Датчик угловой скорости

 

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к измерению угловой скорости движения объекта с помощью гироскопических устройств. Цель изобретения - измерение угловой скорости объекта вокруг двух осей одним гироскопическим устройством. В устройстве гиромотор установлен в опоры, функцию которых выполняют восемь датчиков преобразования механических величин в электрические (датчиков силы), причем каждая опора состоит их четырех датчиков силы и относительно каждой координатной оси диаметрально противоположные датчики силы включены по дифференциальной схеме, а упругие элементы датчиков силы образуют систему подвеса гиромотора, ось подвеса которого расположена параллельно оси вращения ротора и в частном случае может совпадать с ней. 3 ил.

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к измерению угловой скорости движения объекта с помощью гироскопических устройств.

Известен датчик угловой скорости, содержащий гиромотор с полуосями подвеса, установленный в корпусе на двух опорах подвеса, содержащий гиромотор, датчик угла, датчик момента, усилитель обратной связи, причем роторы датчика команд и датчика момента установлены на оси подвеса гиромотора, а их статоры жестко закреплены на основании прибора, выход датчика угла соединен с входом усилителя обратной связи, выход которого соединен с входом датчика момента.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что измеряется только одна составляющая абсолютной угловой скорости движения объекта, а для измерения, например, двух взаимно перпендикулярных составляющих необходим второй прибор, что увеличивает общие габаритно-массовые характеристики и стоимость.

Цель изобретения состоит в измерении двух составляющих абсолютной угловой скорости объекта одним гироскопическим датчиком угловой скорости.

Цель достигается тем, что гиромотор установлен в опоры, функцию которых выполняют восемь датчиков преобразования механических величин в электрические (датчиков силы), причем каждая опора состоит из четырех датчиков силы и относительно каждой координатной оси диаметрально противоположные датчики включены по дифференциальной схеме, а упругие элементы датчиков образуют систему подвеса гиромотора, ось подвеса которого расположена параллельно оси вращения ротора и в частном случае может совпадать с ней, введены четыре дифференциальных усилителя, два сумматора, два аналого-цифровых преобразователя и блок вычисления составляющих угловой скорости, при этом выходы соосных датчиков силы каждой опоры попарно соединены с входами соответствующих дифференциальных усилителей, выходы дифференциальных усилителей сигналов соосных и параллельных датчиков силы одной и другой опор попарно соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с входом блока вычисления составляющих угловой скорости.

На фиг. 1 и 2 представлены структурная схема и конструкция устройства, где 1 - гиромотор, 2 - полуоси (цапфы), 3 - гироскопический датчик угловой скорости, 4, 5 - опоры, 6-13 - датчики преобразования механических величин в электрические (датчики силы), 14-17 - дифференциальные усилители, 18, 19 - сумматоры, 20, 21 - аналого-цифровые преобразователи, 22 - блок вычисления составляющих угловой скорости, 23 - пьезоэлектрический датчик силы, 24 - корпус пьезоэлектрического датчика силы, 25 - упругий элемент пьезоэлектрического датчика силы, 26 - пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика силы, 27 - усилитель заряда, 28 - ось вращения ротора гиромотора, 29 - подшипник, 30 - корпус гиромотора, 31 - корпус гироскопического устройства, 32 - ограничители.

Датчики преобразования механических величин в электрические 6-13 предназначены для уравновешивания гироскопического момента, измерения гироскопических реакций и могут быть выполнены на основе любого метода измерения силы и в частном случае могут представлять собой пьезоэлектрические датчики 23 силы, которые состоят из корпуса 24, упругого элемента 25, пьезоэлектрического чувствительного элемента 26, усилителя 27 заряда.

С гиромотором связана система координат XYZ, причем ось Y и ось Х перпендикулярны оси Z вращения ротора 28 и взаимно перпендикулярны между собой. Ось Y является осью чувствительности гироскопического измерителя 3 при вращении объекта в плоскости XOZ и вектор угловой скорости ω_y направлен по ее оси. Ось Х также является осью чувствительности гироскопического измерителя 3, но при вращении объекта в плоскости YOZ и вектор угловой скорости ω_x направлен по оси Х (см. фиг. 3). Ротор гиромотора 1 раскручен и вращается вокруг оси OZ c угловой скоростью Ω_z, а его собственный кинетический момент равен Н.

