Вібраційний гіроскоп, чутливий до коріолісового прискорення

Дана корисна модель відноситься до галузі розробки гіроскопічних приладів і може бути використана в хвильових твердотільних гіроскопах, що працюють в режимі датчика кутової швидкості. Відомі хвильові твердотільні гіроскопи ["Гироскопические системы (Гироскопические приборы и системы)" под ред. проф. Д.С. Пельпора. М., "Высшая школа", 1988г., с.114-117, рис.3.11], в яких в якості чутливого елемента (резонатора) використовується пружна тонкостінна півсферична оболонка обертання, пов'язана з основою гіроскопа, при цьому коливання оболонки збуджуються і підтримуються за допомогою системи електродів, працюючої в режимі позиційного збудження. Вимірювання кутової швидкості основи проводиться з використанням ефекту інерційних властивостей стоячих хвиль, що виникають в пружній оболонці при її збудженні. Недоліком цього пристрою є те, що в даній конструкції не може виявитися повною мірою вищезазначений ефект, оскільки для підтримки коливань чутливого елементу прийняте позиційне збудження, що обмежує кут повороту стоячої хвилі. Робоча частина чутливого елементу виготовлена з кристалічного або плавленого кварцу, або кераміки, що знижує міцнісні характеристики цього пристрою. Крім того, виготовлення півсферичного резонатора з високою точністю є складним. Найближчим аналогом гіроскопа, що заявляється, вибраним як прототип, є хвильовий твердотільний гіроскоп [В.А. Матвеев, В.И. Липатников, А.В. Але хин "Проектирование волнового твердотельного гироскопа". М., издательство МГТУ им. Н.Э. Ба умана, 1998г., с.11-13, рис.1.4,1.5], в якому резонатор виконаний у вигляді тонкостінної циліндрової оболонки, на вільній кромці якої на її бічній поверхні по колу розташовані рівномірно вісім п'єзоелектричних елементів, причому її нижня частина жорстко з'єднана з основою. Ці п'єзоелектричні елементи призначені для збудження пружних стоячих хвиль в резонаторі і знімання одержаної інформації. Змінний сигнал збудження з частотою близької до частоти основної власної форми коливань резонатора подається на два діаметрально протилежних п'єзоелектричних елемента. Їх деформації вигину викликають радіальні коливання оболонки резонатора, що приводить до виникнення в резонаторі пружної стоячої хвилі по другій формі коливань з чотирма видугами і вузлами. При обертанні резонатора навколо центральної осі з кутовою швидкістю W з'являються Коріолісови сили, за рахунок чого у вузлах виникають радіальні коливання, амплітуда яких пропорційна кутовій швидкості W. Коріолісови сили зміщують стоячу хвилю з її видугами і вузлами по колу, що веде до зміни сигналів п'єзоелектричних елементів, розміщених у вузлах, причому ці сигнали пропорційні кутовій швидкості W. До недоліків цього пристрою відносяться: 1) розміщення п'єзоелектричних елементів біля вільної кромки резонатора сприяє демпфіруванню стоячої хвилі, а це, у свою чергу, веде до зменшення його добротності, а отже, до зниження масштабного коефіцієнта гіроскопа в цілому і його чутливості; 2) використана в цієї конструкції схема приклеювання п'єзоелектричних елементів створює нерівномірний розподіл жорсткості по колу резонатора, унаслідок чого осі пружної хвилі не співпадають з осями розташування п'єзоелектричних елементів, а це веде до нелінійності масштабного коефіцієнта гіроскопа і зниження його чутливості, особливо - до малих кутови х швидкостей обертання. У основу пропонованої корисної моделі поставлена задача підвищення чутливості гіроскопа, а також удосконалення технології його виготовлення шляхом розробки нової конструкції резонатора і місць розміщення п'єзоелектричних елементів. Поставлена задача вирішується так, що у вібраційному гіроскопі, чутливому до коріолісового прискорення, який містить основу, резонатор, виконаний у вигляді циліндра з днищем, п'єзоелектричні елементи збудження і знімання інформації і вимірювальний контур, новим є те, що резонатор має нижню і верхню частини, при цьому нижня частина циліндра, з'єднана з днищем, виконана гнучкою з меншою товщиною стінок, ніж верхня жорстка частина, в днищі виконана множина отворів, розташованих головним чином рівномірно