Виброгироскоп

 

Изобретение относится к электрическим приборам на твердом теле, предназначено для работы в качестве датчика угловой скорости подвижных объектов и обеспечивает повышение точности навигационных систем. Виброгироскоп содержит твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход смесителя подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора. Высокая стабильность и помехоустойчивость виброгироскопа позволяет применить его в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами. 5 ил.

Изобретение относится к электрическим приборам на твердом теле и предназначено для работы в качестве датчика угловой скорости подвижных объектов.

Известен датчик угловой скорости для управляемых ракет ("Электроника", т. 46, N 9, 1973, стр. 17). Датчик содержит пьезоэлектрический электромеханический преобразователь, который приводит в движение поток газа, выполняющий ту же функцию, что и вращающийся ротор в электромеханических гироскопах. Угловая скорость подвижного объекта под влиянием силы Кориолиса вызывает отклонение газового потока, которое обнаруживается мостовым терморезистивным преобразователем. Датчик обладает высокой механической прочностью, позволяющей использовать его в ракетах, выстреливаемых из артиллерийского орудия. Однако чувствительность датчика недостаточна для применения его в большинстве навигационных систем.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический датчик угловой скорости (а.с. N 265963 (СССР). Опалев В.Н., Шершун Е.Ф. и Кушко Н.И. Открытия. Изобретения. 1970, N 11). Устройство содержит Н-образный пьезоэлектрический элемент, состоящий из входного и выходного электромеханических преобразователей в виде плоских резонаторов, снабженных электродами, генератор электрических колебаний и электронный преобразователь для измерения выходного напряжения. Устройство компактно и обладает малым потреблением энергии.

Датчик представляет собой пьезотрансформатор с коэффициентом трансформации, зависящим от угловой скорости и обладает недостатками пьезотрансформаторных устройств, в том числе зависимостью коэффициета трансформации от температуры и старением пьезоэлектрического материала, также приводящим к изменению чувствительности датчика. Кроме того, примененный метод амплитудной модуляции не обеспечивает достаточной помехоустойчивости устройства.

Заявляемый в качестве изобретения виброгироскоп позволяет значительно увеличить точность измерения угловой скорости за счет повышения стабильности и помехоустойчивости, и, следовательно, повысить точность навигационной системы с использованием предлагаемого виброгироскопа.

Указанный технический эффект достигается тем, что в виброгироскопе, содержащем твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с электродами, первый генератор электрических колебаний и электронный преобразователь, твердотельный элемент выполнен из керамики с размытым фазовым переходом в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, образованного пересечением двух пластин. На одну из пластин нанесены четыре пары электродов, причем две пары образованы сплошными электродами, нанесенными на противоположные поверхности пластины, а другие две пары электродов нанесены на одну из поверхностей пластины и выполнены в виде встречно-штыревых структур. Электронный преобразователь содержит второй и третий генераторы электрических колебаний, смеситель, детектор и индикатор. Две пары сплошных электродов соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Одна из пар встречно-штыревых электродов подключена к частотно-задающей цепи второго генератора, другая пара встречно-штыревых электродов подключена к частотно-задающей цепи третьего генератора. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход смесителя подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Создание виброгироскопа стало возможным благодаря совокупности новой конструкции твердотельного элемента, нового материала для его изготовления, нового принципа получения и электронного преобразования выходного сигнала. Выбранный в качестве электроактивного материала сегнетоэлектрик с размытым фазовым переходом находит применение в электрострикционных микропозиционерах (см. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М., 1985, стр. 165). В заявляемом изобретении используется сочетание нескольких полезных свойств нового материала: малого старения из-за отсутствия доменной структуры, высокой электрострикционной деформации и обратного электрострикционного эффекта - существенной зависимости диэлектрической проницаемости от механического напряжения. Объединение этих эффектов в одной конструкции позволило создать гирочувствительный твердотельный элемент, обеспечивающий высокую стабильность - основной технический эффект изобретения.

Симметричная конструкция твердотельного элемента позволяет разместить два встречно-штыревых конденсатора, емкость которых зависит от измеряемой угловой скорости, и включить их в дифференциальную схему частотной модуляции выходного сигнала, обеспечивающую высокую помехоустойчивость устройства - дополнительный технический эффект изобретения. Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения: материаловедческих, конструкционных и схемотехнических, - значительно увеличивает точность навигационной системы, включающей заявляемый виброгироскоп.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема виброгироскопа и общий вид твердотельного элемента; на фиг. 2 изображена схема работы твердотельного элемента; на фиг. 3 - зависимость емкости встречно-штыревого конденсатора от механического напряжения; на фиг. 4 - зависимость частоты генератора от емкости конденсатора; на фиг. 5 - зависимость разностной частоты смесителя от угловой скорости.

Виброгироскоп содержит монолитный керамический элемент 1 с крестообразным поперечным сечением. На противоположные поверхности одной из пластин, образующих элемент 1, нанесены две противолежащие пары сплошных электродов 2, 3 и 4, 5, симметричные относительно другой пластины (см. фиг. 1). На одной из поверхностей этой же пластины нанесены другие две пары электродов гребенчатой формы 6, 7 и 8, 9, каждая из которых образует встречно-штыревую структуру.

