Півсферичний резонаторний гіроскоп зі складовим резонатором

Дана корисна модель відноситься до галузі розробки гіроскопічних приладів, зокрема - до технології коріолісових вібраційних гіроскопів, а саме - до півсферичних гіроскопів з кварцовим резонатором, і може бути використана в системах орієнтації, навігації і управління рухомими об'єктами. Відомі коріолісові вібраційні гіроскопи з ніжками [патент США №5383362, кл.G01P15/08 "Control for vibratory gyroscope", 24.01.1995; патент США №4951508, кл. G01C19/42 "Vibratory rotation sensor", 28.08.1990; патент США №4157041, кл. G01P9/04 "Sonic vibrating bell gyro", 5.06.1979; В.А.Ма твеев, В.И.Липатников, А.В. Але хин "Проектирование волнового твердотельного гироскопа", М., издательство МГТУ им.Н.Э. Баумана, 1998г., с.18-21, рис.1.12], що містять чутливий елемент (резонатор) з ніжкою і кільцевий електрод збудження, при цьому резонатор виконаний у вигляді півсфери із суворою осьовою симетрією і виготовлений або з плавленого кварцового скла, або з п'єзокерамічного матеріалу, а також може бути металевим. Плавлене кварцове скло володіє високостабільними пружними характеристиками, має високу добротність, - тому його використовування при виготовленні резонатора є найкращим порівняно з виготовленням резонатора з інших матеріалів. Найбільшу точність вимірювань забезпечують гіроскопи, побудовані на базі півсферичних кварцових резонаторів: так, добротність цих резонаторів досягає декількох мільйонів, тоді як металевих - декілька десятків тисяч. Найближчим аналогом пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є згаданий вище вібраційний гіроскоп, описаний в патенті США №4951508. Кварцовий вібраційний гіроскоп може працювати як датчик кутової швидкості обертання в двох режимах: з розімкненим зворотним зв'язком і із замкнутим зворотним зв'язком. Крім того, цей гіроскоп може працювати в інтегруючому режимі. При роботі гіроскопа в режимі датчика кутової швидкості вимірюється кутова швидкість основи, на якої встановлений гіроскоп (в даному випадку реалізується режим позиційного збудження резонатора). При роботі гіроскопа в інтегруючому режимі знімається інформація по прирощенню кута повороту основи гіроскопа (здійснюється режим параметричного збудження резонатора). У найпростішому режимі роботи гіроскопа (з розімкненим зворотним зв'язком) при подачі змінного сигналу на кільцевий електрод збудження виникає пружна стояча хвиля на одній з мод коливань резонатора (збуджена мода), при цьому найчастіше на практиці використовується друга мода із заданою амплітудою, яка стабілізується з використанням системи автоматичного регулювання підсилення. Стояча хвиля на другій моді коливань характеризується пучностями і чотирма вузлами коливань. Обертання навколо осі симетрії вібраційної структури (кільцевий електрод збудження + резонатор) приводить до виникнення Коріолісова прискорення wк : wк = 2(W ´ V ) , (1) де W - кутова швидкість обертання резонатора навколо осі симетрії, V - лінійна швидкість елементів структури в процесі вібрації. Коріолісова сила для маси Dm складе: Fк = Dmwк , (2) при цьому питома Коріолісова сила буде: Fк = 2(W ´ V ) . (3) Дія Коріолісової сили викликає появу вимірюваної (коріолісової) моди коливань, амплітуда якої пропорційна кутовій швидкості обертання W . Вимірювана мода орієнтована так, що її вузли розташовані на пучностях збудженої моди, а пучності - на вузлах збудженої моди. Для другої моди коливань ці дві моди просторово повернені відносно одна однієї на кут 45°. При роботі гіроскопа в режимі розімкненого зворотного зв'язку його смуга пропускання залежить від добротності Q вимірюваної моди, тобто від часу затухання коливань цієї моди: так, наприклад, при Q = 1000 і Q власній частоті коливань резонатора fв = 5000Гц смуга пропускання Df = = 0,06Гц . Такий гіроскоп може pfв вимірювати тільки постійні кутові