Полусферический резонатор из кварцевого стекла волнового твердотельного гироскопа

 

Использование: в конструкции датчиков инерциальной информации, основанных на инертных свойствах упругих волн, конкретнее в волновых твердотельных гироскопах для измерения углового перемещения. Сущность изобретения: резонатор содержит полусферическую оболочку, металлизированную снаружи от полюса до уровня, равного половине радиуса полусферы, снабженную металлизированными балансировочными зубцами, соединенными токопроводящими дорожками снаружи с металлизированной частью полусферы, внутри - со сквозной металлизированной осесимметричной ножкой. 1 ил.

Изобретение относится к конструкции датчиков инерциальной информации, основанных на инертных свойствах упругих волн. Свойство инертности упругих волн в полусферических резонаторах используется в волновых твердотельных гироскопах для измерения углового перемещения. Поворот волнового твердотельного гироскопа вокруг оси на угол Ω приведет к повороту стоячей волны в резонаторе на угол Ψ, пропорциональный Ω. Самопроизвольный угловой дрейф волны (ошибка прибора) обратно пропорционален добротности полусферического резонатора Q, поэтому добротность полусферического резонатора должна быть высокой.

Известен полусферический резонатор из кварцевого стекла волнового твердотельного гироскопа, содержащий металлизированную полусферическую оболочку с металлизированными балансировочными зубцами вдоль кромки, расположенную на сквозной металлизированной осесимметричной ножке. Внешняя металлизированная полусфера соединена с электрической схемой через металлизированную ножку, расположенную с внешней стороны, а внутренняя металлизированная полусфера соединена с электрической схемой через металлизированную ножку, расположенную с внутренней стороны. Внешняя металлизация полусферического резонатора позволяет реализовать параметрическое возбуждение резонатора и электростатическую балансировку резонатора, а внутренняя металлизация служит в качестве одной из обкладок емкостных датчиков перемещения и позволяет определить угловое положение стоячей волны. Однако нанесение металлического покрытия сильно уменьшает добротность полусферического резонатора. Так, по данным авторов, добротность полусферического резонатора из кварцевого стекла после нанесения металлического покрытия из хрома толщиной 200 составила: Q_k=5,18 ˙ 10⁶, а потери соответственно: Р_k=Q_k^-1=19,3 ˙ 10^-8. Добротность неметаллизированного резонатора составляла: Q_н=28,18 ˙ 10⁶, а потери соответственно Р_н=Q_н^-1=3,5 ˙ 10^-8. Внесенные при нанесении металлического слоя потери составляют Р_с=Р_к-Р_н= 15,8 ˙ 10^-8, т.е. они оказались примерно в 5 раз выше, чем потери в самом резонаторе. Другим недостатком известного резонатора является сильная зависимость добротности в разных направлениях от температуры. Хотя кварцевое стекло является высокостабильным материалом с небольшим температурным коэффициентом потерь, температурные свойства резонатора в целом определяются главным образом температурными свойствами металлического покрытия, которые для металлов в несколько раз хуже, чем для кварцевого стекла.

Предложенный резонатор позволяет устранить указанный недостаток, то есть позволяет избежать существенного изменения добротности при нанесении металлического покрытия и сохранить его характеристики при изменении температуры.

Предложенный резонатор из кварцевого стекла содержит полусферическую оболочку снаружи металлизированную от полюса до уровня, равного половине радиуса полусферы, снабженную металлизированными балансировочными зубцами, соединенными токопроводящими дорожками снаружи с металлизированной частью полусферы, внутри со сквозной металлизированной осесимметричной ножкой.

Предложенный резонатор отличается тем, что полусферическая оболочка снаружи металлизирована от полюса до уровня, равного половине радиуса полусферы причем металлизированные поверхности балансировочных зубцов соединены токопроводящими дорожками снаружи с металлизированной частью полусферы, внутри со сквозной ножкой.

Возникновение дополнительных потерь энергии в полусферическом резонаторе после его металлизации, связано с неупругой деформацией материала металлического слоя на поверхности кварцевого стекла при колебаниях. Однако при колебаниях сферического сегмента в движении участвует практически лишь небольшая часть оболочки вблизи свободного края. Колебанием участков сферического сегмента, удаленных от полюса полусферы до уровня, меньшего чем половина радиуса полусферы, можно пренебречь. Металлический слой на балансировочных зубцах при колебаниях практически не деформируется и на добротность резонатора не влияет. В предложенном резонаторе поверхность, участвующая в движении, в основном свободна от металлического слоя. Покрытыми остаются лишь места, занятые токопроводящими дорожками. В результате вносимые при металлизации потери существенно уменьшаются. Однако с наружной стороны необходимо иметь металлизированный участок полусферы для осуществления параметрического возбуждения резонатора. Эффективность параметрического возбуждения падает по мере удаления этого металлизированного участка от кромки оболочки, поэтому предложенный полусферический резонатор из кварцевого стекла металлизирован снаружи до уровня, равного половине радиуса полусферы. При меньшем размере металлизированной области резко уменьшится эффективность параметрического возбуждения, при большем будут резко возрастать потери в металлическом слое.

На чертеже показан предлагаемый резонатор.

Полусферический резонатор из кварцевого стекла содержит оболочку 1 с балансировочными зубцами 2, расположенную на сквозной металлизированной осесимметричной ножке 3. Часть полусферы 4 от полюса до уровня, равного половине радиуса полусферы, снаружи металлизирована. Металлизированные поверхности балансировочных зубцов снаружи соединены токопроводящими дорожками 5 с металлизированной частью полусферы 4, внутри со сквозной ножкой токопроводящими дорожками 6.

Предложенный полусферический резонатор из кварцевого стекла работает следующим образом.

Механические колебания поддерживают системой параметрического возбуждения гироскопа путем приложения сил к металлизированной до уровня, равного половине радиуса полусферы, наружной части полусферы 4. Электростатическая балансировка резонатора осуществляют электростатически, путем приложения кулоновских сил к наружной металлизированной поверхности балансировочных зубцов 2. Измерение положения стоячей волны осуществляют емкостными датчиками, причем внутренние металлизированные поверхности балансировочных зубцов 2 служат обкладками емкостных датчиков. Изменение зазора между датчиком и колеблющейся кромкой полусферического резонатора преобразуют в гироскопе в информационный сигнал.

Оценим потери, вносимые при металлизации предложенного полусферического резонатора. При числе балансировочных зубцов равном 16 и ширине токопроводящих дорожек менее π D/100, где D диаметр резонатора, площадь металлического покрытия уменьшится более, чем в 6 раз, что приведет к такому же уменьшению потерь, вносимых при металлизации.

Предложенный резонатор позволяет уменьшить изменение добротности при металлизации примерно в 6-10 раз, а также имеет более высокую температурную стабильность характеристик, что позволяет использовать его в гироскопических приборах высокого класса точности.

Формула изобретения

ПОЛУСФЕРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА ВОЛНОВОГО ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА, содержащий металлизированную полусферическую оболочку с металлизированными балансировочными зубцами, расположенную на сквозной металлизированной осесимметричной ножке, отличающийся тем, что полусферическая оболочка снаружи металлизирована от полюса до уровня, равного половине радиуса полусферы, причем металлизированные поверхности балансировочных зубцов соединены токопроводящими дорожками снаружи с металлизированной частью полусферы, внутри - со сквозной ножкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1