Пьезогироскоп

Авторы патента:

G01C19/56 - поворотно-чувствительные устройства с колеблющимися массами, например с камертоном

Владельцы патента RU 2498217:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах навигационных систем. Устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде диска, на котором на верхней поверхности нанесено восемь проводящих электродов-секторов, а на нижней выполнен сплошной электрод. Первый электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, а выход с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, размещенными крест на крест относительно первых. Второй электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя измерительными электродами-секторами, расположенными под углом 45° к возбуждающим электродам-секторам, а выход второго преобразователя соединен с оставшимися двумя электродами-секторами обратной связи и является выходом пьезогироскопа, центральный штыревой электрод, одним концом соединенный с неподвижным основанием (подложкой), на втором конце электрода укреплен пьезодиск. При этом в пьезодиске выполнено N сквозных отверстий вокруг электрода крепления пьезодиска к неподвижной подложке. Технический результат - повышение чувствительности пьезогироскопа в режиме изменения угловой скорости. 1 ил.

Решение относится к измерительной технике и может применяться в пилотажных системах летательных аппаратов малой авиации.

Известен пьезоэлектрический гироскоп, описанный в работе [1]. Пьезогироскоп содержит чувствительный элемент, выполненный в виде диска в котором возбуждаются колебания на эллиптической моде. При действии угловой скорости в диске локально наводятся механические напряжения, пропорциональные кориолисовым силам.

Недостатком известного решения является низкая чувствительность, вызываемая потерями энергии от диска к подложке через крепление.

В качестве прототипа выбран пьезоэлектрический гироскоп, описанный в патенте на изобретение [2].

Пьезогироскоп содержит чувствительный элемент, выполненный в виде пьезодиска, укрепленного по центру с помощью центрального штыревого электрода к неподвижному основанию, причем на одной из поверхностей диска нанесено восемь проводящих электродов-секторов, а на другой поверхности выполнен сплошной электрод, первый электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, а выход с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, размещенными крест на крест относительно первых, второй электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя измерительными электродами-секторами расположенными под углом 45° к возбуждающим, электродам-секторам а выход второго преобразователя соединен с оставшимися двумя электродами-секторами обратной связи и является выходом пьезогироскопа, центральный штыревой электрод, одним концом соединенный с неподвижным основанием (подложкой). На втором конце центрального штыревого электрода укреплен пьезодиск.

В пьезодиске возбуждаются резонансные колебания на эллиптической моде. При воздействии угловой скорости по оси диска, под секторами возбуждения возникают кориолисовы ускорения, приложенные к диску тангенциально, вызывая под секторами съема механические напряжения и соответственно пропорциональные им э.д.с.

Недостатком известного устройства является низкая добротность пьезодиска, обусловленная потерей колебательной энергии через центр крепления к неподвижной подложке. Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.

Задача изобретения - совершенствование конструкции пьезогироскопа.

Технический результат - повышение чувствительности пьезогироскопа в режиме изменения угловой скорости.

Этот технический результат достигается тем, что в пьезодиске выполнено N сквозных отверстий вокруг центрального штыревого электрода крепления пьезодиска к неподвижной подложке, причем, степень повышения добротности пьезодиска отвечает следующей зависимости: ,

где K - степень повышения добротности; N - число сквозных отверстий вокруг электрода крепления пьезодиска; r - радиус сквозного отверстия; R - расстояние от оси электрода крепления до оси сквозного отверстия.