швидкості, наприклад, горизонтальну або вертикальну складові кутової швидкості обертання Землі. Для збільшення смуги пропускання гіроскопа необхідно забезпечити швидке затухання вимірюваної моди коливань, що приводить до зменшення Q цієї моди і, відповідно, до збільшення смуги пропускання гіроскопа. Таке затухання вимірюваної моди коливань відбувається при роботі гіроскопа в режимі замкнутого зворотного зв'язку, тобто в режимі силового зрівноваження хвилі. У цьому режимі вимірюється сигнал вузла збудженої моди (сигнал пучності вимірюваної моди), формується сигнал негативного зворотного зв'язку, компенсуючий виниклий у вузлі сигнал шляхом подачі протифазного сигналу на другий з чотирьох вузлів, що дозволяє подавити вимірювану моду коливань, забезпечуючи мале значення Q (так, при Q = 1 досягається величина Df = 60Гц ). При роботі гіроскопа в інтегруючому режимі Коріолісова сила сприяє переходу енергії коливань збуджуваної моди у вимірювану моду і зворотно, при цьому пружна хвиля обертатиметься разом з резонатором. Кут повороту пружної хвилі відставатиме від кута повороту основи гіроскопа відносно інерціального простору на величину постійного коефіцієнта, який визначається тільки робочою модою коливань (наприклад, цей коефіцієнт приблизно дорівнює 0,32 для другій моди коливань и приблизно 0,25 - для третьої моди коливань). Коріолісовим вібраційним гіроскопам з резонатором з ніжкою, зокрема - і пристрою, вибраному в якості прототипу, притаманні наступні недоліки: 1) у резонаторі з ніжкою (або ніжками) вона виготовляється разом з півсферою з одного куска, наприклад, кварцу, що ускладнює технологію такого виконання, здорожує її і робить непридатною для масового виробництва гіроскопів; 2) використовування вищезазначеної технології виготовлення не дозволяє виконати півсферу високої якості: через те, що стінки півсфери виходять неоднакової товщини, виникає проблема незбалансування мас півсфери по її круговій координаті, а це надалі веде до необхідності проведення статичного і динамічного балансування мас резонатора, що є складною і дорогою процедурою з використанням спеціальних технологій зняття з нього мікромас; 3) для збудження такого резонатора за допомогою електростатичних сил, тобто із застосуванням ємкісних електродів, які використовуються в вищезазначених патентах, потрібне використовування високих напруг з амплітудою до 600В на власній частоті коливань резонатора, а для їх підтримки необхідно використовувати напруги до 60В, що забезпечується спеціальною схемою збудження з високим енергоспоживанням. Перелічені недостатки притаманні всім конструкціям таких гіроскопів як з розімкненим зворотним зв'язком, так і із замкнутим зворотним зв'язком, а особливо - при роботі гіроскопа в інтегруючому режимі. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення пристрою шляхом виконання півсферичного резонатора без ніжки і його з'єднання з кільцевим електродом збудження за допомогою клею, причому цей електрод виконаний з його розділенням на сегменти з можливістю використання третьої моди коливань резонатора із заданою амплітудою. Поставлена задача вирішується так, що в півсферичному резонаторному гіроскопі з складовим резонатором, що містить півсферичний резонатор і кільцевий електрод збудження, новим є те, що в ньому півсферичний резонатор виконаний без ніжки і має отвором в його полюсі, кільцевий електрод збудження виконаний у вигляді п'єзоелектричного диска з отвором по центру і з провідною поверхнею, розбитою на сегменти, які створюють окремі групи, перша з яких для подачі на її сегменти змінної напруги з'єднана з контуром збудження коливань резонатора, друга група сегментів - з контуром підтримки цих коливань, і третя група сегментів - з контуром зняття інформації, при цьому півсферичний резонатор розташований своїм полюсом над провідною поверхнею п'єзоелектричного диска і з'єднаний з ним за