Инерциальное измерительное устройство с пониженной чувствительностью к термомеханическим напряжениям

Изобретение относится к инерциальному измерительному устройству, содержащему два элемента: блок датчиков и инерциальный датчик, причем первый из указанных элементов снабжен стойками, каждая из которых имеет поверхность, к которой прилегает опорная поверхность второго из указанных элементов, прижимаемая силой, по существу перпендикулярной указанным поверхностям, причем указанная сила создается одним элементом крепления, причем указанные стойки имеют такую форму и такие размеры, чтобы обеспечить возможность деформирования стоек под действием термомеханического напряжения, возникающего в рабочем диапазоне температур измерительного устройства, таким образом, чтобы избежать какого-либо проскальзывания указанных поверхностей относительно друг друга под действием данного напряжения; и обеспечить удержание датчика в требуемом положении, обеспечивая при этом лишь ограниченную передачу вибрации и совместимость с работой датчика. Технический результат - создание средства для ограничения влияния температуры на рабочие характеристики инерциального измерительного блока. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к области измерений, в частности к области инерциальных измерений.

Уровень техники

Инерциальное измерительное устройство, в сущности, представляет собой блок инерциальных датчиков (БИД), в котором установлены инерциальные датчики. В число инерциальных датчиков обычно входят три линейных датчика или так называемых акселерометра, и три датчика измерения угловой скорости, такие как свободные гироскопы или гиродатчики угловой скорости. Инерциальные датчики расположены относительно трех осей измерительной системы отсчета таким образом, что:

- линейные датчики определяют составляющие движений, совершаемых блоком, вдоль каждой из этих трех осей; и

- датчики измерения угловой скорости определяют повороты блока относительно каждой из этих трех осей.

Как правило, каждый инерциальный датчик содержит пластину или подложку, на которой установлен чувствительный элемент. Пластина снабжена основанием, образующим плоскую опору для соответствующей поверхности блока, и отверстиями, проходящими перпендикулярно основанию, для приема с зазором винтов, входящих в зацепление с блоком. Сила затяжки винтов создает натяжение в каждом из них, так что каждый винт оказывает на пластину силу, направленную перпендикулярно основанию, и прижимает основание к соответствующей поверхности блока. Таким образом, иммобилизация пластины относительно блока, параллельного основанию, зависит от:

- натяжения в каждом винте; и

- коэффициента трения между основанием и блоком.

Нередко пластина и блок изготавливаются из разных материалов. Эти материалы могут иметь различные коэффициенты температурного расширения. Когда инерциальный измерительный блок подвергается температурным колебаниям, эти изменения температуры приводят к различному расширению различных материалов, и, следовательно, к различным термомеханическим напряжениям, воспринимаемым элементами крепления пластины блока, которые оказывают влияние на рабочие характеристики инерциальных датчиков.

Известно, что можно моделировать влияние изменений температуры на характеристики инерциального измерительного блока и выводить из этой модели корректирующие или компенсационные параметры, позволяющие поддерживать характеристики инерциального измерительного блока на приемлемом уровне в диапазоне рабочих температур, ожидаемом в ходе дальнейшего использования инерциального измерительного блока.

Однако, если термомеханические напряжения велики, существует риск проскальзывания пластины относительно блока; это приводит к изменениям механических напряжений, которые трудно предсказать и которые не происходят постоянным и повторяемым образом.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения заключается в создании средства для ограничения влияния температуры на рабочие характеристики инерциального измерительного блока.

С этой целью изобретением предложено измерительное устройство по п. 1 прилагаемой формулы.

Таким образом, термомеханические напряжения приводят к деформации стоек без проскальзывания между опорными поверхностями. К счастью, такая деформация является повторяемой (т.е. при данном термомеханическом напряжении всегда будет иметь место одинаковая деформация), и её проще моделировать.

Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения станут более ясными после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием некоторых возможных вариантов его осуществления, приводимых в качестве примера и не носящих ограничивающего характера.