На чертеже приведена электрическая структурная схема предлагаемого пьезогироскопа. Приняты следующие обозначения: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 - проводящие электроды-сектора. 1, 3, 5, 7 - возбуждения колебаний, 2, 6 - съема сигнала, 4, 8 - для создания отрицательной обратной связи - на одной стороне пьезодиска 9; 10 - первый электронный преобразователь, 11- второй электронный преобразователь, 12 - сквозное отверстие в пьезодиске 9; 13 - центральный штыревой электрод крепления пьезодиска 9 к неподвижной подложке, 14 - неподвижное основание (подложка), 15 - сплошной электрод на другой поверхности пьезодиска 9. Проводящие электроды-сектора 1, 3, 5, 7 предназначены для возбуждения резонансных колебаний в пьезодиске 9 на эллиптической моде. Электроды-сектора 3, 7 включены на вход первого электронного преобразователя 10, а электроды-сектора 1, 5 включены на его вход. Электроды-сектора 6, 8 предназначены для съема сигнала, пропорционального внешней угловой скорости. Электроды 2, 6 включены на вход второго электронного преобразователя 11, а электроды 4, 8 - к его выходу. В пьезодиске 9 выполнено восемь сквозных отверстий 12. и он присоединен сверху к центральному штыревому электроду 13, который снизу крепится к неподвижному основанию 14 и одновременно соединен с «землей». Электроды объединены попарно: 1 и 5, 3 и 7, 4 и 8, 2 и 6. Электроды 1 и 5, 3 и 7 предназначены для возбуждения колебаний эллиптической «главной» моды, электроды 2 и 6 - для съема сигнала, а электроды 4 и 8 - для образования отрицательной обратной связи. Последовательность смены направлений эллиптических осей колебаний задается расположением электродов на диске и обратными связями электрической схемы возбуждения.

Для описания работы предлагаемого устройства рассмотрим режим измерения угловой скорости. При приходе импульса напряжения на электроды 1; 5, диск деформируется на величину δ₁, растягиваясь по оси х и сжимаясь по оси y. Участки пьезоматериала под секторами 1,5 с линейной скоростью перемещаются от центра к периферии. Величина скорости зависит от координат и частоты напряжения возбуждения. При действии внешней угловой скорости Ω в участках материала под сектором 1 (или 5) возникает кориолисова сила, приложенная тангенциально. На чертеже действие кориолисовой силы показано стрелкой от сектора 1 в направлении к сектору 2 (или от сектора 5 в направлении к сектору 4). Одновременно участки материала под сектором 3 перемещаются от периферии к центру на величину δ₂, а возникающая кориолисова сила направлена также в сторону сектора 2 (или 4), что приводит к его сжатию. Таким образом на электроде сектора 2 возникает э.д.с., пропорциональная действующей угловой скорости. При смене деформаций э.д.с меняет знак. Полезный сигнал далее выявляется электронным преобразователем ЭП2-11.

При непрерывном колебательном процессе часть энергии переходит от диска через центр крепления 13 к неподвижной подложке 14 и теряется (диссипирует). Это приводит к снижению добротности пьезорезонатора и соответственно к ухудшению всех характеристик пьезогироскопа. Для снижения потерь вокруг центра крепления выполнено N сквозных отверстий радиусом r, которые частично преграждают путь распространению волны, переносящей колебательную энергию в подложку. Отверстия должны быть расположены строго под проводящими секторами возбуждения и съема.

Количественно потерю диском энергии можно определить по мощности диссипации, определяемой в соответствии с обобщенным законом Ньютона

где µ - тензор вязкости; S - тензор скоростей деформации, в координатной форме записываемый в следующем виде

u, ν, w - составляющие вектора скорости деформации. Число компонент тензора вязкости определяется свойствами материала, например, для изотропного материала имеет место две компоненты. Мощность диссипация является величиной положительной. Величину энергии, теряемой за единицу времени можно определить посредством интегрирования мощности по объему dV=hdRdθ. Без отверстий потеря энергии составляет

А с отверстиями

где λ=Narctg(d/R), d - перешеек между отверстиями.

Считая в обоих случаях общую энергию колебаний одинаковой и разной только потерю, представим добротность диска как отношение общей энергии к потерянной Q=E_полн/E_дис. Сравнивая добротности без отверстий и с отверстиями, найдем величину показателя повышения добротности диска за счет выполнения отверстий

где - степень повышения добротности;

Оценим численно показатель повышения добротности при N=8 и r/R в диапазоне 0,05-0,1 (см. табл.).

r/R	0,2	0.3	0,4	0,5	0,6	0,7
Q_{c отв}/Q_{без отв}	1,25	1,62	2,04	2,75	4,24	9,24

Повышение добротности пьезодиска связано с повышением чувствительности пьезогироскопа в режиме измерения угловой скорости. Таким образом цель изобретения достигнута.

Источники информации

1. Burdess J.S., Wren Т. The theory of a piezoelectric disc gyroscope // IEEE. 1995. №4. P.410-418.

2. Бюрдесс Ж.С. Гироскоп: Патент 4489609. Опубл. 20.10.1982 г.

