Бесплатформенный инерциальный измерительный блок

 

Изобретение относится к навигационным гироскопическим приборам и может найти применение в системах инерциальной навигации. Цель изобретения - уменьшение массогабаритных характеристик блока и упрощение обеспечения привязки осей чувствительности гироскопов - акселерометров к основанию блока при сохранении его точности. В бесплатформенном инерциальном измерительном блоке в качестве гироскопов-акселерометров использованы микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры. Основание блока выполнено в виде параллелепипеда с внутренней полостью и с базовыми плоскостями по его граням и установлено на подложке, содержащей элементы сервисной микроэлектроники. Электроды возбуждения колебаний и чувствительных элементов гироскопов-акселерометров выполнены непосредственно на основании, на одной из граней основания установлен датчик температуры. 1 з. п. ф - лы, 3 ил.

Изобретение относится к навигационным гироскопическим приборам и может найти применение в системах инерциальной навигации.

Известен бесплатформенный инерциальный блок, содержащий основание, гироскопы-акселерометры, установленные на его базовых плоскостях, сервисные электронные блоки, источники постоянного и переменного токов [1] В качестве гироскопов-акселерометров в указанном устройстве использованы гироскопы-акселерометры с электростатическим подвесом сферического ротора.

Недостатками известного бесплатформенного инерциального измерительного блока являются его значительные массогабаритные характеристики, а также сложность выставки или определения привязки осей чувствительности гироскопов-акселерометров к основанию блока.

Целью изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик и упрощение определения или обеспечения привязки осей чувствительности гироскопов-акселерометров к основанию блока.

Цель достигается тем, что в известном бесплатформенном инерциальном блоке в качестве гироскопов-акселерометров применены микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры, содержащие чувствительные элементы, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации, при этом основание блока выполнено в виде параллелепипеда с базовыми плоскостями по его граням и внутренней полостью, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации выполнены непосредственно на основании, а основание закреплено на подложке, содержащей микросборки сервисной электроники, в полости основания размещен источник постоянного тока, а на одной из плоскостей основания установлен датчик температуры. Кроме того, между основанием и подложкой установлена равножесткая по всем трем осям упругая прокладка, собственная частота упругих колебаний которой ниже собственных частот гироскопов-акселерометров.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Микромеханический вибрационный гироскоп-акселерометр (МВГА) (см. например, N. M. Barbour, J.H.Elwell, R.H.Setterland, G.Schmidt, Inertial Instruments. Isaint Petersburg International Conference on Gyroscope Technology) состоит из чувствительного элемента, электродов возбуждения колебаний чувствительного элемента, электродов съема информации, источника переменного тока и сервисных электронных блоков. Чувствительный элемент МВГА представляет собой узел из системы двух маятников, конструктивно выполненных в виде внешнего и внутреннего плоских элементов, которые соединены между собой и с основанием чувствительного элемента посредством торсионов. В центре внутреннего элемента размещена инерционная масса со смещенным центром масс относительно геометрического центра внутреннего элемента. Электроды возбуждения колебаний чувствительного элемента, закрепленные на основании чувствительного элемента, образуют с внешним плоским элементом электростатический датчик момента, а внутренний элемент с электродами съема информации емкостный датчик угла. Посредством переменного электрического поля, подаваемого с источника переменного тока на электроды возбуждения колебаний чувствительного элемента, возбуждают колебания чувствительного элемента определенной амплитуды и частоты. При вращении гироскопа относительно оси, перпендикулярной внешнему и внутреннему плоским элементам чувствительного элемента, возникают силы Кориолиса, которые заставляют колебаться внутренний элемент. Полезный сигнал снимается с электродов съема информации и сервисных электронных блоков. При этом полезный сигнал будет содержать периодическую составляющую, амплитуда которой пропорциональна входной угловой скорости, и постоянную составляющую, пропорциональную действующему линейному ускорению. МВГА обладает существенными преимуществами перед гироскопом-акселерометром с электростатическим подвесом ротора в части массогабаритных характеристик, что обеспечивает возможность построения на его основе малогабаритного бесплатформенного инерциального блока, кроме того, он удобен для использования его в сочетании с элементами микроэлектроники, а размещение отдельных элементов МВГА непосредственно на основании и выполнение основания в виде параллелепипеда с внутренней полостью и размещение ее на подложке позволяют помимо улучшения массогабаритных характеристик упростить привязку осей чувствительности МВГА к основанию блока и улучшить тепловой режим чувствительных элементов и сервисной электроники.