При вращении объекта вместе с установленным на нем гироскопическим устройством 3 в плоскости XOZ с угловой скоростью ω_вх = ω_y ротор гиромотора 1 будет участвовать в сложном движении, т. е. иметь собственное вращение с угловой скоростью Ω_z и переносное движение со скоростью ω_вх. При этом, так как ротор вращается вокруг двух несовпадающих осей, возникает гироскопический момент М_х^г, вектор которого направлен по оси ОХ, а так как угол между осями OZ и OY равен 90^о, то значение гироскопического момента определяется как М_х^г = Н ω_y Гироскопический момент можно представить в виде момента пары R_yl_z1 силы R_y, имеющей плечо l_z1, который через подшипники 29 ротора действует на корпус 30 гиромотора 1 и цапфы 2. В опорах 4 и 5 возникают силы R_y, которые и образуют на плече l_z момент пары R_yl_z (см. фиг. 3). В рассматриваемом случае моменты пар R_yl_z1 и R_yl₂ равны между собой и равны порождающему их гироскопическому моменту М_х^г = Н ω_y. Сила R_y,являясь гироскопической реакцией, воспринимается и уравновешивается упругими элементами датчиков 6 и 9 опоры 4 и датчиков 13 и 10 опоры 5. Так как датчики 6 и 9, 13 и 10 включены по дифференциальной схеме и находятся в поджатом состоянии, то сила R_y, действуя на упругие элементы датчиков 6 и 9, 13 и 10, вызывает из упругую деформацию, что приводит к деформации сжатия пьезочувствительных элементов датчиков 6 и 13 и деформации растяжения пьезочувствительных элементов датчиков 9 и 10. На основе прямого пьезоэффекта на гранях пьезочувствительных элементов датчиков 6 и 13 возникает положительный заряд Q, который усиливается усилителями заряда, и на их выходах появляется напряжение U₆ и U₁₃, пропорциональное действующей силе R_y. В то же время на основе обратного пьезоэффекта на гранях пьезочувствительных элементов датчиков 9 и 10 также возникает заряд, но противоположного знака по сравнению с датчиками 6 и 13, и на выходах датчиков 9 и 10 также появится напряжение U₉ и U₁₀, пропорциональное силе R_y.

где К_6,9,10,13 - коэффициенты датчиков 6, 9, 10, 13; С_6,9,10,13 - емкости обратной связи усилителей заряда датчиков 6, 9, 10, 13.

Напряжение U₆ c датчика 6 подается на первый вход дифференциального усилителя 14, на второй вход которого подается напряжение U₉ c датчиков 9, на выходе дифференциального усилителя 14 появится напряжение Δ U₁₄, которое определяется, как ΔU₁₄= U₆-U₉= -- K₁₄= R_yK₁₄ = R_yK₁ , где K₁= K₁₄ ; К₁₄ - коэффициент передачи дифференциального усилителя 14.

Напряжение U₁₃ c датчика 13 поступает на первый вход дифференциального усилителя 16, на второй вход которого поступает напряжение U₁₀, на выходе дифференциального усилителя 16 появится напряжение Δ U₁₆, которое определяется, как ΔU₁₆= U₁₃-(-U₁₀)= -- K₁₆= R_yK₂ , где K₂= K₁₆ ; К₁₆ - коэффициент передачи дифференциального усилителя 16.

Напряжение Δ U₁₄ поступает на первый вход сумматора 18, на второй вход которого подается напряжение Δ U₁₆, на выходе сумматора 18 будет сумма напряжений Δ U₁₄ + +ΔU₁₆, т. е.

U_y = Δ U₁₄ + Δ U₁₆ = R_yK₁ + R_yK₂ = R_y(K₁ + K₂).

Напряжение U_y c выхода сумматора подается на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя 20, которым управляет блок 22. Блок 22 в начале цикла измерения формирует команду "Сброс" элементов памяти аналого-цифрового преобразователя 20. Затем формирует команду "Пуск", после которой через интервал времени t_и (времени преобразования) формирует сигнал "Опрос".