Виброгироскоп содержит также генератор 10 и электронный преобразователь 11, включающий генераторы 12 и 13, смеситель 14, детектор 15 и индикатор 16, а также корпус 17.

Две пары электродов 2, 3 и 4, 5 соединены параллельно и подключены к выходу генератора электрических колебаний 10. Две пары встречно-штыревых электродов 6, 7 и 8, 9 включены в частотно-задающие цепи генераторов 12 и 13, соответственно. Выходы генераторов 12 и 13 подключены к входам смесителя 14, выход смесителя 14 соединен с входом детектора 15, выход детектора 15 соединен с входом индикатора 16. Пластина твердотельного элемента 1, свободная от электродов, жестко закреплена в корпусе 17, в котором расположены также генератор 10 и электронный преобразователь 11.

Монолитный керамический элемент 1 выполнен из сегнетоэлектрической керамики на основе твердого раствора магнониобата-титаната свинца, изготовленной методом горячего прессования. Механическая обработка элемента 1 выполнена шлифованием при помощи алмазных дисков. Электроды нанесены путем вжигания серебросодержащей пасты.

Виброгироскоп работает следующим образом. С выхода генератора 10 электрические колебания поступают на электроды 2, 3, 4, 5 твердотельного элемента 1. За счет электрострикционного эффекта в элементе 1 возникают механические колебания с частотой, вдвое превышающей частоту электрических колебаний. Возникающие при этом динамические механические напряжения вызывают, в результате обратного электрострикционного эффекта, изменение диэлектрической проницаемости материала элемента 1. Емкость встречно-штыревых конденсаторов C₆₇ и C₈₉, образованных, соответственно, электродами 6, 7 и 8, 9, определяется, в основном, диэлектрической проницаемостью приповерхностного слоя материала, и ее зависимость от механического напряжения представлена на фиг. 3.

При отсутствии вращения устройства вокруг оси Z (см. фиг. 1), т. е. при нулевой угловой скорости ω = 0 (см. фиг. 2 а) в элементе 1 происходят только линейные колебания вдоль оси X. В каждый момент времени механические напряжения в области конденсаторов C₆₇ и C₈₉ одинаковы по знаку и величине. В этом случае происходят синхронные и одинаковые изменения емкости конденсаторов C₆₇ и C₈₉. Конденсаторы C₆₇ и C₈₉, включенные в частотно-задающие цепи, изменяют частоту генераторов 12 и 13 на одинаковую величину (см. фиг. 4). В результате на выходе смесителя 14 разностная частота равна нулю. Равны нулю также выходной сигнал детектора 15 и показания индикатора 16.

Вращение устройства вокруг оси Z с угловой скоростью ω(ω ≠ 0 на фиг. 2 б, в) вызывает появление Кориолисовой силы инерции F_k, воздействующей на элемент 1 перпендикулярно направлению линейного движения, F_k= 2mωV_x, где m и V_k масса и линейная скорость элемента объема (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М. , 1990, стр. 86). В этом случае к колебательному линейному движению элемента 1 добавляются изгибные колебания элемента 1 (см. фиг. 2).

Изгибные механические напряжения в области конденсаторов C₆₇ и C₈₉ противоположны по знаку и, следовательно, вызывают противоположные по знаку изменения емкости конденсаторов C₆₇ и C₈₉ от среднего значения C₀. В свою очередь, частота генераторов 12 и 13 изменяется в противоположные стороны от среднего значения f₀. В результате разностная частота на выходе смесителя 14 равна сумме отклонений частоты генераторов 12 и 13 и линейно зависит от угловой скорости ω (см. фиг. 5). Сигнал с выхода смесителя 14 может служить выходным сигналом виброгироскопа в цифровой системе управления. В аналоговой системе управления частотный сигнал детектируется детектором 15 и регистрируется индикатором 16, показания которого пропорциональны измеряемой угловой скорости.

Предлагаемый виброгироскоп позволяет увеличить точность навигационной системы за счет повышения стабильности и помехоустойчивости и может быть применен в тех случаях, когда использование гироскопов, основанных на других физических принципах, экономически нецелесообразно или неприемлемо по массогабаритным характеристикам. Эффективно применение нового виброгироскопа в компактных системах навигации и автоматического управления наземными транспортными средствами и другими подвижными объектами.

Формула изобретения

Виброгироскоп, содержащий твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с электродами, первый генератор электрических колебаний и электронный преобразователь, отличающийся тем, что твердотельный элемент выполнен из керамики с размытым фазовым переходом в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, образованного пересечением двух пластин, на одну из пластин нанесены четыре пары электродов, причем две пары образованы сплошными электродами, нанесенными на противоположные поверхности пластины, а другие две пары электродов нанесены на одну из поверхностей пластины и выполнены в виде встречно-штыревых структур, электронный преобразователь содержит второй и третий генераторы электрических колебаний, смеситель, детектор и индикатор, две пары сплошных электродов соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора, одна из пар встречно-штыревых электродов подключена к частотно-задающей цепи второго генератора, другая пара встречно-штыревых электродов подключена к частотно-задающей цепи третьего генератора, выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход смесителя подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5