на другій моді коливань з чотирма пучностями та вузлами. При обертанні резонатора навколо своєї осі з кутовою швидкістю Ω виникає сила Коріоліса, що зміщує хвилю (її пучності та вузли) по колу. При цьому виникають зміни сигналів датчиків, що розташовані в вузлах, які пропорційні кутовій швидкості. Недоліки такої схеми ЧЕ полягають в тому, що розміщення п'єзодатчиків біля вільного краю резонатора демпфують хвилю, що приводить до зменшення його добротності, а отже зменшення масштабного коефіцієнта КВГ та чутливості. Крім того, за рахунок нерівномірності розподілення жорсткості по колу (через наявності приклеєних датчиків) осі пружної хвилі (вісь пучностей та вузлів) не співпадають з осями розміщення п'єзодатчиків, а розміщуються по середині. Це призводить до нелінійності масштабного коефіцієнта КВГ та зменшує чутливість до малих кутових швидкостей. В пристрої принятому авторами за прототип [патент США №4644793 від 24.07.87 (G01С19/56)] ЧЕ складається з вібростакана, що виступає з гнучкої плоскої пластини (мембрани) на якій він закріплюється. При згинних збудженнях плоскої пластини вона деформує циліндричний стакан і збуджує його радіальні коливання. При обертанні ЧЕ навколо своєї вісі вузлові точки радіальних коливань переміщуються по колу циліндричної оболонки за рахунок дії сил коріоліса. Ці зміщення передаються мембрані на якій розташовані датчики переміщення, наприклад, ємкісні, котрі регіструють це переміщення. Пластина припаюється до керамічного диску на якому знаходиться система електродів. Недоліками прототипу є мембрана форма ЧЕ, що защімлюється по зовнішньому контуру і навантажується циліндричним елементом, що закріплюється по внутрішньому контуру мембрани. В даному випадку наявність неінерційних збуджень (вібрації, удари тощо) викликає збудження мембранних форм коливань, частоти яких можуть співпадати або бути близькими з основною частотою вібростакана. Це обмежує чутли вість такого гіроскопа та призводить до істотних похибок. Перед авторами стояла задача підвищення чутливості та технологічності виготовлення за рахунок зміни конструкції циліндричного резонатора і місць розміщення електродів. Поставлена задача вирішується тим, що в циліндричний чутливий елемент вібраційного коріолісового гіроскопа, що складають з циліндричного стакана який кріплять на круглій мембрані защемленій по її зовнішньому контуру, нижню частину циліндра виконують меншої товщини, а в дні резонатора виконують 8-м отворів, які розташовують симетрично по колу через 45 градусів, вузол кріплення виконують в вигляді циліндричного стакана вивернутого в середину чутливого елемента, бокова внутрішня поверхня якого є базовою площиною для кріплення резонатора до основи, а електроди збудження та зйому інформації розміщують на спицях, які утворилися в наслідок виконання 8-ми отворів. Отвори можуть бути круглі, овальні або іншої нестандартної форми, але такі, що між ними утворюються спиці на яких розміщуються електроди збудження та зйому, наприклад, приклеюються п'єзодатчики. Для зменшення зв'язку вібруючи х спиць з вузлом кріплення ЧЕ та зменшення відбору енергії і передачі її основі, на якій він кріпиться, останній виконують в вигляді додаткового циліндричного стакана вивернутого в середину. Цей стакан має базову циліндричну площину відносно якої базуються при виготовлені резонатора і яка задає напрям вісі ЧЕ. Суттєвість винаходу ілюструється на Фіг.1, 2 та 3. На Фіг.1 представлено вигляд дна циліндричного ЧЕ з 8-ма отворами 1 круглої форми діаметром d, які розташовані симетрично через кути 45° та наклеєні на спиці, що створились, електроди, наприклад, п'єзодатчики 2 для збудження коливань та зйому інформації. Осі X та Υ є осі симетрії утворених спиць, вісь Ζ є вісь, що проходить через центри діаметрально протилежних отворів. На Фіг.2 показаний вигляд циліндричного ЧЕ з боку. ЧЕ КВГ складається з кільцевого резонатора, виконаного у вигляді циліндричного обода 3 радіуса R0, товщиною Н, висотою L та циліндричного пружного підвісу 4 висотою l з дном 5, що має меншу товщину h порівняно з циліндричним ободом, при цьому середній радіус різнотовщинної циліндричної оболонки один і той же. В дні пружного підвісу передбачене кріплення ЧЕ, в вигляді циліндричного стакана 6 з внутрішнім радіусом r, вивернутим в середину ЧЕ з осесиметричною базовою поверхнею А. Значення параметрів R0, Η, L, h, l, r та d можуть змінюватися в залежності від діаметра циліндра та області застосування КВГ. Один з прикладів значень параметрів є: R0=12.5мм, Н=1мм, L=8мм, h=0.3мм, l=10мм, r=4мм, d=5.5мм. На Фіг.3 показана форма однієї з 8-ми спиць, що формується на дні ЧЕ в випадку, коли отвори мають круглу форму. Чутливий елемент працює наступним чином. На діаметрально протилежну пару електродів, наприклад, п'єзодатчиків, розташованих на спицях пружного підвісу зі сторони дна подається змінний сигнал з автогенератора блоку функціональної електроніки (на Фіг. не показано) на частоті близькій до власної частоти коливань кільцевого обода. За рахунок згинних деформацій спиць дна виникає згинний момент, який викликає еліптичні деформації обода на основній 2-й формі коливань. Таким чином в кільцевому резонаторі ЧЕ збуджується стояча хвиля, пучність якої орієнтована по осі Y, що зв'язує елементи збудження, тоді як по осі X вузлів (повернутої на кут 45°) розміщуються електроди зйому інформації, наприклад, п'єзодатчики. Так як електроди розташовані симетрично по колу, то навпаки вісь Y може бути віссю вузлів, а вісь X - вісь пучностей. Коли ЧЕ обертається навколо своєї вісі, вузлові точки стоячої хвилі зміщуються по колу за рахунок дії коріолісової сили і на вузлових електродах виникає сигнал, пропорційний кутовій швидкості. Цей сигнал підсилюється та обробляється в електронних блоках КВГ, наприклад, демодулюється та через ПІД-регулятор та модулятор подається на пару компенсаційних електродів, розташованих під кутом 90° відносно елементів зйому, для компенсації інерціального зміщення стоячої хвилі. На цьому прикладі одного з варіантів виконання електронних блоків КВГ, сигнал компенсації виводиться з блоку функціональної електроніки як вихідний сигнал пропорційний кутової швидкості, що вимірюється. Чутливий елемент КВГ може бути виконаний з любого матеріалу, однак для забезпечення високої стабільності коливань він як правило виконується з матеріалів з малими внутрішніми витратами, що забезпечує високу добротність, та сталими пружними властивостями, що забезпечують стабільність частоти коливань в інтервалі робочих температур, наприклад, прецизійній немагнітний дисперсійно твердіючий сплав з заданими пружними властивостями 42 НХТЮМ - ТУ 109 94-74 або тітановий сплав ВТ8, для яких логарифмічний декремент затухання складає відповідно δ[%]=0.03 та δ[%]=0.022, а температурний коефіцієнт модуля Юнга відповідно е[1/°С]=5×10-5 та е[1/°С]=9×10-5, та інших високоякісних сплавів. Може також бути застосований плавлений кварц. Відзначено, що оскільки товщина циліндричної частини пружного підвісу h