Краткое описание чертежей

Описание приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг. 1 схематично показано инерциальное измерительное устройство согласно изобретению, вид в перспективе;

на фиг. 2 схематично представлен принцип расположения датчиков в данном инерциальном измерительном устройстве;

на фиг. 3 показан первый вариант осуществления блока данного инерциального измерительного устройства, вид в перспективе;

на фиг. 4 схематично показана часть указанного устройства, вид в разрезе по плоскости IV, отмеченной на фиг. 3;

на фиг. 5 схематично показана часть указанного устройства, вид в разрезе по плоскости V, отмеченной на фиг. 3; и

на фиг. 6 показан второй вариант осуществления блока данного инерциального измерительного устройства, вид в перспективе.

Осуществление изобретения

Как показано на прилагаемых чертежах, инерциальное измерительное устройство согласно данному изобретению включает в себя несколько элементов, а именно, блок 1 и инерциальные датчики. Инерциальные датчики включают в себя три линейных датчика, обозначаемые как 2x, 2y, 2z, являющиеся акселерометрами, и три датчика измерения угловой скорости, обозначаемые как 3x, 3y, 3z, которые в данном примере представляют собой гиродатчики угловой скорости. Инерциальные датчики 2x, 2y, 2z, 3x, 3y и 3z расположены относительно трех осей x, y, z измерительной системы R таким образом, что:

-линейные датчики 2x, 2y и 2z определяют составляющие движений, совершаемых блоком 1, по каждой из этих трех осей, и

-датчики 3x, 3y и 3z измерения угловой скорости определяют повороты блока относительно каждой из этих трех осей.

Каждый линейный датчик 2x, 2y и 2z содержит пластину 21 (или подложку), на которой установлен чувствительный элемент 22 для измерения ускорения. В рассматриваемом примере пластина 21 выполнена из металла, более конкретно, из стали или железоникелевого сплава. Пластина 21 содержит опорную поверхность или основание 23, в котором выполнены отверстия 24, оси которых перпендикулярны опорной плите 23. Каждое отверстие представляет собой сквозное отверстие, предназначенное для вхождения в него винта 40, служащего для крепления пластины 21 к блоку 1.

Каждый датчик измерения угловой скорости 3x, 3y и 3z содержит пластину 31 (или подложку), на которой установлен чувствительный элемент 32 для измерения угловой скорости. В рассматриваемом примере чувствительный элемент 32 представляет собой вибрирующий резонатор. В данном примере пластина 31 выполнена из керамики. Пластина 31 содержит опорную поверхность или основание 33, в котором выполнены отверстия 34, оси которых перпендикулярны опорной плите 33. Каждое отверстие представляет собой сквозное отверстие, предназначенное для вхождения в него винта 40, служащего для крепления пластины 31 к блоку 1.

В рассматриваемом примере блок 1 имеет, по существу, форму куба с шестью гранями (на чертеже видны только грани 1.1, 1.2 и 1.3), на каждой из которых закреплен один из инерциальных датчиков 2x, 2y, 2z, 3x, 3y и 3z. В рассматриваемом варианте осуществления блок 1 представляет собой единую деталь, изготовленную из металла, в частности, из стали.

От каждой из граней блока 1 отходят стойки 10, каждая из которых содержит торцевую поверхность 11, к которой прилегает основание 23 или 33 пластины 21 или 31 одного из инерциальных датчиков 2x, 2y, 2z, 3x, 3y и 3z. В каждой стойке 10 выполнено резьбовое отверстие 12, ось которого перпендикулярна данной торцевой поверхности 11, предназначенное для вставки и завинчивания в него резьбовой концевой части одного из винтов 40.

Понятно, что каждый винт 40 представляет собой элемент крепления, подвергающийся воздействию напряжения, возникающего под действием крутящего момента, с помощью которого он затягивается таким образом, чтобы создать действующее на пластину 21 или 31 усилие, перпендикулярное основанию 23 или 33 и прижимающее основание 23 или 33 к торцевой поверхности 11 стойки 10, с которой винт входит в зацепление.

Размеры и форма стоек 10 выбираются таким образом, чтобы:

- обеспечить возможность деформирования стоек 10 под действием термомеханического напряжения, возникающего в рабочем диапазоне температур измерительного устройства, таким образом, чтобы избежать какого-либо проскальзывания основания 23 или 33 относительно торцевой поверхности 11 под действием данного напряжения;

- обеспечить удержание инерциального датчика в требуемом положении, обеспечивая при этом лишь ограниченную передачу вибрации и совместимость с работой инерциального датчика 2x, 2y, 2z, 3x, 3y или 3z.

