Півсферичний резонаторний гіроскоп з складовим резонатором

1. Півсферичний резонаторний гіроскоп з складовим резонатором, що містить півсферичний резонатор, кільцевий електрод збудження і множину ємкісних електродів для зняття інформації, розташованих у вузлах і пучностях коливань півсферичного резонатора, який відрізняється тим, що в ньому півсферичний резонатор виконаний без ніжки і оснащений отвором в його полюсі, кільцевий електрод збудження виконаний у вигляді п'єзоелектричного диска з отвором по центру і з провідною поверхнею, центральна частина якої несегментована, а друга частина, віддалена від її центра, розбита на сегменти, причому несегментована частина провідної поверхні для подачі на неї змінної напруги з'єднана з контуром збудження U 2 (19) 1 3 24460 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 чотирма 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 = Dm wк , (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 власній частоті коливань резонатора fв = 5000Гц смуга пропускання Q = 0,06Гц . Такий гіроскоп може вимірювати pfв 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 = Df 4 сигнал негативного зворотного зв'язку, який компенсує 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 збудженої 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 розділенням його зовнішньої частини на сегменти, а внутрішньої частини - несегментованої 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, кільцевий електрод збудження і множину ємкісних електродів для зняття інформації, розташованих у вузлах і пучностях коливань півсферичного резо 5 24460 натора, новим є те, що в ньому півсферичний резонатор виконаний без ніжки і постачений отвором в його полюсі, кільцевий електрод збудження виконаний у вигляді п'єзоелектричного диска з отвором по центру і з провідною поверхнею, центральна частина якої несегментована, а друга частина, віддалена від її центру, розбита на сегменти, причому несегментована частина провідної поверхні для подачі на неї змінної напруги з'єднана з контуром збудження коливань резонатора, а для підтримки цих коливань і зняття інформації відповідні сегменти сегментованої частини провідної поверхні з'єднані відповідно з контуром підтримки коливань резонатора і контуром зняття інформації, при цьому півсферичний резонатор розміщений 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 отвору співпадає з радіусом отвору півсферичного резонатора, і крім того, сегменти сегментованої частини провідної поверхні, вільні від подачі на них змінної напруги для збудження коливань резонатора, з'єднані з контуром підтримки коливань резонатора з можливістю компенсації асиметрії амплітуди його коливань. 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 технологій 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 малюнками: на Фіг. 1 подана третя мода коливань півсферичного кварцового резонатора з розташуванням електродів в вузлах і п учностя х 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 комбінованого п'єзоелектричного диска, що має як сегментовану, так і несегментовану частини, на Фіг. 4 показані графіки амплитудо - часто тної і фазо - частотної характеристик півсферичного кварцового резонатора, приклеєного до п'єзо 6 електричного диску. 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. В п'єзоелектричному диску 3 (Фіг. 3) його зовнішня частина розділяється на сегменти 5, а внутрішня частина не сегментована, тобто залишається суцільний , при цьому його внутрішня частина використовується для збудження коливань резонатора 1, а зовнішня частина - для підтримки його коливань, а також забезпечує сигнал знімання інформації. Диск 3 може бути виготовлений з будь-якого матеріалу, що володіє п'єзоефектом, зокрема - з п'єзокерамічного матеріалу або плавленого кварцового скла, причому провідна поверхня з можливістю проходження по неї струму виконана з покриття - такого, як камель або срібло. 