Цифровий коріолісівський вібраційний гіроскоп

Реферат: Винахід належить до датчиків кутової швидкості вібраційного типу. Цифровий коріолісівський вібраційний гіроскоп містить резонатор з електродами знімання та збудження, блок автопідстроювання частоти, блок стабілізації амплітуди коливань, блоки демодуляції і модуляції, а також блоки компенсації квадратурної та коріолісівської мод коливань і виміру кутової швидкості. Додатково вводяться смугові фільтри, електрично зв'язані з частотоміром, автогенератором та демодуляторами, центральні частоти цих фільтрів перебудовуються і є рівними або близькими резонансній частоті резонатора та мають незмінну смугу пропускання не менше 2fмакс, де fмакс - максимальна частота зміни вимірюваної кутової швидкості, блок автогенератора, який працює впродовж часу  to, де to - час виходу гіроскопа на режим виміру та електрично зв'язаний з перемикачем, перемикач, що вимикає блок автогенератора в момент часу  і включає блок автопідстроювання частоти, частотомір, що електрично зв'язаний з блоком автопідстроювання частоти, дискримінатор системи стабілізації амплітуди коливань, на який впродовж часу  подається сигнал, наростаючий від нуля або від малих значень амплітуд коливань до заданої амплітуди, що може змінюватися, блоки демодуляції, що реалізовуються у вигляді згладжуючих фільтрів, електрично зв'язані з регуляторами, дискримінатором та блоком автопідстроювання частоти. Винахід дозволяє збільшити точності виміру кутової швидкості при роботі на вібруючих та сильно вібруючих об'єктах. UA 101747 C2 (12) UA 101747 C2 UA 101747 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до датчиків кутової швидкості вібраційного типу і може бути використаний для виміру кутових швидкостей і кутів повороту рухомих об'єктів. Як відомо, у більшості застосувань гіроскопи працюють в умовах підвищеної і частоінтенсивної зовнішньої вібрації, що носить, в основному, випадковий характер. Аналіз стандартів на різні види рухомих об'єктів, як військового, так і цивільного призначення призводить до висновку, що гіроскопи повинні стійко працювати і забезпечувати необхідну точність виміру кутової швидкості при дії випадкової зовнішньої вібрації з рівномірним спектром частот в діапазоні від 20 Гц до 2000 Гц. Таким чином, випадкова вібрація відповідає визначенню "білого" шуму в цьому діапазоні. Випадкова амплітуда вібрацій, визначувана як середньоквадратичне відхилення (СКО) від середнього значення та, вимірювана в одиницях 2 прискорення вільного падіння g (g=9.8 м/с ) для різних об'єктів коливається від 2-3g до 10g-12g. Інтенсивна вібрація викликає істотне зниження відношення сигнал/шум а, отже, точність гіроскопа при роботі на вібруючому об'єкті. Для збільшення точності гіроскопа, у тому числі при роботі на вібруючій основі, в системі збудження коливань резонатора використовується, як правило, система фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ). Якщо на вхід ФАПЧ подати сигнал близький до резонансної частоти резонатора, то відбувається "захоплення" системою ФАПЧ резонансної частоти і при її зміні, наприклад, від температури, ФАПЧ відстежує резонансну частоту, що змінилася, і видає на збудження резонатора сигнал відповідно до резонансної частоти, що змінилася. Система ФАПЧ синтезує також строго ортогональні періодичні функції синус і косинус для демодуляції та модуляції сигнал вузла та пучності. Проте, при роботі в реальних умовах експлуатації, вказати системі ФАПЧ значення частоти, близьке до резонансної частоти резонатора при включенні гіроскопа на будь-якій температурі з робочого діапазону (як правило, діапазон робочих температур [-50+85]°С, а резонансна частота, наприклад, кварцового резонатора змінюється, при цьому приблизно на 80 Гц) досить складно. При цьому виникають проблеми з включенням гіроскопа через те, що ФАПЧ не може досить швидко (не більше, ніж за 1 сек.) зробити "захоплення" резонансної частоти, а в умовах зовнішньої вібрації цього може не статися. Крім того, в реальних умовах експлуатації, гіроскоп може включатися за наявності кутової швидкості на його вході, що, можливо, перевищує діапазон виміру гіроскопа. У таких умовах гіроскоп повинен включитися, але вихідний сигнал знаходитиметься в насиченні, і коли кутова швидкість увійде до діапазону виміру, гіроскоп повинен видавати сигнал, пропорційний вимірюваній кутовій швидкості. Проте без застосування спеціальних заходів коріолісівський вібраційний гіроскоп, за наявності великої кутової швидкості близької або такої, що перевищує межу його динамічного діапазону, не включається, оскільки в систему управління вібраційною хвилею надходить стрибкоподібний сигнал великої амплітуди. При цьому порушуються умови стійкої роботи систем управління, конкретно, регуляторів системи стабілізації амплітуди коливань, порушуються фазові співвідношення між сигналами квадратури, пучності та коріолісівською компонентою. Таким чином, існує необхідність зменшити вплив інтенсивної зовнішньої лінійної вібрації з метою збільшення точності виміру кутової швидкості при роботі на вібруючих і сильно вібруючих об'єктах, а також забезпечити стійке включення гіроскопа на будь-якій температурі з робочого діапазону температур і за наявності великої кутової швидкості, що можливо, перевищує динамічний діапазон виміру гіроскопа. Існують технічні рішення що зменшують вплив зовнішньої вібрації за допомогою віброізоляції резонатора від основи (корпуса) гіроскопа патент США № 6995084, патент США № 5546482 а також патент ЄС (Євросоюзу) № 1030164. Ці технічні рішення призводять до збільшення габаритів датчика і, крім того, пасивна віброізоляція не може ефективно захистити гіроскоп від вібрацій, придушуючи амплітуду вібрацій в одиниці (часто в 2-3 рази) або навіть в 10 разів. Як відомо, віброзахисні системи мають також свої резонанси (як правило, на низьких частотах), які можуть вносити досить великі погрішності у виміри, якщо частота зовнішньої вібрації близька до резонансної частоти віброзахисної системи. У технічному рішенні, прийнятим за прототип, патент США № 6389897, для заглушення зовнішніх вібрацій використовується демпфер у вигляді полімеру, який наноситися на робочу поверхню резонатора в місці розташування локального максимуму механічної напруги на електроді знімання інформації. Це технічне рішення демпфує не лише сигнал від зовнішньої вібрації, але і корисний сигнал, обумовлений кутовою швидкістю обертання і не приводить до збільшення відношення сигнал/шум на виході гіроскопа, а, отже, і точності вимірів. Перед авторами стояла задача зменшення чутливості до інтенсивної зовнішньої лінійної вібрації і збільшення відношення сигнал/шум в електронних каскадах обробки сигналу з метою збільшення точності при роботі на вібруючому об'єкті, а також забезпечити стійке включення 1 UA 101747 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 гіроскопа на будь-якій температурі з робочого діапазону температур і наявності на його вході великої кутової швидкості, що, можливо, перевищує динамічний діапазон його вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що у коріолісівській вібраційний гіроскоп, що містить резонатор з електродами знімання, збудження, блок автопідстроювання частоти, блок стабілізації амплітуди коливань, блоки демодуляції і модуляції, а також блоки компенсації квадратурної та коріолісівської мод коливань і виміру кутової швидкості, додатково вводяться, смугові фільтри з центральними частотами, що перебудовуються та є рівною або близькою резонансній частоті резонатора, блок автогенератора, перемикач, частотомір, при цьому після подання живлення на гіроскоп, впродовж часу 