Волновой твердотельный гироскоп

 

Устройство может быть использовано в системах управления подвижными объектами. Устройство содержит полусферический резонатор с установленным в нем цилиндрическим стержнем и металлический герметизирующий кожух с гермовводами, в котором установлена сборка корпус - основание - резонатор. Дополнительно введены упругие центрирующие элементы, упругий центрирующий подвес, выполненный в виде системы плоских пружин, маломоментные упругие токоподводы в виде витых плоских пружин, а также жесткая фиксация корпуса и основания, что позволяет повысить точность гироскопа. 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано в конструкции волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), предназначенного для инерциальных навигационных систем и систем управления подвижных объектов.

Основными преимуществами ВТГ являются: малая стоимость при высоких точностных параметрах, большая надежность, способность сохранять инерциальную информацию при временных перерывах электропитания, малая чувствительность к механическим, температурным и магнитным возмущениям [1, 2].

Известна конструкция ВТГ, содержащая полусферический резонатор, через полюс которого проходит цилиндрический стержень, корпус и основание с системами электродов, в которых закреплен стержень, при этом указанные элементы конструкции выполнены из высокодобротного изотропного материала, например плавленного кварца, и металлический герметизирующий кожух с гермовводами, в котором установлена сборка корпус - основание - резонатор, при этом электрические связи выполнены жестким соединением гермовводов кожуха с электродами корпуса и основания [3, 4].

Наиболее близким техническим решением является ВТГ [5], содержащий: полусферический резонатор, через полюс которого проходит цилиндрический стержень, корпус и основание с системами электродов, в которых закреплен стержень, при этом указанные элементы конструкции выполнены из высокогодобротного изотропного материала, например плавленного кварца, и металлический герметизирующий кожух с гермовводами, в котором установлена сборка корпус - основание - резонатор, при этом электрические связи выполнены жестким соединением гермовводов кожуха с электродами корпуса и основания.

Точность ВТГ, как и гироскопа, основанного на любом другом физическом эффекте, определяется величиной и стабильностью энергетической связи инерциального элемента с подвижными в инерциальном пространстве элементами конструкции. В данном случае инерциальным элементом является стоячая волна, возбужденная и поддерживаемая заданной амплитуды в полусферическом резонаторе. Из этого следует, что точность ВТГ в существенной мере будет зависеть от величины рассеивания колебательной энергии в резонаторе и зависимости этой величины от углового положения волны, т.е. от величины и анизотропии механической добротности резонатора. В силу погрешностей изготовления резонатора и его сборки с корпусом и основанием практически любой резонатор имеет анизотропию упругомассовых параметров, которая либо заложена в самом резонаторе, либо является следствием анизотропии сил, действующих на резонатор со стороны системы управления ВТГ. Различные технологические и схемные приемы позволяют значительно уменьшить вредный эффект, однако достигнуть абсолютной симметрии невозможно. Известно, что наличие упругомассовой анизотропии резонатора приводит к колебаниям его центра масс на частоте волны [6]. Последнее в существенной конструкции приводит к оттоку колебательной энергии стоячей волны через места крепления в корпус, основание и далее в металлический кожух. В результате механическая добротность резонатора падает, а ее анизотропия возрастает, что приводит в конечном итоге к снижению точности ВТГ.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности ВТГ за счет минимизации оттока колебательной энергии стоячей волны в элементы конструкции при условии существования колебаний центра масс резонатора путем введения дополнительных элементов конструкции, имеющих заданные параметры.

Поставленная цель достигается тем, что: - дополнительно введены упругие центрирующие элементы, например цанги или шайбы, один из которых расположен между цилиндрическим стержнем резонатора и корпусом, а другой между цилиндрическим стержнем и основанием, при этом частота резонансных колебаний элементов в радиальном и осевом направлениях меньше частоты стоячей волны; - дополнительно введен упругий центрирующий подвес, выполненный, например, в виде системы плоских пружин, расположенный между сборкой резонатор - упругие центрирующие элементы - корпус - основание и герметизирующим кожухом, частота резонансных колебаний которого в радиальном и осевом направлениях меньше частоты стоячей волны; - дополнительно введена жесткая фиксация, например с помощью болтов, корпуса и основания относительно друг друга; - дополнительно введены маломоментные упругие токоподводы, выполненные в виде витых и плоских пружин, обеспечивающие электрические соединения электродов корпуса и основания с гермовводами кожуха.

На чертеже приведена конструктивная схема предлагаемого ВТГ. Он состоит из полусферического резонатора 1, через полюс которого проходит цилиндрический стержень, корпуса 2 и основания 3 с системами электродов, при этом резонатор 1, корпус 2 и основание 3 выполнены из высокодобротного материала, например плавленного кварца, и металлического герметизирующего кожуха 4 с гермовводами 5. Цилиндрический стержень резонатора 1 закреплен в корпусе 2 и основании 3 с помощью упругих центрирующих элементов 6, например цанг или шайб. Сборка резонатор - упругие центрирующие элементы - корпус - основание закреплена с помощью упругого центрирующего подвеса 7, выполненного, например, в виде системы плоских пружин, в кожухе 4. Корпус 2 и основание 3 жестко зафиксированы друг относительно друга, например с помощью болтов 8. Электрические соединения электродов корпуса 2 и основания 3 с гермовводами 5 кожуха 4 выполнены маломоментными упругими токоподводами, представляющими из себя витые 9 и плоские 10 пружины.

