Балочний вібраційний гіроскоп для систем стабілізації

Реферат: Балочний вібраційний гіроскоп містить балочний резонатор з електродами збудження і знімання інформації та блок збудження первинних коливань. Крім цього, в нього введений фазовий детектор, один вхід якого з'єднаний з електродом знімання первинних коливань, а інший вхід з'єднаний з електродами знімання вторинних коливань, а сигнал, пропорційний кутовій швидкості обертання, знімається з виходу фазового детектора. UA 85316 U (54) БАЛОЧНИЙ ВІБРАЦІЙНИЙ ГІРОСКОП ДЛЯ СИСТЕМ СТАБІЛІЗАЦІЇ UA 85316 U UA 85316 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до вимірювачів кутової швидкості і може бути використана в системах стабілізації платформ, розташованих на рухомих об'єктах, а також для виміру орієнтації рухомих об'єктів. Відомі аналоги балочних вібраційних гіроскопів, патенти США №№ 5952573, 6777857,7886598, 8297120. Найближчим аналогом є балочний гіроскоп, описаний у патенті США № 7886598 G01P 9/04 (Арl. No 11/499,958, Filed Aug. 7 2006). Цей пристрій характеризується тим, що реалізує режим обробки вихідного сигналу за допомогою пристроїв для віднімання та складання сигналів первинних та вторинних коливань при зміни фази первинних коливань на 180 градусів (реверс первинних коливань) і далі виділяється амплітуда резонансної частоти балки, що несе інформацію про кутову швидкість. Недоліком даного технічного рішення є те, що при зміни фази первинних коливань починається перехідний процес, який призводить до погрішностей вимірювання кутової швидкості, а не одноразово віднімання сигналів призводить до збільшення шумів, в результаті чого ускладнюється обробка інформації і не покращується надійність приладу. В основу корисної моделі поставлено задачу спрощення обробки інформації за рахунок вимірювання різності фаз первинних та вторинних коливань, яка також пропорційна кутовій швидкості, що спрощує обробку сигналів і перетворення їх у цифрову форму, зменшує вартість розробки та виробництва, а також покращує надійність. Поставлена задача вирішується тим, що в балочному вібраційному гіроскопі, що містить балочний резонатор з електродами збудження та знімання сигналів та блока збудження первинних коливань вводиться фазовий детектор, один вхід якого з'єднаний з електродом знімання первинних коливань, а інший вхід з'єднаний з електродом знімання вторинних коливань, а сигнал, пропорційний кутовій швидкості обертання, знімається з виходу фазового детектора. Корисна модель пояснюється кресленням, яке зображено на фігурі. Модель складається з балочного резонатора 1 з електродами 2, 3, 4, 5 збудження та знімання сигналів, блока 6 збудження, який задає первинні коливання заданій амплітуді та блока 7 фазового детектора. Модель працює наступним чином. Блок 6 збуджує коливання X(t) на резонансній частоті r балочного резонатора з амплітудою A0 (коливання зліва направо є первинні коливання) у вигляді наступного виразу: X(t)A0cos(rt). (1) При появі кутової швидкості  обертання навколо осі, паралельній повздовжній осі балки, виникає сила Коріоліса, яка викликає вторинні коливання Υ(t) вдовж осі, яка перпендикулярна осі первинних коливань (вгору-вниз). Сигнал вторинних коливань, що знімається з електродів 3 і 5 несе інформацію про кутову швидкість обертання  балки і може бути представлена наступним виразом: 2 Y t   K0 sin r t  A q cos r t  K   A 2 cosr t   ; (2) q де Aq є амплітуда квадратурного сигналу, K є масштабний коефіцієнт гіроскопа. Далі сигнал (2) подається на один з входів блока 7 фазового детектора, а на другий його вхід подається сигнал (1) первинних коливань. На виході блока 7 фазового детектора є сигнал різниці фаз : K K   arctg   , для   1, (3) Aq Aq який є пропорційний кутової швидкості  для малих . Слід відзначити, що значення Aq завжди відмінно від нуля, бо характеризує погрішності виготовлення резонатора (балки), яка не може бути ідеальною. Масштабний коефіцієнт таких гіроскопів зазвичай є на рівні 0,01-0,02 В/(град/с), значення Aq приблизно на рівні 0,04-0,05 В, тобто у виразу (3) K/Aq≤0,5, отже рівність (3) виконується для малих Ω. Наприклад, для Ω≤0,2 рад/с (~ 11 град/с) погрішність вимірювання кутової швидкості  буде рівна не лінійності функції arctg(x) для малих х, тобто: 3 50 55 1 K  1 3       0.1  0.0003 ðàä ñ  0.018 ðàä ñ . (4) A  3 q  3 Так як в системі стабілізації діапазон кутових швидкостей є малий, тому що як тільки з'являється кутова швидкість система стабілізації компенсує її, повертаючи платформу в початкове положення, то умова максимальної кутової швидкості не більш 11 град/с виконується для більшості систем стабілізації, а максимальна погрішність виміру кутової швидкості не більш 0,018 град/с є також вповні достатньої для систем стабілізації. Для систем стабілізації високої 1 UA 85316 U 5 10 15 точності максимальна кутова швидкість не більш ніж 1 град/с, тоді точність виміру кутової -5 швидкості по виразу (4) є не більш ніж 1,3×10 град/с (~ 0,05 град./год.). Таким чином, поставлена задача вирішена: спрощена обробка інформації вторинного сигналу, інформація про кутову швидкість є фазова і може бути введена до комп'ютера (процесора) без використання цифро-аналогового перетворююча, що здешевлює і полегшує розробку і виготовлення гіроскопа і збільшує його надійність за рахунок зменшення кількості електронних компонент. Додатково, дане технічне рішення зменшує шуми на величину шумів цифро-аналогового перетворювача. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Балочний вібраційний гіроскоп, що містить балочний резонатор з електродами збудження і знімання інформації та блок збудження первинних коливань, який відрізняється тим, що в нього введений фазовий детектор, один вхід якого з'єднаний з електродом знімання первинних коливань, а інший вхід з'єднаний з електродами знімання вторинних коливань, а сигнал, пропорційний кутовій швидкості обертання, знімається з виходу фазового детектора. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2