Датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором

Авторы патента:

Лихошерст Владимир Владимирович (RU)

G01C19/5691 - Гироскопы; поворотно-чувствительные устройства с колеблющимися массами; Поворотно-чувствительные устройства без движущихся масс

Владельцы патента RU 2787809:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU)

Изобретение относится к области производства гироскопической техники, а именно к гироскопическим приборам, используемым в информационно-измерительных системах ориентации объектов и управления их движением, например, на вращающихся по крену управляемых летательных аппаратах. Датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором содержит металлический цилиндрический резонатор, на дне которого симметрично по окружности с равным шагом расположены восемь пьезоэлементов, причем диаметрально противоположные пьезоэлементы образуют четыре пары, пары пьезоэлементов I-I и II-II входят в первый контур, пары пьезоэлементов III-III и IV-IV входят во второй контур, блок электроники, демодулятор. При этом в блок электроники введен интегрирующий усилитель в первый контур и интегрирующий усилитель во второй контур, образующие обратную связь по угловой скорости, генератор синусоидальных сигналов, для возбуждения свободной волны в металлическом цилиндрическом резонаторе. Для обеспечения запуска генератора синусоидальных сигналов в его электрическую цепь введен ключ. Кроме того, введен дополнительно ключ в электрическую цепь интегрирующего усилителя первого контура. Технический результат – увеличение добротности и времени функционирования датчика угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором более чем в десять раз. 3 ил.

Из предшествующего уровня техники известно, что гирокоординаторы могут формировать управляющий сигнал посредством измерения угла крена или значению синуса и косинуса этого угла. Ранее для решения данной задачи использовался датчик угла крена на базе механического трехстепенного гироскопа (раскладчик команд), например, импульсный трехстепенной гироскопический прибор (патент RU 2196963, G01C 19/02, опубликован 20.01.2003). Прибор содержит ротор, внутреннюю и наружную рамки карданова подвеса, спиральную ленточную пружину, корпус, датчик угла и арретир.

Недостатком таких гирокоординаторов является наличие большого количества подвижных частей, необходимость увеличения массогабаритных параметров для повышения точности и дискретности измерения угла крена.

Известен магнитный датчик скорости вращения по крену (патент США 6556896, ВА кл. НКИ 701-3, опубликован 29.04.2003). Устройство обеспечивает измерение скорости вращения по крену или углового положения по крену для управляемой ракеты и содержит пару магнитных датчиков, которые установлены внутри корпуса ракеты и генерируют аналоговый электрический сигнал, который отображает изменение интенсивности магнитного поля Земли вследствие наличия ферромагнитного элемента, который расположен внутри поля. Аналоговые сигналы преобразуют в цифровой формат и в составе потока данных передают на наземную станцию, где при помощи персонального компьютера вычисляют угловую скорость вращения ракеты по крену.

Недостатком изобретения является то, что использование интенсивности и направления вектора магнитного поля Земли приводит к погрешности, вызванной нестабильностью магнитного поля Земли.

Известен датчик крена и оборотов быстровращающегося управляемого снаряда (патент RU 143669, G01C 21/00 опубликован 27.08.2014), содержащий измеритель параметров снаряда, выполненный в виде двух акселерометров, жестко связанных с объектом так, что их оси чувствительности взаимно ортогональны и перпендикулярны продольной оси быстрого вращающегося снаряда, и вычислитель параметров снаряда, выполненный в виде микроконтроллера, причем выходы акселерометров подключены к двум информационным входам микроконтроллера, в состав измерителя параметров снаряда дополнительно введены последовательно соединенные измеритель угловой скорости вращения снаряда и интегратор, а также двухосный датчик магнитного поля Земли, причем выходы интегратора и датчика магнитного поля Земли подключены к информационным входам микроконтроллера.

Недостаток полезной модели заключается в сложности конструкции, необходимости применения оптимальных методов обработки и фильтрации сигнала, сложности калибровки и необходимости температурной компенсации.