При возбуждении и поддержании амплитуды стоячей волны в резонаторе 1 на его резонансной частоте в силу анизотропии упругомассовых параметров резонатора возникают колебания его центра масс в радиальном и осевом направлениях на частоте стоячей волны. Последнее с необходимостью вызывает энергетическую связь резонатора 1 с корпусом 2 и основанием 3 через места соединения указанных деталей. Величина этой связи определяется частотной характеристикой мест соединения и диссипацией энергии в них. Выполнив рассматриваемое соединение с помощью элементов 6, которые обеспечивают резонансную частоту в радиальном и осевом направлениях мест соединения, существенно меньшую частоты стоячей волны при минимально возможной диссипации энергии в них, можно минимизировать величину энергетической связи. В пределе это равносильно свободному подвесу резонатора. Поэтому элементы 6 выполнены из упругого высокодобротного материала. С другой стороны, конструктивные параметры элементов 6 рассчитаны таким образом, что они обеспечивают необходимое центрирование резонатора 1 в указанной выше сборке для заданных эксплуатационных условий.

Несмотря на наличие элементов 6 часть колебательной энергии будет уходить в корпус и основание. Корпус 2 и основание 3 изготовлены из того же высокодобротного материала, что и резонатор 1, поэтому диссипация энергии в них мала. Однако герметизирующий кожух 4 изготовлен из металла, имеющего относительно низкую механическую добротность. Поэтому необходимо введение упругого подвеса 7 сборки резонатор - упругие центрирующие элементы - корпус - основание в кожухе 4, который исключая прямой механический контакт этой сборки с кожухом выполняет такую же роль, что и элементы 6, и спроектирован с учетом тех же требований.

Так как невозможно обеспечить полную идентичность элементов 6, необходима жесткая фиксация друг относительно друга корпуса 2 и основания 3, которая реализована болтами 8. В противном случае возникает дополнительная потеря энергии на трение в месте контакта корпуса 2 и основания 3 при их взаимных перемещениях.

Аналогично назначение токоподводов 9 и 10. С одной стороны, они минимизируют энергетическую связь между элементами конструкции, а с другой, исключают потери на трение в местах контакта.

Выполненные опытные работы показали, что в образцах ВТГ, изготовленных по известной конструктивной схеме, наблюдается уменьшение исходной механической добротности резонатора до 3-х раз при появлении анизотропии добротности до 30%. В образцах ВТГ, изготовленных по предложенной конструктивной схеме с использованием тех же резонаторов, корпусов и оснований, уменьшение исходной механической добротности не превышало 10% при анизотропии добротности менее 2%. Соответственно точность гироскопа увеличилась более чем в 10 раз.

Источники информации: 1. Scott V.B., Delco Makes Low-Cost Gyro Prototype, II Aviation Week., 1982, v. 117, N 17, pp. 64-72.

2. Djandjgava G. I., Vinogradov G.M., Lipatnikov V.I., Development and Testing of Hemispherical Resonator Gyroscope, 5th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 1998, pp. 218-221.

3. Патент ЕПВ N 0141621.

4. Lynch D.D., Matthews A., Varty G.T., Transfer of Sensor Thechnology from Oil-Drilling to Space Application, 5th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 1998, pp. 27-36.

5. Патент США N 4951508.

6. Zhbanov Yu.K., Theoretical Aspects of Balancing the Semispherical Resonator Gyro, 2nd Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, 1995, part II, p. 88.

Формула изобретения

Волновой твердотельный гироскоп, содержащий полусферический резонатор, через полюс которого проходит цилиндрический стержень, корпус и основание с системами электродов, в которых закреплен стержень, при этом указанные элементы конструкции выполнены из высокодобротного изотропного материала, и металлический герметизирующий кожух с гермовводами, в котором установлена сборка корпус - основание - резонатор, при этом электрические связи выполнены жестким соединением гермовводов кожуха с электродами корпуса и основания, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены упругие центрирующие элементы, один из которых расположен между цилиндрическим стержнем резонатора и корпусом, а другой - между цилиндрическим стержнем и основанием, при этом частота резонансных колебаний элементов в радиальном и осевом направлениях меньше частоты стоячей волны, а также дополнительно введен упругий центрирующий подвес, расположенный между сборкой резонатор - упругие центрирующие элементы - корпус - основание и герметизирующим кожухом, частота резонансных колебаний которого в радиальном и осевом направлениях меньше частоты стоячей волны, а также дополнительно введена жесткая фиксация корпуса и основания относительно друг друга, а также дополнительно введены маломоментные упругие токоподводы, обеспечивающие электрические соединения электродов корпуса и основания с гермовводами кожуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1