Как показано на фиг. 3, стойки 10 на каждой из граней блока 1 имеют удлиненное и криволинейное поперечное сечение. В рассматриваемом варианте осуществления центр кривизны стоек 10 практически совпадает с геометрическим центром соответствующей грани, и стойки 10 расположены симметрично относительно данного центра.

В качестве примера, каждая стойка может иметь следующие размеры:

- 3 мм в высоту;

- 6 мм в ширину; и

- 10 мм в длину.

В варианте осуществления, представленном на фиг. 6, стойки 10 имеют круглое поперечное сечение. Стойки 10 на каждой грани блока 1 расположены симметрично относительно центра данной грани.

В качестве примера, каждая стойка может иметь следующие размеры:

- 3 мм в высоту; и

- 6 мм в диаметре.

Разумеется, данное изобретение не ограничивается лишь описанными вариантами его осуществления, а напротив, включает в себя любые варианты, охватываемые объемом данного изобретения, определяемым прилагаемой формулой изобретения.

Количество и тип инерциальных датчиков, установленных на блоке, могут отличаться от описанных выше.

При необходимости, инерциальные датчики могут дополнительно содержать по меньшей мере один линейный датчик и по меньшей мере один датчик измерения угловой скорости.

В качестве датчиков измерения угловой скорости могут применяться датчики любой конструкции, подходящие для предполагаемого применения. Датчики измерения угловой скорости могут содержать вибрирующий резонатор (колокольного или стержневого типа), их работа может быть основана на каком-либо ином принципе (например, на принципе лазерного гироскопа).

Датчики измерения угловой скорости могут представлять собой свободные гироскопы или гиродатчики угловой скорости. Инерциальные датчики могут быть выполнены обычным (или макромеханическим) способом или в виде микроэлектромеханических систем (MEMS).

Блок 1 может быть выполнен в виде единой детали или множества деталей, соединенных друг с другом любыми средствами, например, болтами, сваркой и т.д. Блок 1 может быть выполнен из материала, отличающегося от указанного выше, например, может быть выполнен из алюминия.

Стойки могут быть частями пластин, а не блока 1.

Стойки могут быть цилиндрами круглого, овального или многоугольного поперечного сечения. При необходимости стойки могут иметь поперечное сечение, постоянное по всей их высоте. В качестве примера, если поперечное сечение стойки не является постоянным, поперечное сечение основания каждой стойки может быть больше поперечного сечения её свободного конца.

Хотя настоящее изобретение является особенно полезным и эффективным для инерциальных измерительных устройств, оно может применяться и в других областях, в которых используются измерительные устройства, датчики которых не являются инерциальными датчиками.

1. Инерциальное измерительное устройство, содержащее по меньшей мере два элемента, а именно блок датчиков и инерциальный датчик, причем первый из указанных элементов снабжен стойками, каждая из которых имеет поверхность, к которой прилегает опорная поверхность второго из указанных элементов, прижимаемая силой, по существу перпендикулярной указанным поверхностям, причем указанная сила создается по меньшей мере одним элементом крепления, причем указанные стойки имеют такую форму и такие размеры, чтобы:

- обеспечить возможность деформирования стоек под действием термомеханического напряжения, возникающего в рабочем диапазоне температур измерительного устройства, таким образом, чтобы избежать какого-либо проскальзывания указанных поверхностей относительно друг друга под действием данного напряжения; и

- обеспечить удержание инерциального датчика в требуемом положении, обеспечивая при этом лишь ограниченную передачу вибрации и совместимость с работой инерциального датчика.

2. Устройство по п. 1, содержащее множество инерциальных датчиков, установленных на блоке датчиков.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что инерциальные датчики содержат по меньшей мере один линейный датчик и по меньшей мере один датчик измерения угловой скорости.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что датчик измерения угловой скорости содержит вибрирующий резонатор.

5. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что линейный датчик и датчик измерения угловой скорости выполнены из различных материалов, а блок датчиков представляет собой компонент, выполненный из единственного материала.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что стойки жестко соединены с блоком датчиков.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что стойки имеют поперечное сечение удлиненной и криволинейной формы.

8. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что стойки имеют круглое поперечное сечение.