Известен раскладчик команд на волновых твердотельных гироскопах (ВТГ) [Теория гироскопических систем. Гироприборы: учебное пособие для вузов / В.Я. Распопов: ТулГУ-Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. - 194 с.], принятый в качестве прототипа. Раскладчик команд содержит металлический цилиндрический резонатор, на дне которого симметрично по окружности с равным шагом расположены восемь пьезоэлементов. Причем диаметрально противоположные пьезоэлементы образуют четыре пары. Пары пьезоэлементов I-I и II-II входят в первый контур, пары пьезоэлементов III-III и IV-IV входят во второй контур. В конструкции также содержится блок электроники, демодулятор.

Подобный прибор на базе ВТГ с металлическим цилиндрическим резонатором может использоваться как в режиме свободной волны, так и в режиме датчика угловой скорости. В работе также отмечается, что если летательный аппарат имеет большой диапазон изменения угловой скорости по крену, то предпочтительно построение датчика угла крена на базе ВТГ в режиме свободной волны.

Существенным недостатком прототипа является малое время функционирования вследствие малой добротности.

Также известно [Лунин Б.С., Матвеев В.А., Басараб М.А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология: [монография] / Лунин Б.С., Матвеев В.А., Басараб М.А. - М.: Радиотехника, 2014. - 174 с.: ил. - Библиогр.: с. 159-171], что добротность металлического резонатора обычно не превышает величины 35000, вследствие этого длительность функционирования ВТГ в режиме свободной волны значительно ограничена. Оценку продолжительности работы датчика угла крена на базе ВТГ можно выполнить по формуле, предложенной в работе [Lynch, D.D. Coriolis vibratory gyroscope. IEEE standard specification format guide and test procedure for Coriolis vibratory gyros // IEEE std.1431 annex B. P. 56-66]

где Q - добротность резонатора;

ω₀ - собственная частота резонатора.

Так как собственная частота второй формы колебаний большинства ВТГ с металлическим резонатором составляет около 5700 Гц (ω₀=3,581⋅10⁴ рад/с), то при добротности Q=35000, имеем постоянную времени около 2 с, следовательно, продолжительность функционирования датчика угла крена на базе ВТГ будет составлять величину 3 Т≈6 с, что значительно ограничивает применение такого датчика угла.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в увеличении времени функционирования путем повышения добротности датчика угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором.

Данная задача решается за счет того, что датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором содержит металлический цилиндрический резонатор, на дне которого симметрично по окружности с равным шагом расположены восемь пьезоэлементов, причем диаметрально противоположные пьезоэлементы образуют четыре пары, пары пьезоэлементов I-I и II-II входят в первый контур, пары пьезоэлементов III-III и IV-IV входят во второй контур, блок электроники, демодулятор. Дополнительно в блок электроники введены интегрирующие усилители в первый и второй контуры, образующие обратную связь по угловой скорости, генератор синусоидальных сигналов, для возбуждения свободной волны в металлическом цилиндрическом резонаторе. Для обеспечения запуска генератора синусоидальных сигналов в его электрическую цепь введен ключ. Кроме того введен дополнительно ключ в электрическую цепь интегрирующего усилителя первого контура.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена структурная схема реализации датчика угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором. На фиг. 2 представлен график выходного сигнала прототипа с первого контура. На фиг. 3 график выходного сигнала с первого контура предлагаемого устройства.

Датчик угла крена 1 на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором содержит металлический цилиндрический резонатор 2 (показан условно), на дне 3 которого симметрично по окружности с равным шагом расположены восемь пьезоэлементов, причем диаметрально противоположные пьезоэлементы образуют четыре пары. Пары пьезоэлементов I-I и II-II входят в первый контур, пары пьезоэлементов III-III и IV-IV входят во второй контур.

Блок электроники 4, входящий в состав датчика угла крена 1, дополнительно содержит: генератор синусоидальных сигналов 5, в электрическую цепь которого введен ключ К1; интегрирующий усилитель 6 с ключом К2, введеный в первый контур; интегрирующий усилитель 7, введеный во второй контур. Питание блока электроники 4 осуществляется от внешнего источника питания. Генератор синусоидального сигнала 5 позволяет обеспечить в начальный момент времени возбуждение свободной волны в металлическом цилиндрическом резонаторе 2, при замкнутом ключе К1 на собственной частоте резонатора. Введение интегрирующего усилителя 6 в первый контур и интегрирующего усилителя во второй контур, образующих обратную связь по угловой скорости, позволяет реализовать схемотехнический способ увеличения добротности. Демодулятор 8, входящий в состав блока электроники 4, осуществляет демодуляцию сигналов и вычисление угла крена.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени блок электроники 4, входящий в состав датчика угла крена 1, подает управляющий сигнал на ключ К1, который замыкается, и с генератора синусоидальных сигналов 5 на диаметрально противоположные пьезоэлементы I-I подается сигнал в виде синусоидального напряжения Asin(ωt), где А - амплитуда, ω - частота подачи переменного сигнала, равная (или близкая) к собственной частоте основной формы колебаний металлического цилиндрического резонатора 2.