допомогою клейового з'єднання з можливістю усунення втрат енергії резонатора, причому круглий отвір півсферичного резонатора розташований над круглим отвором п'єзоелектричного диска, при цьому радіус його отвор у співпадає з радіусом отвору півсферичного резонатора. Запропонована конструкція гіроскопа з використанням півсферичного резонатора без ніжки дозволяє значно підвищити якість виготовлення резонатора, знизити різнотовщинність поверхні півсфери у декілька разів, що, в остаточному підсумку, підвищує точність і чутливість роботи гіроскопа. Крім того, з'являється можливість використовування широко відомих те хнологій масового виробництва, наприклад, кварцових лінз, що здешевлює вартість виготовлення резонатора, а також відпадає необхідність проведення механічного (статичного і динамічного) балансування мас. Необхідно відзначити, що для збудження коливань резонатора і їх підтримки з використанням запропонованого п'єзоелектричного диска потрібна напруга не більш 1В, при цьому потужність, що витрачається на збудження коливань резонатора, рівна сотим часткам мкВт, що обумовлене величиною активного опору п'єзоелектричного диска, рівної декільком десяткам Мом. Суть корисної моделі пояснюється такими Фігурами: на Фіг.1 подана третя мода коливань півсферичного кварцового резонатора з розташуванням електродів в вузлах і пучностях його коливань, на Фіг.2 показаний загальний вид чутливого елементу, що складається з півсферичного кварцового резонатора, з'єднаного з п'єзоелектричним диском, на Фіг.3 приведена схема збудження і управління стоячою хвилею, а також зняття сигналу про кутову швидкість у разі використовування сегментованого п'єзоелектричного диска, на Фіг.4 показаний характер коливань (деформація) сегментованого п'єзоелектричного диска при підводі до нього періодичної напруги, наприклад, до сегментів 1-5-9, на Фіг.5 подана залежність амплітуди коливань на екваторі півсферичного кварцового резонатора від амплітуди напруги, прикладеної до сегменту сегментованого п'єзоелектричного диска, на Фіг.6 показані графіки амплитудо - частотної і фазо - частотної характеристик півсферичного кварцового резонатора, приклеєного до п'єзоелектричного диска, Півсферичний резонаторний гіроскоп з складовим резонатором (Фіг.2) складається з півсферичного резонатора 1 з отвором 2 по його полюсу і п'єзоелектричного диска 3 діаметром 2R з отвором 4 діаметром 2r0 , виконаним по центру диска 3. Резонатор 1 кріпиться до диска 3 за допомогою клейового з'єднання таким чином, що полюс півсфери 1, тобто її центр, розташовується по центру отвору 4 диска 3. Диск 3 виконаний сегментованим, тобто розбитим на сегменти 5 (Фіг. 3) по провідному струм покриттю (покриття - камель або срібло), причому перша група сегментів використовується для збудження коливань резонатора, друга група сегментів - для підтримки цих коливань, і третя група сегментів - для зняття інформації. Диск 3 може бути виготовлений з будь - якого матеріалу, що володіє п'єзоефектом, зокрема - з п'єзокерамічного матеріалу або плавленого кварцового скла. Відмітною особливістю даної конструкції є те, що півсферичний резонатор 1 вібрує в третій моді коливань. Переваги третьої моди коливань порівняно з другою модою коливань пояснюється наступним: 1) при клейовому з'єднанні резонатора 1 і диска 3, вібруючих на другій моді коливань, дане з'єднання перетворюється на дисипативну (неконсервативну) систему, що характеризується значною дисипацією енергії коливань, що веде до втрати добротності резонатора, і отже, до зменшення точності гіроскопа в цілому, а при збудженні третьої моди коливань взаємодія між резонатором 1 і диском 3 носитиме консервативний характер, унаслідок чого втрати енергії будуть несуттєвими (так, добротність резонатора при запропонованому способі його збудження на другій моді коливань складає 105, а на третій моді коливань добротність