і головним чином по колу з розміщенням множини п'єзоелектричних елементів на перемичках між отворами, причому резонатор забезпечений елементом його пружного кріплення до основи, при цьому нижня частина циліндра має більшу довжину, ніж верхня частина, отвори розташовані симетрично відносно осі резонатора, п'єзоелектричні елементи розміщені на перемичках і зовні, і всередині резонатора, а елемент кріплення резонатора до основи виконаний у вигляді патрубка, розташованого вертикально по осі циліндра усередині нього і жорстко зв'язаного з його днищем з можливістю використання внутрішньої поверхні патрубка як базової площини кріплення. Запропонована конструкція пристрою дозволяє виключити нелінійність масштабного коефіцієнта гіроскопа, підвищити його величину і тим самим підвищити чутливість гіроскопа в цілому. Конструкція гіроскопа, що заявляється, пояснюється такими малюнками: на Фіг.1 подана конструкція резонатора в плані (вид знизу), на Фіг.2 показаний поперечний перетин резонатора, на Фіг.3 показана форма однієї з перемичок для випадку формування в днищі резонатора круглих отворів, на Фіг.4 подана фотографія гіроскопа без захисного кожуха, на Фіг.5 подана фотографія загального виду гіроскопа, на Фіг.6 приведена електрична схема гіроскопа, що пояснює принцип регулювання його параметрів, на Фіг.7 приведена електрична схема одного з елементів електронної системи управління гіроскопа. Хвильовий твердотільний гіроскоп (Фіг.1-5) складається з тонкостінного циліндрового резонатора 1 з днищем 2, в якому виконана множина отворів 3 діаметром d з їх розташуванням по її периферійній частині, при цьому на перемичках, утворених отворами 3, розміщуються п'єзоелектричні елементи 4. Тут осі Х і Y є осями симетрії перемичок, а вісь Z є віссю, що проходить через центри діаметрально протилежних отворів 3. Резонатор 1 діаметром 2R0 (Фіг.2) складається з жорсткої частини 5 (її довжина Z, а товщина H) і гнучкої частини 6, яка виконує роль пружного підвісу (довжина l, а товщина h). У днищі 2 гн учкої частини 6 резонатора 1 співісний з нею розташований патрубок 7 із співісними отворами 8 і 9, які використовуються для пружного кріплення резонатора 1 до основи (на кресленні не показано). Резонатор 1 закривається кришкою 10 (Фіг.4, на якій резонатор 1 не видно) і встановлюється на базовій платі 11, що має фланець 12. Розміщення монтажних плат 13 показане на Фіг.4, які кріпляться за допомогою гвинтів до кільця 14, встановленому зверху кришки 10 для додання додаткової жорсткості гіроскопу в цілому. Установка захисного кожуха 15 показана на Фіг.5. Патрубок 7 виконаний з отвором радіуса r і з осесиметричною базовою поверхнею А, необхідною при виготовленні резонатора 1 і яка задає напрям його центральної осі. Установка патрубка 7 має на меті зменшення зв'язку вібруючи х перемичок з вузлом кріплення резонатора 1 із основою і зменшення втрат енергії гіроскопа. Електрична частина гіроскопа (Фіг.6, 7) складається з генераторного блоку 16, демодулятора 17, ПІрегулятора 18, модулятора 19, блоку функціональної електроніки 20, блоку 21 (див. нижче), програмного підсилювача 22 і суматора 23. Величини параметрів R0, H, L, h, l, r і d можуть змінюватися в значній мірі, причому ці величини залежать від діаметру резонатора 2R0 і області використовування гіроскопа. Так, одне з типових втілень гіроскопа має наступні розміри: R0=12,5мм, H=1мм, L=8мм, h=0,3мм, l=10мм, r=4мм, d=5,5мм. На Фіг.1 поданий вид з боку днища 2 резонатора 1 з вісьма отворами 3 діаметром d, які розташовані симетрично відносно осі резонатора через 45°. Отвори 3 можуть бути круглими, овальними або іншої форми. П'єзоелектричні елементи 4 збудження резонатора і знімання інформації розташовуються, як вже згадувалося, на перемичках, утворених отворами 3. Кількість отворів 3, як мінімум, може дорівнювати двом, і отже, кількість п'єзоелектричних елементів 4 також дорівнює двом. Можливі інші комбінації кількості отворів 3 і п'єзоелектричних елементів 4: наприклад, використовування трьох отворів 3, розташованих через 120°, і відповідно трьох п'єзоелектричних елементів 4, також розміщених через 120°. Можливе використовування