Чутливий елемент коріолісова вібраційного гіроскопа

Реферат: Винахід належить до гіроскопічного приладобудування, а саме до гіроскопічних датчиків кутової швидкості, заснованих на вимірюванні сили Коріоліса, що виникає при обертанні вібраційної структури, і може бути використаний в системах орієнтації, навігації, стабілізації та керування рухом. Чутливий елемент виконують у вигляді кільцевого елемента конусоподібної, сферичної, циліндричної або іншої геометричної форми, що є тілом обертання, який сидить на 8 або 16 стійках, що виступають з диска і еквідистантно розташовані по колу диска, причому стійки виконані так, що одна з його бічних поверхонь має плоску частину для кріплення на ній або поблизу неї електродів збудження та знімання сигналу, які можуть кріпитися по всій довжині стійки або тільки у верхній її частині, або тільки в нижній її частині, або поперемінно у верхній і нижній частинах стійок, а в центрі диска, з якого виступають стійки, виконується вузол кріплення резонатора на основу у вигляді конусоподібної конструкції вивернутої всередину чутливого елемента, при цьому основа має виступаючу частину, на кінці якої виконують відповідну конусоподібну форму для кріплення чутливого елемента на основі методом конусної посадки і фіксації цієї посадки одним з відомих методів, наприклад, гвинтом, пайкою, зварюванням, приклейкою або їх комбінацією. При цьому співвідношення між товщиною і висотою кільцевого елемента і стійок, а також товщиною диска з виступаючою частиною підбираються так, щоб їх власні частоти коливань були розташовані якомога далі один від одного, мінімізуючи їх взаємний вплив. Винахід має низьку чутливість до лінійної вібрації та підвищену чутливістю і точність вимірювання кутової швидкості. UA 97783 C2 (12) UA 97783 C2 UA 97783 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до гіроскопічного приладобудування, а саме до гіроскопічних датчиків кутової швидкості, заснованих на вимірі сили Коріоліса, що виникає при обертанні вібраційної структури, і може бути використаний в системах орієнтації, навігації, стабілізації та керування рухом. Гіроскопи, засновані на вібраційних структурах, мають широке поширення в гіроскопічній техніці у зв'язку з їх перевагою перед іншими типами гіроскопів, такими як кільцеві лазерні гіроскопи (КЛГ) і волоконно-оптичні гіроскопи (BOГ), у частині дешевизни, технологічності виготовлення, малогабаритності та надійності. Варто згадати про мікромініатюрні вібраційні мікромеханічні гіроскопи (ММГ), резонатори яких виготовлюються з тонких плівок. ММГ широко використовуються на практиці через їх дешевизну і малі розміри. Однак точність ММГ невисока, що обмежує області їх застосування, а виготовлення вібраційних структур із плівок потребує спеціального дорогого обладнання. Вібраційні гіроскопи, резонатори яких виготовлюються з високодобротного кварцового скла або металевих сплавів з високостабільними характеристиками (елінвари), мають точності, які часто перевищують точності КЛГ та ВОГ відповідних габаритів. Для їх виготовлення потрібне стандартне обладнання оптичного (для кварцу) або металообробного (для метала) цехів і, як правило, такі датчики мають більш високу точність, віброудароміцність, надійність та невисоку вартість. Відомі коріолісові вібраційні гіроскопи-аналоги, описані в патентах США № 7571648, 7528533, в яких датчики збудження та зняття сигналу з резонатора встановлені на робочу поверхню, що демпфірує його коливання, зменшуючи добротність, і створює додатковий дизбаланс мас, що призводить до суттєвих похибок при вимірі кутової швидкості. Відомий також ряд патентів на корисну модель України № № 24037, 24057, 24460, в яких використовуються напівсферичні резонатори, виготовлені з кварцового скла. Крім того, відомі схожі патенти України № 22153 (Корисна модель) та № 79166, а також патент США № 7281425, в яких описані циліндричні резонатори з отворами на дні циліндра, а електроди кріпляться на