досягає значення 3 • 106); 2) на третій моді коливань технологічні дефекти виготовлення резонатора (різна товщина стінок, еліптичність) менше впливають на дрейф нуля гіроскопа. Виходячи з цих міркувань, надалі розглядатимемо саме третю моду коливань. Деформація резонатора 1 при коливаннях по третій моді подана на Фіг.1, при цьому стояча хвиля, що утворилася при коливаннях, матиме шість пучностей, розташованих по осях 1-1’, 3-3’, 5-5’ і шість вузлів коливань, розташованих по осях 2-2’, 4-4’, 6-6’. Процес збудження резонатора 1 п'єзоелектричним диском 3 полягає у тому, що під дією змінної напруги диск 3 створює рівномірно - розподілене навантаження f0 уздовж його внутрішньої границі, величина якого визначається : d31EnhRcp f0 = U r0 + w(q ) , (4) R де d31 , En - відповідно п'єзоелектричний модуль і модуль Юнга матеріалу диска, cp - середній радіус диска, h - його середня товщина, r0 - внутрішній радіус диска, w(q ) - амплітуда його радіальної деформації, q координата по твірній півсфери, U - прикладена напруга. Компонента сили, яка діє по нормалі до поверхні півсфери, може бути представлена як r fn = f0 (5) R, де R - радіус півсфери, r = r0 + w(q ) . Розкладання цієї сили в ряд по ступенях малих переміщень w з точністю до величин першого порядку малості дає значення d31EnRcpU fw = w(q ) (6) Rr0 , де w(q) = w0 æ q = p ö (n + cos q )tgn q , q в області контакту з п'єзоелектричним диском може бути подана як ç ÷ 2ø 2 è n ær ö æpö w(q) = w0 (n + 1)ç 0 ÷ , n = 3 - номер моди коливань, w0 ç ÷ - амплітуда деформацій резонатора в області його ç ÷ è 2R ø è2ø екватора. Рівняння вимушеного руху резонатора 1, що обертається у своїй площині з кутовою швидкістю W навколо осі симетрії і який зазнає дію зовнішнього розподіленого навантаження, запишеться в частинних похідних для змінної w: , &&¢ & w¢ - w + 4Ww¢ + k2 æ wVI + 2wIV + w¢¢ö + k2xæ wVI + 2wIV + w¢ ö = w¢ F sinnt (7) & & & & &¢ ç è де k 2 = ÷ ø EI r SR 4 ç è ÷ ø 0 , E - модуль Юнга матеріалу резонатора, I - момент інерції резонатора відносно осі симетрії, S - площа його поперечного перетину, r - густина матеріалу резонатора, x - коефіцієнт, що характеризує втрати енергії в резонаторі, тобто його добротність, F0 - приведена сила, прикладена до резонатора, параметр n - частота напруги збудження. Рівняння (7) записано для умов подачі на п'єзоелектричний диск 3 змінної напруги з частотою близькою до власної частоти робочої (третьої) моди коливань резонатора U = U0 cos n t . Величина F0 запишеться: d 31 nR cphU0 E n ö ÷ , ÷ è 2R ø (n + 1)æ r0 ç ç (8) Rr0 r S де n = 3 , U0 - амплітуда напруги збудження. Якщо резонатор 1 не деформований, то розподілене навантаження врівноважується його внутрішньою напругою. Під дією сили F0 резонатор 1 починає деформуватися, причому його деформації характеризуються певною власною формою (модою) згинальних коливань. При цьому в точках максимального зміщення деформованого резонатора 1 розподілена сила діє сильніше, ніж в точках мінімального зміщення. Допущена амплітуда деформації wmax (q ) визначається жорсткістю (еластичністю) кріплення півсферичного резонатора 1 до п'єзоелектричного диска 3, а саме - еластичністю клейового з'єднання. У пропонованій конструкції гіроскопа третя мода коливань резонатора 1, як вже згадувалося, є найкращою, оскільки вона визначає консервативний характер взаємодії резонатора 1 з п'єзоелектричним диском 3 (в місцях кріплення резонатора 1 до п'єзоелектричного диску 3 амплітуда деформацій по другий формі коливань на порядок більше, ніж на третій, а це визначає характер взаємодії резонатора 1 и диска 3 - дисипативний або консервативний). Розгляд умов існування обмежених коливань резонатора 1 згідно рівняння (7) дозволяє знайти мінімальне U значення вихідної напруги 0 min і його залежність від параметрів чутливо го елементу, при цьому перевищення величини цієї напруги забезпечує стійке збудження резонатора з умови F0 ³ p , де p = 18 xI - декремент 4 5r SR затухання коливань резонатора. Отже, 18xI , U0min » (9) 3K 5R ЭМa n (q ) d E R h де KЭМ = 31 n cp - коефіцієнт електромеханічного перетворення п'єзоелектричного диска, r0 r a n= (n + 1) 0 . 