По команде "Опрос" с параллельного вывода аналого-цифрового преобразователя 20 в блок 22 записывается цифровой эквивалент (код) напряжения U_y c вывода сумматора 18, преобразованного аналого-цифровым преобразователем 20. Значение цифрового эквивалента определяется, как Z_y= U_y, где - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя 20; Δ N_y - напряжение квантования.

Учитывая, что U_y = R_y(K₁ + K₂), a R_y = = и М_х^г = Н ω_y, получаем Z_y= R_y(K₁+K₂)= (K₁+K₂)= · (K₁+K₂)ω_y.

Таким образом, в блоке 22 рассчитывается значение , которое определяется по следующей формуле:
=
Направление вращения ω_y определяется знаком напряжения U_y, который в свою очередь определяется направлением действия гироскопических реакций R_y. Если вращение объекта с установленным на нем гироскопическим устройством происходит в плоскости XOZ против хода часовой стрелки, то возникающие гироскопические реакции имеют направление, как показано на фиг. 3. При вращении по ходу часовой стрелки направления в реакций R_y изменятся на противоположные и уже датчики 9 и 10 будут испытывать деформацию сжатия, а датчики 6 и 13 - деформацию растяжения. Так как входы 2 дифференциальных усилителей 14 и 16 являются инвертирующими входами, и на их входы 1 и 2 подаются сигналы различного знака, то на выходах дифференциальных усилителей 14 и 16 напряжения ΔU₁₄ и Δ U₁₆ имеют знак в зависимости от направления вращения объекта.

В формуле определения значения коэффициент "4" является усредняющим, так как на выходе дифференциальных усилителей 14 и 16 значение напряжения ΔU₁₄, ΔU₁₆ пропорционально 2R_y, а на выходе сумматора 18 - 4R_y. Это объясняется тем, что гироскопическая реакция R_yпрактически измеряется четырьмя датчиками, т. е. датчиками 6, 9, 10, 13.

При вращении объекта вместе с установленным на нем гироскопическим устройством в плоскости YOZ с угловой скоростью ω_вх = ω_x в гироскопическом устройстве 3 возникает гироскопический момент М_у^г, вектор которого направлен по оси OY, а так как угол между осями OZ и OX равен 90^о, то значение гироскопического момента определяется как
М_у^г = Н ω_x
Гироскопический момент М_у^г проявляется в виде гироскопических реакций R_x (см. фиг. 3), которые воспринимаются датчиками 7 и 8 в опоре 4 и датчиками 11 и 12 в опоре 5 (см. фиг. 1). Так как направления R_x в опорах 4 и 5 взаимно противоположны, и датчики 7 и 8, 11 и 12 включены по дифференциальной схеме, то, следовательно, датчик 8 опоры 4 и датчик 11 опоры 5 будут испытывать деформацию сжатия, а датчик 7 опоры 4 и датчик 12 опоры 5 - растяжение. Соответственно на выходах усилителей зарядов датчиков 8 и 11 появится напряжение
U₈= ; U₁₁= , а датчиков 7 и 12 -
U₇= - ; U₁₂= - .

Дальнейшая работа устройства по определению ω_x аналогична его работе по определению ω_y.

Таким образом, заявленный датчик угловой скорости позволяет более полно использовать инерционные (гироскопические) свойства гироскопа за счет изменения системы его подвеса, что приводит к возможности измерения двух составляющих абсолютной угловой скорости движения объекта одним гироскопическим устройством. (56) Назаров Б. И. Командно-измерительные приборы. М. МО СССР, 1987, с. 174.

Формула изобретения

ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ, содержащий гиромотор с полуосями подвеса, установленный в корпусе на двух опорах подвеса, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерения угловой скорости относительно двух осей, в нем каждая опора подвеса выполнена в виде четырех датчиков силы с упругим элементом каждый, направление полуосей подвеса гиромотора параллельно оси вращения его ротора, дополнительно введены четыре дифференциальных усилителя, два сумматора, два аналого-цифровых преобразователя и блок вычисления составляющих угловой скорости, при этом выходы соосных датчиков силы каждой опоры попарно соединены с входами соответствующих дифференциальных усилителей, выходы дифференциальных усилителей сигналов соосных и параллельных датчиков силы одной и другой опоры попарно соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с входом блока вычисления составляющих угловой скорости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3