спицях, утворених в результаті виконання отворів, при цьому дно циліндра і його нижня частина має меншу товщину, ніж його обід. Недоліки цих технічних рішень ідентичні і будуть розглянуті нижче при аналізі недоліків технічного рішення, описаного в патенті України № 79166, який автори вибрали за прототип. У пристрої, прийнятому авторами за прототип, нижня частина циліндра разом з дном виконується приблизно в 2 рази тонше, ніж обід (верхня частина циліндра), крім того, при виконанні отворів утворюються тонкі і вузькі спиці, на які кріпляться електроди збудження та зняття інформації про коливання циліндра. Недолікитакої конструкції полягають, перш за все, у тому, що коливання стінок циліндра передаються на його дно з коефіцієнтом передачі значно меншим одиниці. Це означає, що якщо амплітуда коливань обода дорівнює, наприклад, 1 мікрон, то амплітуда коливань спиці, розташованої на дні циліндра, дорівнює приблизно 0,05 мікрона, тобто менше ніж в 20 разів (коефіцієнт передачі дорівнює 1/20). У результаті цього чутливість і точність гіроскопа падає. Крім того, при дії зовнішньої вібрації вздовж осі чутливості гіроскопа, тобто перпендикулярно дну циліндра, на тонкі і вузькі спиці діє велике навантаження від важкого, більш товстого обода, в результаті чого поперечна деформація тонкої спиці, до якої кріпиться електрод, створює значну перешкоду, амплітуда якої пропорційна зовнішній вібрації. Вузол кріплення резонатора прототипу, виконаного у вигляді циліндричного стакана, вивернутого всередину циліндричного резонатора, має той недолік, що його діаметр істотно обмежений довжиною електрода і не дає можливості збільшити площу посадки резонатора на основу, що при їх з'єднанні (збиранні) призводить до перекосу посадки резонатора і є причиною виникнення перехресних зв'язків у гіроскопі. Перед авторами стояла задача підвищення чутливості і точності при вимірюванні кутової швидкості та зменшення чутливості до зовнішньої лінійної вібрації при роботі на збуреній основі. Поставлена задача вирішується тим, що чутливий елемент виконують у вигляді кільцевого елемента, що сидить на 8 або 16 стійках, що виступають з диска, і еквідистантно розташованих по колу диска. Стійки виконані так, що одна з його бокових поверхонь має плоску частину для кріплення на ній або поблизу неї електродів збудження та зняття сигналу, які можуть кріпитися по всій довжині стійки, або тільки у верхній її частині, або тільки в нижній її частині, або поперемінно у верхній і нижній частинах стійок, а в центрі диска, з якого виступають стійки, виконується вузол кріплення резонатора до основи у вигляді конусоподібної конструкції, вивернутої всередину чутливого елемента, причому основа має виступаючу частину, на кінці якої виконують відповідну конусоподібну форму для кріплення чутливого елемента на основу методом конусної посадки і фіксації цієї посадки одним з відомих методів, наприклад гвинтом, пайкою, зварюванням, приклеюванням або їх комбінацією. При цьому співвідношення між 1 UA 97783 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 товщиною, висотою кільцевого елемента і стійок та товщиною диска з виступаючою частиною підбираються так, щоб їх власні частоти коливань були розташовані якомога далі один від одного, мінімізуючи їх взаємний вплив. Для пояснення суті винаходу представлені десять фігур. На фіг. 1 представлений розріз резонатора з вивернутим всередину його конусоподібним вузлом кріплення типу гніздо. На фіг. 2 представлений розріз резонатора з вивернутим всередину його конусоподібним вузлом кріплення типу штир. На фіг. 3 представлені три варіанти конфігурацій стійок, що виступають з диска, з їх поперечними перерізами, на яких видно плоскі поверхні для кріплення електродів. На фіг. 4 схематично представлено розташування одного з варіантів конфігурацій стійок через кути, рівні 45 град. На фіг. 5 a, b, c, d представлений резонатор з різним розташуванням електродів. На Фіг. 6 представлені варіанти