Вследствие изгибных деформаций дна 3 металлического цилиндрического резонатора 2 возникает изгибающий момент, который вызывает эллиптические деформации на второй форме колебаний, в результате чего возбуждается стоячая волна с четырьмя областями, ориентированными вдоль пары пьезоэлементов I-I и II-II и четырьмя областями, расположенными вдоль пары пьезоэлементов III-III и IV-IV. Через одну секунду после подачи управляющего сигнала ключ К1 размыкается, а ключ К2 замыкается. Тем самым реализуется схемотехнический способ увеличения добротности, при этом сигнал с пары пьезоэлементов I-I поступает на интегрирующий усилитель 6, расположенный в первом контуре и далее поступает на пару пьезоэлементов II-II. Аналогично сигнал с пары пьезоэлементов III-III поступает на интегрирующий усилитель 7, расположенный во втором контуре и далее поступает на пару пьезоэлементов IV-IV.

После замыкания ключа К2 датчик угла крена 1 приходит в рабочее состояние, и при вращении колеблющегося металлического цилиндрического резонатора 2 вокруг его оси симметрии, обусловленного поворотом на угол крена летательного аппарата, с постоянной угловой скоростью возникают кориолисовые силы инерции, привязанные к запаздыванию стоячей волны. Полученный сигнал с первого контура и второго контура, сдвинутый по фазе на минус 90 градусов поступает в демодулятор 8, где осуществляется демодуляция сигналов и вычисление угла крена на основе соотношения:

где K - коэффициент прецессии волны (коэффициент Брайна);

X - сигнал с первого контура,

Y - сигнал со второго контура.

На фиг. 2 приведен выходной сигнал прототипа с первого контура без введения обратной связи, у которого частота собственных колебаний, резонатора 5700 Гц (ω₀=3,581⋅10⁴ рад/с). На основании формулы (1) можно определить добротность такого резонатора, которая будет соответствовать Q=35000, при этом время функционирования составит шесть секунд. На фиг. 3 приведен выходной сигнал с первого контура предлагаемого прибора с аналогичной частотой собственных колебаний резонатора, и в соответствии с формулой (1) добротность такого резонатора будет составлять Q=350000, а время функционирования составит шестьдесят секунд. Таким образом, добротность и время функционирования увеличиваются в 10 раз.

Датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором, содержащий металлический цилиндрический резонатор, на дне которого симметрично по окружности с равным шагом расположены восемь пьезоэлементов, причем диаметрально противоположные пьезоэлементы образуют четыре пары, пары пьезоэлементов I-I и II-II входят в первый контур, пары пьезоэлементов III-III и IV-IV входят во второй контур, блок электроники, демодулятор, отличающийся тем, что дополнительно в блок электроники введены интегрирующие усилители в первый и второй контуры, образующие обратную связь по угловой скорости, генератор синусоидальных сигналов, для возбуждения свободной волны в металлическом цилиндрическом резонаторе, для обеспечения запуска генератора синусоидальных сигналов в его электрическую цепь введен ключ, кроме того введен дополнительно ключ в электрическую цепь интегрирующего усилителя первого контура.

Изобретение относится к области гироскопии и может быть использовано при проектировании и производстве волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором, работающего в режиме датчика угловой скорости. Волновой твердотельный гироскоп состоит из металлического резонатора с наклеенными на дно пьезоэлементами, имеющими форму прямоугольного параллелепипеда с соотношением сторон 25÷33:9÷12:1, и массивного основания.

Лазерный гироскоп // 2785441

Изобретение относится к области лазерной техники и навигационным системам, к бесплатформенным инерциальным навигационным системам. Устройство содержит: многоугольный оптический моноблок с оптическими каналами; зеркала полного отражения лучистой энергии; преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом; в качестве источника оптического излучения используется полупроводниковый лазер.

Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа // 2785080

Изобретение относится к измерительной технике. Способ определения фактической частоты колебаний кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа заключается в том, что используются отсчеты аналого-цифрового преобразователя, для определения измеряемой частоты применяется метод наименьших квадратов в триады моментов времени.

Способ компенсации движения виброподставки лазерного гироскопа и устройство для его реализации // 2783617

Изобретение относится к области приборостроения и касается лазерного гироскопа с компенсацией составляющей, вносимой виброподставкой (ВП). Способ компенсации движения ВП лазерного гироскопа состоит в том, что выходные сигналы кольцевого лазера (КЛ) и датчика положения поступают на преобразователь, в котором сигналы преобразуют в цифровой вид.

Инерциальное измерительное устройство с пониженной чувствительностью к термомеханическим напряжениям // 2781178

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.

Способ навигации по вектору сил кориолиса земли и устройство для его осуществления // 2775858

Изобретение относится к области навигации. Предложенные способ и устройство предназначены для определения координат объекта.

Двухосный индикаторный гиростабилизатор // 2767715

Двухосный индикаторный гиростабилизатор // 2764744

Изобретение относится к гироскопической технике, а более конкретно к двухосным индикаторным гиростабилизаторам на микромеханических гироскопах, работающим на пилотируемых и беспилотных летательных аппаратах (ЛА). Двухосный индикаторный гиростабилизатор содержит наружную рамку, установленную на основании с вращением относительно оси, параллельной продольной оси ЛА, и расположенную в ней платформу, вращающуюся относительно оси, перпендикулярной оси вращения наружной рамки, первый датчик момента, вход которого соединен с выходом первого усилителя мощности, вход которого соединен с выходом первого корректирующего фильтра (КФ), вход первого КФ соединен с выходом первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого микромеханического датчика угловой скорости, установленного на платформе с осью чувствительности, параллельной оси вращения наружной рамки двухосного индикаторного гиростабилизатора, установленный на оси вращения внутренней рамки второй датчик момента, вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, вход которого соединен с выходом второго КФ, вход второго КФ соединен с выходом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом второго микромеханического датчика угловой скорости, установленного на платформе с осью чувствительности, параллельной оси вращения платформы двухосного индикаторного гиростабилизатора, первый микромеханический акселерометр, установленный на платформе с осью чувствительности, параллельной оси вращения платформы двухосного индикаторного гиростабилизатора, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход первого усилителя соединен с входом третьего КФ, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, второй микромеханический акселерометр, установленный на платформе с осью чувствительности, параллельной оси наружной рамки двухосного индикаторного гиростабилизатора, выход которого соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя соединен с входом четвертого КФ, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, первый датчик угла командных сигналов, установленный на оси наружной рамки двухосного индикаторного гиростабилизатора, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, второй датчик угла командных сигналов, установленный на оси платформы двухосного индикаторного гиростабилизатора, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора; оптико-электронный датчик, установленный на платформе, оптическая ось которого перпендикулярна плоскости платформы гиростабилизатора, первое устройство управления, выход которого соединен с входом вычислительного устройства канала наружной рамки (ВУКНР), а также соединен с третьим входом первого сумматора, выход ВУКНР соединен с вторым входом третьего сумматора, второе устройство управления, выход которого соединен с входом вычислительного устройства канала платформы (ВУКП), а также соединен с третьим входом второго сумматора, выход ВУКП соединен с вторым входом четвертого сумматора.

Волоконно-оптический гироскоп // 2764704

Изобретение относится к области техниики гироскопов и касается волоконно-оптического гироскопа. Волоконно-оптический гироскоп содержит многовитковый замкнутый волоконный контур в виде одномодового двулучепреломляющего световода, излучатель, фотоприемник, два ответвителя, поляризатор, фазовый модулятор, фазовый детектор, усилитель, фильтр и генератор.

Способ построения систем измерения физических величин с многоконтурной обратной связью (варианты) // 2764055

Изобретение относится к метрологии. Способ построения систем измерения физических величин с многоконтурной обратной связью включает в себя построение измерительной системы на одном датчике или на одном канале датчика, если тот многоканальный первичной информации с несколькими контурами обратной связи, каждый из которых рассчитан на свой частотный диапазон.