2R Таким чином, рівень шуму кривої збудження визначається втратами енергії в резонаторі 1 (x) , його F0 = параметрами (радіусом R , моментом інерції I ) і залежить від параметрів п'єзоелектричного диска 3 (K ЭМ ) . Розглянемо роботу п'єзоелектричного диска 3 в запропонованій конструкції гіроскопа. Збудження п'єзоелектричного диска 3 забезпечується шляхом подачі на його відповідні сегменти (Фіг. 3) напруги U = U0 sinn t , при цьому диск 3 деформується і, як описувалося вище, сила F0 sinnt діє на резонатор 1, викликаючи коливання по третій моді. Отже, сигнали, що подаються на сектори 1-5-9, збуджують третю моду коливань резонатора 1, а сигнали, що знімаються з секторів 3-7-11, використовуються для автогенерації коливань за допомогою позитивного зворотного зв'язку по збудженню, тобто для підтримки коливань резонатора 1. Сигнали, що подаються на сектори 4-8-12, використовуються для корекції стоячої хвилі, що обумовлене погрішностями у виготовленні резонатора 1. На ці ж сектори подається сигнал негативного зворотного зв'язку при роботі гіроскопа в режимі силового урівноваження хвилі. Сигнали, що знімаються з секторів 2-6-10, є сигналами, які несуть інформацію про вимірювану кутову швидкість. Ці сигнали можуть демодулюватися і усереднюватися для забезпечення високого відношення "сигнал - шум". На Фіг.4 показаний характер деформації сегментованого п'єзоелектричного диска 3. У даному технічному рішенні немає необхідності використовувати ємкісні електроди. Це підвищує перешкодозахищеність гіроскопа, оскільки в даному випадку не позначається вплив зовнішніх електростатичного і електромагнітного полів через їх відсутність, а також знижує вимоги до точності виготовлення корпусних елементів, на які наноситься, наприклад, методом напилення у вакуумі, провідна плівка. Необхідно відзначити, що при цьому слід суворо дотримуватися рівності відстаней від корпусного елементу по окружній координаті j до поверхні кварцової півсфери 1. На Фіг.5 подана залежність амплітуди коливань резонатора 1 на його екваторі (у вигляді напруги Uекв ) від амплітуди напруги Uс , прикладеної до відповідного сегменту диска 3, розташованого під електродом (вимірювання проводилося з використанням ємкісного електроду). Пропорційна залежність амплітуди коливань резонатора 1 від прикладеної до сегменту напруги підтверджує можливість управління стоячою хвилею напругами, прикладеними до сегментів диска 3. Перевага пропонованого технічного рішення полягає у тому, що у разі неідеальності виготовлення резонатора 1 усуваються втрати енергії через його полюс і клейове з'єднання п'єзоелектричного диска 3 з резонатором 1, амплітуда коливань якого збільшується із зростанням незбалансування його мас. Крім того, в пропонованій конструкції кварцового півсферичного резонатора 1 для виникнення збудження його коливань і їх підтримки достатньо використовувати напругу, яка не перевищує 1 В, що пов'язано з п'єзоелектричними властивостями матеріалу диска 3, тоді як в конструкції гіроскопа, вибраного як прототип, як вже згадувалося, для цих же цілей використовується електростатичне поле, що вимагає для виникнення збудження коливань напруги 600В, а для їх підтримки - 60В. На Фіг.6 показані амплитудо - частотна і фазо - частотна характеристики пропонованого півсферичного Uвим резонатора 1, який закріплений на диску 3 за допомогою клейового з'єднання: тут - відношення Umax вимірюваної напруги до максимальної напруги, яка реалізується на резонансній частоті. Добротність третьої моди коливань для даного резонатора складає 1,2 • 106, а власна частота третьої моди коливань рівна 13760,7Гц.