Твердотельный волновой гироскоп

 

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано для измерения углов в системах управления. Гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на поверхности резонатора, корпус, к которому крепится резонатор и множество электродов датчиков, электродов управления, находящихся в непосредственной близости к электродам резонатора, электронный блок управления, содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла. Электронный блок содержит задающий и входной блоки. Задающий блок соединен с электродами управления и включает устройство для формирования опорного напряжения, являющегося временной функцией прямоугольных импульсов с постоянной составляющей, равной нулю. Устройство для формирования соединено с электродом резонатора. Входной блок соединен с электродами датчиков и содержит устройства для изменения полярности выходных сигналов, синхронизированные с изменением знака опорного напряжения. Обеспечивается повышение точности гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано для измерения углов в системах управления.

Известен акустический колоколообразный вибрационный гироскоп, содержащий полусферический кварцевый резонатор с металлизированными внешней и внутренней полусферическими поверхностями, корпус, состоящий из нижнего и верхнего оснований. Восемь электродов датчиков расположены на полусферической поверхности верхнего основания корпуса, а кольцевой и шестнадцать дискретных электродов управления расположены на полусферической поверхности нижнего основания корпуса [1]. Недостатком данной конструкции является то, что постоянное напряжение на электроде резонатора приводит к накоплению заряда на поверхности корпуса и появлению токов утечки между электродами датчиков и, как следствие, возникновению дополнительных составляющих ухода гироскопа, т. е. снижению точности гироскопа.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус с множеством закрепленных на нем электродов управления, находящихся в непосредственной близости к электродам резонатора, и электронный блок управления, содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, источники опорных переменных токов высокой частоты, соединенные с электродами датчиков, сигналы с датчиков подаются на входы дифференциальных усилителей-сумматоров, выходы которых подключены к синхронным детекторам, на которые подается опорное переменное напряжение. Электрод резонатора подключен к нулевому потенциалу. Сигнал с детекторов подается на фильтры НЧ, напряжения на выходе фильтров пропорциональны сигналам колебаний резонатора [2]. Использование переменных токов для питания электродов датчиков позволяет избежать снижения точности гироскопа, вызванного постоянными токами утечки.

Недостатком данной конструкции является то, что емкостные преобразователи перемещений включены параллельно входам дифференциальных усилителей-сумматоров. В результате входной импеданс дифференциальных усилителей-сумматоров шунтирует емкостные преобразователи перемещений, что вызывает уменьшение амплитуды выходного сигнала преобразователей и уменьшает отношение сигнал/шум на выходе дифференциальных усилителей-сумматоров. Кроме того, необходимость использования отдельного источника опорного переменного тока для каждого емкостного преобразователя перемещений приводит к тому, что изменение параметров источников опорного переменного тока в процессе эксплуатации гироскопа вызывает рассогласование коэффициентов преобразования емкостных преобразователей перемещений.

Уменьшение отношения сигнал/шум и рассогласование коэффициентов преобразования емкостных преобразователей перемещений приводит к снижению точности гироскопа.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности твердотельных волновых гироскопов.

Для достижения указанного технического результата представлен твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации по меньшей мере на одной из множества мод стоячих волн, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков, электродов управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, отличающийся тем, что электронный блок управления содержит задающий блок, соединенный с электродами управления и содержащий устройство для формирования опорного напряжения, соединенное с электродом резонатора, и входной блок, соединенный с электродами датчиков и содержащий устройства для изменения полярности выходных сигналов, синхронизированные с изменением знака опорного напряжения.

Для уменьшения импульсов помех, возникающих при смене знака опорного напряжения, устройство для формирования опорного напряжения может быть синхронизировано с частотой колебаний резонатора.

Использование для питания емкостных преобразователей перемещения общего опорного напряжения, подаваемого на электрод резонатора, обеспечивает пропорциональное изменение коэффициентов преобразования емкостных преобразователей при изменении параметров устройства для формирования опорного напряжения в процессе эксплуатации, что позволяет исключить рассогласование коэффициентов преобразования емкостных преобразователей перемещений.