конфігурації периметра диска при виконанні плоскої поверхні для кріплення електродів. На фіг. 7 представлена основа з виступом, на кінці якого виконаний конусоподібний вузол кріплення типу штир, що входить у відповідний вузол типу гніздо, розташований на резонаторі, представлений на фіг. 1. На фіг. 8 представлена основа з виступом, на кінці якого виконаний конусоподібний вузол кріплення типу гніздо, що приймає відповідний вузол типу штир, розташований на резонаторі, представлений на фiг. 2. На фіг. 9 представлений чутливий елемент коріолісова вібраційного гіроскопа, утворений з'єднанням (збіркою) резонатора, представленого на фіг. 1 з основою, представленою на фіг. 7 з зовнішнім кожухом, ізолюючим резонатор з електродами від зовнішнього середовища. На фіг. 10 представлений чутливий елемент коріолісова вібраційного гіроскопа, утворений з'єднанням (збіркою) резонатора, представленого на фiг. 2 з основою, представленою на фіг. 8 з зовнішнім кожухом, ізолюючим резонатор з електродами від зовнішнього середовища. На фіг. 1 (а, b, с) та фіг. 2 представлені розрізи резонаторів з двома варіантами виконання вивернутого всередину конусоподібного вузла кріплення типа гніздо 1 (фіг. 1) та конусоподібний вузол кріплення типу штир 5 (фіг. 2) і трьома різними варіантами виконання кільцевого елемента - циліндрична 2; сферична форма 3; конусна форма 4. Можливі варіанти геометрії кільцевого елемента не обмежуються тими, що представлені на фіг. 1, вони можуть бути виконані і більш складної форми, але мають бути вісесиметричними тілами обертання. Вузол кріплення резонатора виконаний так, щоб входити у відповідний конусоподібний вузол кріплення, виконаний на частині основи методом конус в конус, і додатково скріплюються одним з відомих методів, наприклад: гвинтом, пайком, зварюванням, приклеюванням та ін. Кріплення конус в конус має перевагу, в порівнянні з прототипом (кріплення циліндр в циліндр), що має властивість самоцентрування. Це дозволяє при його складанні (з'єднанні з основою) обходитись без додаткових засобів виставлення та контролю точної посадки. Крім того, геометричні розміри вузла кріплення вибираються так, щоб центр ваги резонатора був розташований на осі симетрії конуса кріплення та по висоті збігався з серединою конусної поверхні посадки. При цьому, зовнішнє збурення, перпендикулярне осі симетрії резонатора (осі чутливості гіроскопа), не викликає моментів сил, що розгойдують резонатор, встановлений на "ніжці", яка виступає з основи чутливого елемента. Для мінімізації амплітуди коливань резонатора на "ніжці", її роблять більш жорсткою, тобто більшого діаметра. Останнє призводить до збільшення діаметра вузла кріплення. Для конструкції резонатора, запропонованого в прототипі, збільшення діаметра вузла кріплення призводить до зменшення розмірів спиць, а виходить і електродів, що призводить до зниження чутливості і точності гіроскопа. Таким чином, запропоноване технічне рішення має перевагу перед прототипом в частині зменшення чутливості до зовнішніх збурень перпендикулярних осі чутливості гіроскопа. На фіг. 3 представлені приклади різних варіантів виконання стійок, на яких сидить кільцевий елемент. Ці стійки грають роль підвісу для резонуючого кільцевого елемента. Геометрична форма стійки і її профіль можуть бути різноманітні і не обмежуються формами, показаними на фігурі 3, проте вони повинні бути такими, які допускають виконання (наприклад, методом шліфування) плоскої частини 6 для кріплення електродів. Схематичне розташування 8-ми стійок 7, яких може бути як 8 так і 16, показані на фіг. 4. При дії зовнішніх збурень уздовж осі симетрії резонатора (уздовж осі чутливості гіроскопа), навантаження на стійки діє уздовж поздовжньої її осі. Жорсткість стійок по поздовжній осі значно більше, ніж поперечна жорсткість спиць в конструкції прототипу. Дійсно, припустимо для простоти, що стійка в пропонованому технічному 2 UA 97783 C2 рішенні і спиця в прототипі мають однакову