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 f 0 уздовж його внутрішньої границі, величина якого визначається : d31En hRcp f0 = U , (4) r0 + w(q ) де d31, En - відповідно п'єзоелектричний модуль і модуль Юнга матеріалу диска, R cp - середній радіус диска, h - його середня товщина, r0 внутрішній радіус диска, w(q ) - амплітуда його ра 7 24460 діальної деформації, q - координата по твірній півсфери, U - прикладена напруга. Компонента сили, яка діє по нормалі до поверхні півсфери , може бути представлена як r f n = 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 d31E nRcpU fw = w(q ) , (6) Rr0 æ pö q де w(q) = w0 ç q = ÷ (n + cos q)tg n , q в області 2ø 2 è контакту з п'єзоелектричним диском може бути n æ r ö подана як w(q) = w 0 (n + 1)ç 0 ÷ , n=3 - номер моди ç 2R ÷ è ø æpö коливань, w 0 ç ÷ - амплітуда деформацій резонаè2ø тора в області його 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¢ + k 2(wVI + 2wIV + w¢ )+ k 2x(wVI + 2wIV + w¢) = w¢F0 sinnt , (7) ¢ ¢ EI , E - модуль Юнга матеріалу rSR 4 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, прикладе де k 2 = на 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 nt . Величина F0 запишеться: F0 = d 31EnR cphU 0 Rr0 rS (n + 1)æ ç ç n r0 ö ÷ , (8) 2R ÷ è ø 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 конструк 8 ції 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 значення вихідної напруги U0 min і її залежність від параметрів чутливого елементу, при цьому перевищення величини цієї напруги забезпечує стійке збудження резонатора з умови 18 xI F0 ³ p , де p = - декремент затухання ко5r SR 4 ливань резонатора. Отже, 18 xI U0 min » , (9) 3 5R K ЭМ a n (q ) де K ЭМ = d31EnRcph - коефіцієнт електромеr0 ханічного перетворення п'єзоелектричного диска, r a n = (n + 1) 0 . 2R Таким чином, рівень шуму кривої збудження визначається втратами енергії в резонаторі 1 (x) , його 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. Ця конструкція (Фіг. 3) припускає використовування комбінованого п'єзоелектричного диска 3, центральна частина якого не сегментована, а друга частина - сегментована від центральної частини до його кромки, причому несегментована частина диска 3 використовується тільки для збудження резонатора 1 силами, представленими на Фіг. 2, а для управління стоячою хвилею і її корекції використовуються сегменти 5, причому зняття інформації в даному випадку може здійснюватися як з відповідних сегментів 5 диска 3, так і з використанням доповняльних електродів ємкісного типу. Для збудження резонатора 1 по третій моді коливань на несегментовану частину диска 3 подається змінна напруга по частоті близької власній частоті третьої моди коливань, оскільки ця мода має високу добротність по порівнянню, наприклад, з другою модою, і тому енергетично вигідна. У цій конструкції сегменти сегментованої частини провідної поверхні диска 3, вільні від подачі на них змінної напруги для збудження коливань резонатора, можуть бути використані для корекції нерівності амплітуд коливань стоячої хвилі (її асиметрії), обумовленої неточністю виготовлення п'єзоелектричного диска 3. У даному технічному рішенні гіроскопа з'являється можливість забезпечення його високої чутливості до кутової швидкості W , властиву датчикам ємкісного типу, і підвище 9 24460 ного відношення "сигнал - шум", що забезпечується спільною обробкою інформаційних сигналів, що поступають з двох різнотипних датчиків: п'єзоелектричного і ємкісного. Крім того, з'являється доповняльний незалежний канал вимірювання кутової швидкості W , який можна використовувати для виявлення збоїв і несправностей в гіроскопі шляхом порівняння сигналів згаданих двох різнотипних датчиків, що підвищує його надійність. На Фіг. 4 показані амплитудо - частотна і фазо - частотна характеристики пропонованого півсферичного резонатора 1, який закріплений на диску 3 Uв им за допомогою клейового з'єднання: тут Umax відношення вимірюваної напруги до максимальної напруги, яка реалізується на резонансній частоті. Добротність третьої моди коливань для даного резонатора складає 1,2 • 10б , а власна частота Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 10 третьої моди коливань рівна 13760,7Гц. 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 резонатора напруги 600В, а для їх підтримки - 60В. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601