Емкостные преобразователи перемещений включены последовательно с входом буферных усилителей входного блока. Это позволяет исключить их шунтирование входным импедансом входного блока и увеличить амплитуду выходного сигнала с емкостных преобразователей перемещений. В результате увеличивается отношение сигнал/шум на выходе входного блока.

Отсутствие рассогласования коэффициентов преобразования емкостных преобразователей и увеличение отношения сигнал/шум позволяют повысить точность гироскопа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-2.

Фиг.1 показывает общий вид варианта конструкции твердотельного волнового гироскопа с металлизированными внутренней полусферической поверхностью и торцевой поверхностью резонатора, электродами управления, закрепленными на внешней полусферической поверхности нижнего основания корпуса, и электродами датчиков, закрепленными на поверхности нижнего основания корпуса.

Фиг. 2 показывает функциональную схему включения задающего и входного блоков электронного блока управления твердотельного волнового гироскопа.

В предлагаемом варианте конструкции твердотельный волновой гироскоп (фиг. 1) содержит полусферический кварцевый резонатор 1 с металлизированными внутренней полусферической поверхностью и торцевой поверхностью 2, ножкой 3, нижнее основание корпуса 4 с восемью электродами датчиков 5, шестнадцатью электродами управления 6 и кольцевым электродом управления 7.

Твердотельный волновой гироскоп работает следующим образом. При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн дискретным электродом управления, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется площадь перекрытия датчиков, образованных электродами датчиков 5 на нижнем основании корпуса 4 и электродом на торцевой поверхности резонатора 2. Если пучность стоячей волны находится в центре датчика, изменение площади максимально, а при нахождении в центре датчика узла стоячей волны изменения площади не происходит. При нахождении стоячей волны между датчиками изменение площади перекрытия датчиков для второй собственной моды стоячей волны по соответствующим осям пропорционально удвоенному косинусу и синусу угла положения пучности стоячей волны. Изменение площади перекрытия датчиков приводит к появлению на выходе датчиков напряжений, величина и полярность которых зависит от величины и полярности опорного напряжения на электродах резонатора 2.

Электронный блок управления (фиг.2) содержит задающий блок 8, формирующий сигналы управления U1-U5, которые подаются на шестнадцать электродов управления 6 и кольцевой электрод управления 7, опорное напряжение U0, которое подается на электроды резонатора 2. Сигналы с электродов датчиков д1-д8 подаются на входной блок 9, содержащий буферные усилители 10, дифференциальные усилители-сумматоры 11 и устройства изменения полярности выходных сигналов 12, синхронизированные с опорным напряжением U0. Напряжения на выходе Vc и Vs, пропорциональные сигналам колебаний резонатора по соответствующим осям, подаются на входы устройства стабилизации амплитуды колебаний, устройства возбуждения и подавления квадратурных составляющих колебаний, устройства вычисления угла электронного блока управления, сигналы управления с которого подаются на задающий блок 8. Импульсы помех, возникающие при смене знака опорного напряжения, подавляются дифференциальными усилителями 11. Для уменьшения помех опорное напряжение может быть синхронизировано с частотой колебаний резонатора.

В электронном блоке управления могут быть применены аналого-цифровые преобразователи суммарных сигналов и цифровые процессоры обработки сигналов для выполнения обработки сигналов колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа, вычисления угла, формирования сигналов управления.

Источники информации 1. Патент США 4157041, G 01 C 19/56 (опубл. 05.06.1979).

2. Патент РФ 2168702, G 01 C 19/56 (опубл. 10.06.2001).

Формула изобретения

1. Твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации по меньшей мере на одной из множества мод стоячих волн, по меньшей мере один электрод резонатора, закрепленный на поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков, электродов управления, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления и содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, отличающийся тем, что электронный блок управления содержит задающий блок, соединенный с электродами управления и содержащий устройство для формирования опорного напряжения, являющегося временной функцией прямоугольных импульсов с постоянной составляющей, равной нулю, соединенное с электродом резонатора, и входной блок, соединенный с электродами датчиков и содержащий устройства для измерения полярности выходных сигналов, синхронизированные с изменением знака опорного напряжения.

2. Твердотельный волновой гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что устройство для формирования опорного напряжения синхронизировано с частотой колебаний резонатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2