форму балки прямокутного поперечного перерізу, тоді поперечна жорсткість спиці (балки), Kх, дорівнює: Kx  5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4l3 ; де: E - модуль Юнга матеріалу; w - ширина спиці; h - товщина спиці; l - довжина спиці. Поздовжня жорсткість стійки (балки), Kу, дорівнює: Ky  10 Ewh3 Ewh ; l Для діаметра резонатора 25 мм розміри балки можуть бути приблизно рівні таким значенням: w = 3 мм, h=0,4 мм, l = 6 мм, тоді для поздовжньої і поперечної жорсткостей -5 отримаємо, відповідно: Kу = 0,15E, Kх = 7,4  10 E. Таким чином, жорсткість стійки приблизно в 3 KуlKх = 2  10 разів більше, ніж жорсткість спиці. Значна різниця в жорсткості стійки та спиці призводить до значно менших амплітуд згинальних коливань у пропонованій конструкції чутливого елемента, ніж в конструкції прототипу. При дії збурень уздовж осі чутливості гіроскопа, згинальні коливання спиць в конструкції прототипу можуть бути такими великими, що призведуть до насичення вихідного сигналу в підсилювачах першого каскаду приймаючої електроніки. У режимі насичення вимір кутової швидкості не є можливим. Таким чином, пропоноване технічне рішення має суттєві переваги в порівнянні з прототипом при дії збурень уздовж осі чутливості гіроскопа. На фіг. 5 a, b, c, d представлений зовнішній вигляд резонатора з різним розташуванням електродів. Для застосувань гіроскопа, в яких потрібна висока точність, а зовнішні збурення малі, довжина електродів вибирається рівною довжині стійки (фіг. 5 а) і, таким чином, збільшується відношення сигнал/шум, так як сигнал з виходу електрода прямо пропорційний площі електрода. Для гіроскопів, що працюють в умовах великих зовнішніх збурень, наприклад, вібрацій та/або ударів, навантаження, що діє вздовж осі симетрії резонатора згинає стійку і вона деформується з максимальною амплітудою в середині стійки. Щоб збільшити відношення сигнал/шум на виході електрода зняття сигналу, електроди виконуються меншого розміру, ніж висота стійки, наприклад в 2 рази, і зміщуються вгору (фіг. 5 b) або вниз від середини стійки (фіг. 5 с), тим самим збільшуючи відношення сигнал/шум при дії зовнішніх збурень. Це відбувається за рахунок того, що електроди розміщуються в зоні меншої амплітуди деформації стійки, яка обумовлена зовнішньою вібрацією. При дії великих зовнішніх збурень можна підвищити відношення сигнал/шум, розташовуючи електроди поперемінно внизу і вгорі (фіг. 5 d). Наприклад, електроди збудження можна розташувати внизу, а електроди зняття нагорі. Як відомо, чим ближче електрод до кільцевого елемента, тим більше коефіцієнт передачі коливань кільцевого елемента стійці і тим більше чутливість до кутової швидкості. Електроди збудження та зняття можуть бути виконані у вигляді електростатичних (ємнісних), п'єзоелектричних, електромагнітних, оптичних, магнітних або їх комбінації, а також будь-яких інших, здатних виконувати функції збудження пружної хвилі і зняття сигналу. Можна також використовувати в одному чутливому елементі електроди різної довжини, наприклад, електроди збудження можна встановлювати по всій довжині стійки, а електроди зняття виконати менше, ніж довжина стійок і розташовувати внизу чи вгорі стійок. На Фіг. 6 показані дві конфігурації периметра диска, з якого виступають стійки, перша конфігурація - це коло 8, яка утворюється, коли плоска частина стійки, виконувана під кріплення електрода, шліфується не на всю довжину стійки, наприклад, для кріплення укорочених електродів. Друга конфігурація 9 утворюється, коли площина під електроди шліфується на всю довжину стійки, захоплюючи і диск. Слід зазначити, що кільцевий елемент, диск і стійки можуть виконуватися як з суцільного шматка матеріалу, наприклад, з металевого або кварцового прутка, так і окремо і потім, з'єднуються разом одним з відомих методів, наприклад зварюванням, пайкою, приклеюванням та інш. Однак для технологічності виготовлення резонатора та отримання максимальної добротності, доцільно його