На фиг. 1 представлен бесплатформенный инерциальный измерительный блок, общий вид; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг.3 представлена структурная схема построения бесплатформенного измерительного блока.

Бесплатформенный инерциальный измерительный блок (фиг.1) содержит основание блока 1, выполненного в виде параллелепипеда, с внутренней полостью 2, в которой расположен источник 3 постоянного тока, и с базовыми плоскостями по его граням 4, на которых размещены чувствительные элементы 5, (показаны условно) электроды 6 возбуждения колебаний, электроды 7 съема информации и датчик 8 температуры. Основание блока 1 через равножесткую прокладку 9 установлено на подложке 10, на которой также размещены источник 11 переменного тока и микросборки 12 сервисной электроники.

Работа бесплатформенного инерциального измерительного блока заключается в следующем.

Напряжение с источника 3 постоянного тока, закрепленного во внутренней полости 2 основания блока 1, установленного через равножесткую прокладку 9 на подложке 10, поступает на источник 11 переменного тока, микросборки 12 сервисной электроники и датчик 8 температуры. Напряжение источника 11 переменного тока, в свою очередь, поступает на датчик 8 температуры, микросборки сервисной электроники и электроды 6 возбуждения чувствительных элементов 5. Переменное электрическое напряжение, поступающее на электроды 6 возбуждения колебаний, возбуждает колебания чувствительных элементов 5 определенной амплитуды и частоты. При действии угловой скорости и линейного ускорения на бесплатформенный инерциальный измерительный блок на оси чувствительности чувствительных элементов 5, расположенных на базовых плоскостях 4 основания блока 1, будут действовать проекции угловых скоростей ω_х,ω_у,ω_z и ускорений g_x, g_y, g_z. В результате возникнут кориолисовы силы, которые приведут к колебаниям чувствительных элементов 5. Сигналы, снимаемые с электродов 7 съема информации, будут содержать периодические составляющие, амплитуды которых пропорциональны входным угловым скоростям ( ω_х,ω_у,ω_z), и постоянные составляющие, пропорциональные действующим линейным ускорениям (g_x, g_y, g_z), поступают на микросборки 12 сервисной электроники, где преобразуются в постоянные напряжения, которые пропорциональны измеряемым проекциям угловых скоростей и линейных ускорений (U_ωх,U_ωу,U_ωz, U_gx, U_gy, U_gz). Одновременно сигнал с датчика 8 температуры, пропорциональный температуре основания блока 1, поступает на сервисные электронные блоки 12, где осуществляется коррекция измеряемых значений угловых скоростей и линейных ускорений.

Расположение чувствительных элементов 5, электродов 6 возбуждения колебаний чувствительных элементов и электродов 7 съема информации непосредственно на базовых плоскостях 4 основания блока 1 с внутренней полостью 2 позволяют существенно снизить погрешности привязки осей чувствительности МВГА к основанию блока и уменьшить массогабаритные характеристики и температурные градиенты за счет исключения промежуточных корпусных и крепежных элементов. Установка источника 3 тока во внутреннюю полость 2 позволяет уменьшить влияние тепло- и газовыделений источника постоянного тока на работу блока, повысить его помехозащищенность.

Установка между основанием блока 1 и подложкой 10 равножесткой по всем трем осям упругой прокладки 9 с собственной частотой упругих колебаний ниже собственных частот чувствительных элементов 5 МВГА позволяет существенно уменьшить погрешность бесплатформенного инерциального блока из-за угловых и линейных вибраций.

Формула изобретения

1. БЕСПЛАТФОРМЕННЫЙ ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК, содержащий основание, гироскопы-акселерометры, установленные на его базовых плоскостях, сервисные электронные блоки, источники постоянного и переменного токов, отличающийся тем, что в качестве гироскопов-акселерометров применены микромеханические вибрационные гироскопы-акселерометры, содержащие чувствительные элементы, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации, при этом основание блока выполнено в форме параллелепипеда с базовыми плоскостями по его граням и внутренней полостью, электроды возбуждения колебаний чувствительных элементов и электроды съема информации выполнены на основании, а основание закреплено на подложке, содержащей микросборки сервисной электроники, в полости основания размещен источник постоянного тока, а на одной из плоскостей основания установлен датчик температуры.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что между основанием и подложкой установлена равножесткая по всем трем осям упругая прокладка, собственная частота которой ниже собственных частот гироскопов-акселерометров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3