чотирьох, п'яти, шести або семи отворів 3 і відповідних п'єзоелектричних елементів 4. Допустиме використовування більше восьми отворів 3, наприклад, шістнадцяти, проте із збільшенням числа отворів 3 і п'єзоелектричних елементів 4 збільшується відношення "сигнал-перешкода" і чутливості, і крім того, значно зростає вартість виготовлення резонатора 1. Аналізуючи вищесказане, можна прийти до висновку, що немає необхідності у використовуванні більше восьми отворів 3 і відповідного числа п'єзоелектричних елементів 4, і переважно всього використовувати вісім отворів 3 і вісім п'єзоелектричних елементів 4. При розробці пропонованої конструкції резонатора 1 переважним є використовування всього вільного простору, що знаходиться між отворами 3, тобто використовування всієї площі перемичок для розміщення на них п'єзоелектричних елементів 4. На Фіг.1 показані п'єзоелектричні елементи 4 прямокутної форми, а на Фіг.3 показана форма перемички, яка формується на днище 2 резонатора 1, якщо отвори 3 мають круглу форму. П'єзоелектричні елементи 4 можуть бути розміщені на обох сторонах днища 2 резонатора 1, тобто і на зовнішній, і на внутрішній його поверхнях. Слід також помітити, що в пропонованому пристрої можна використовувати будь-який спосіб установки п'єзоелектричних елементів 4 на днище 2 резонатора 1: наприклад, приклеювати їх епоксидною смолою або іншим відомим способом. Резонатор 1 може бути виготовлений з різних матеріалів, проте для забезпечення високої стабільності коливань він виготовляється з матеріалів з низькими внутрішніми втратами і високим Q-фактором, що забезпечує його високу добротність, і крім того, ці матеріали повинні мати постійні пружні властивості для забезпечення стабільності частоти коливань резонатора 1 в інтервалі робочих температур. До таких матеріалів відносяться, наприклад, прецизійний немагнітний сплав із заданими пружними властивостями 42НХТЮМ або титановий сплав ВТ8, для яких логарифмічний декремент затухання складає відповідно d=0,03% і d=0,022%, температурний коефіцієнт 1 1 e = 5 × 10 -5 e = 9 × 10 - 5 C° і C ° , а також інші високоякісні немагнітні і слабомагнітні матемодуля Юнга відповідно ріали. Повітря з резонатора 1 може не відкачуватися з метою створення в ньому вакууму: особливо це відноситься до гіроскопів, що мають невеликі розміри. Розміри гіроскопа, зображеного на Фіг.4, 5, такі: близько 55мм в діаметрі і 45-55мм по висоті, проте гіроскоп може бути мінімізований, і це підтверджується тим, що майже половина об'єму гіроскопа зайнята електронною частиною. Робота пропонованого гіроскопа описується таким чином. Від генераторного блоку 16 подається змінний сигнал на діаметрально протилежні п'єзоелектричні елементи 4, розташовані на перемичках пружного підвісу, причому частота подачі змінного сигналу близька до власної частоти коливань резонатора 1. Унаслідок згинних деформацій перемичок в днище 2 резонатора 1 виникає згинальний момент, який викликає еліптичні деформації гнучкої частини 6 резонатора 1 по основній другій формі коливань, в результаті чого в резонаторі 1 збуджується стояча хвиля, видуга якій орієнтована уздовж осі Y. По осі Х (вісь вузлів), поверненій на кут 45° щодо осі Y, розташовані п'єзоелектричні елементи 4 знімання інформації. Оскільки п'єзоелектричні елементи 4 розташовані симетрично по колу, то можливо, що вісь Y буде віссю вузлів, а вісь Х - віссю видугів. При обертанні гіроскопа з резонатором, що коливається, 1 навколо його центральної осі з постійною кутовою швидкістю W виникають Коріолісови сили, які сприяють зміщенню вузлових точок стоячої хвилі по колу, внаслідок чого на п'єзоелектричних елементах 4, розташованих у вузлах, з'являється сигнал, пропорційний кутовій швидкості W. Цей сигнал (Фіг.6, 7) демодулюється в демодуляторі 17 і через ПІ-регулятор 18 і модулятор 19 подається на два компенсаційні п'єзоелектричні елементи 4, розташовані під кутом 90° відносно п'єзоелектричних елементів 4 знімання інформації, для компенсації інерціального зміщення стоячої хвилі. Сигнал компенсації виводиться з блоку 20 як вихідний сигнал пропорційній вимірюваній кутовій швидкості W. Унаслідок того, що h