виготовляти з суцільного шматка матеріалу. На фіг. 7 та 8 представлені два варіанти основи чутливого елемента, на які кріпляться резонатори. Кожна з представлених основ виконується переважно круглими з виступаючими "вушками" 10 для кріплення чутливого елемента. Кількість "вушок" може бути 3 або 4, розподілені рівномірно через рівні кути, 120 і 90 град., відповідно. Виступаюча з основи частина служить "ніжкою" для посадки на неї резонатора. З цією метою на кінці "ніжки" виконується відповідна частина конуса. Конуси на диску і на кінці "ніжки" можуть виконуватися в двох варіантах. Перший варіант, коли конус на "ніжці" основи (типу штир) 11, фіг. 7, входить конус в диску (типу гніздо), фіг. 1 а, другий варіант, коли конус на диску (типу штир) 5, фіг.2, входить до конусу на "ніжці" основи (типу гніздо) 12, фіг. 8. По периферії основи виконуються отвори за 3 UA 97783 C2 5 10 15 20 25 30 35 кількістю, рівною кількості електродів, і закладають в ці отвори контакти або з'єднувачі у вигляді дроту 13, ізольованого від підстави для введення/виводу сигналів чутливого елемента. Оскільки традиційно діаметрально протилежні електроди з'єднуються, для забезпечення симетричності збудження та зняття інформації, то таке з'єднання можна виконати в об'ємі, який займає резонатор. При цьому, кількість електричних контактів вводу/виводу буде в два рази менше кількості електродів. Це може здешевити виготовлення основи. На фіг. 9, 10 представлені зовнішні види двох варіантів чутливого елемента із з'єднувальними дротами 14, що ізольовані від зовнішнього середовища кожухами 15. На фіг. 9 представлений варіант, коли резонатор фіг. 1а з'єднаний з основою фіг. 7, а на фіг. 10 представлений варіант, коли резонатор фiг. 2 з'єднаний з основою фіг. 8 (тобто чутливий елемент з перевернутим до гори дном резонатором). Ці два варіанти виконання чутливого елемента мають переваги перед прототипом по чутливості і точності тому, що коефіцієнт передачі коливань кільцевого елемента, викликаних дією коріолісових сил (кутовою швидкістю), значно вище, ніж у прототипі. Крім того, пропонований чутливий елемент має низьку чутливість до зовнішніх збурень типу вібрацій і ударів, за рахунок того, що навантаження діють уздовж стійки, де жорсткість значно вище. Таким чином, показано досягнення задачі винаходу підвищення чутливості і точності, а також зменшення чутливості до зовнішніх збурень. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Чутливий елемент коріолісова вібраційного гіроскопа, що складається з вісесимметричного резонатора з електродами збудження пружної хвилі і знімання сигналу, а також основи, на якій кріпиться резонатор, який відрізняється тим, що резонатор виконаний у вигляді кільцевого елемента конусоподібної, сферичної, циліндричної або іншої геометричної форми, що є тілом обертання, який розміщений на 8 або 16 стійках, що виступають з диска і еквідистантно розташовані по колу диска, причому стійки виконані так, що одна з його бічних поверхонь має плоску частину для кріплення на ній або поблизу неї електродів збудження та знімання сигналу, які кріпляться по всій довжині стійки, або тільки у верхній її частині, або тільки в нижній її частині, або поперемінно у верхній і нижній частинах стійок, а в центрі диска виконаний вузол кріплення резонатора до основи у вигляді конусоподібної конструкції, вивернутої всередину чутливого елемента, при цьому основа має виступаючу частину, на кінці якої виконана відповідна конусоподібна форма для кріплення резонатора методом конусної посадки і фіксації цієї посадки одним з відомих методів, а співвідношення між товщиною, висотою кільцевого елемента і стійок, та товщиною диска з вузлом кріплення вибирані таким чином, щоб їх власні частоти коливань були розташовані якомога далі один від одного, мінімізуючи їх взаємний вплив. 4 UA 97783 C2 5 UA 97783 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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 6