Пьезогироскоп, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде пьезодиска, укрепленного по центру с помощью центрального штыревого электрода к неподвижному основанию, причем на одной из поверхностей диска нанесено восемь проводящих электродов-секторов, а на другой поверхности выполнен сплошной электрод, первый электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, а выход - с двумя диаметрально противоположными возбуждающими электродами-секторами, размещенными крест-накрест относительно первых, второй электронный преобразователь, вход которого соединен с двумя измерительными электродами-секторами, расположенными под углом 45° к возбуждающим электродам-секторам, а выход второго преобразователя соединен с оставшимися двумя электродами-секторами обратной связи и является выходом пьезогироскопа, центральный штыревой электрод, одним концом соединенный с неподвижным основанием (подложкой), на втором конце электрода укреплен пьезодиск, отличающийся тем, что в пьезодиске выполнено N сквозных отверстий вокруг центрального штыревого электрода крепления пьезодиска к неподвижной подложке, причем степень повышения добротности пьезодиска отвечает следующей зависимости:
,
где K - степень повышения добротности; N - число сквозных отверстий вокруг электрода крепления пьезодиска; r - радиус сквозного отверстия; R - расстояние от оси электрода крепления до оси сквозного отверстия.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гиродатчиках. .

Интегральный микромеханический гироскоп // 2490593

Изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. .

Микрогироскоп профессора вавилова // 2490592

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. .

Способ подавления ложного сигнала в измерителе угловой скорости с микромеханическими гироскопами // 2486469

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа. .

Измеритель угловой скорости // 2486468

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа. .

Микромеханический вибрационный гироскоп // 2485444

Изобретение относится к навигационной технике. .

Инерциальный датчик угловой скорости с компенсацией отклонения // 2483278

Изобретение относится к инерциальному датчику угловой скорости с компенсацией отклонения. .

Способ алгоритмической компенсации температурной скорости дрейфа твердотельного волнового гироскопа // 2480713

Изобретение относится к области точного приборостроения, преимущественно гироскопического, и может быть использовано при создании твердотельных волновых гироскопов и систем ориентации и навигации на их основе.

Осесимметричный кориолисовый вибрационный гироскоп (варианты) // 2476824

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению. .

Способ измерения при помощи гироскопической системы // 2476823

Изобретение относится к вибрирующим гироскопам, принцип работы которых основан на использовании эффекта силы Кориолиса. .

Частично металлизированный резонатор // 2498218

Изобретение относится к полусферическому резонатору, являющемуся элементом вибродачика угловой скорости. Полусферический резонатор (7) содержит колоколообразный элемент (4), закрепленный на основе (3), которая несет основные электроды (2), обращенные к кольцевому ободу (6.2) колоколообразного элемента, и, по меньшей мере, один охранный электрод (1), располагаемый рядом с основными электродами (2). По меньшей мере, часть внутренней поверхности (6.1) колоколообразного элемента и указанный кольцевой обод (6.2) покрыты электропроводящим слоем (6), который к тому же покрывает участок (6.3) наружной поверхности колоколообразного элемента, примыкающий к его кольцевому ободу. Изобретение обеспечивает минимизацию ошибок измерения угловой скорости и ограничивает демпфирование колебаний колоколообразного элемента, что повышает точность и надежность. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ определения курса путем поворота инерциального устройства // 2499225

Изобретение относится к навигации и может быть использовано, например, в качестве компаса и для определения севера. Способ определения курса осуществляется с помощью инерциального устройства (1), содержащего, как минимум, один вибрационный угловой датчик (3) с резонатором, связанным с детекторным устройством и устройством для ввода данного резонатора в состояние вибрации, соединенными с управляющим устройством, служащим для обеспечения первого режима работы, при котором вибрация может свободно изменяться в угловой системе координат резонатора, и второго режима работы, при котором поддерживается определенный угол колебаний вибратора в системе координат резонатора. Способ включает в себя управление указанным датчиком во втором режиме работы для сохранения заданного электрического угла поворота, соответствующего наименьшей величине погрешности датчика, и управление указанным датчиком в первом режиме работы для измерения курса и управления указанным датчиком во втором режиме работы после измерения курса и до следующего измерения с целью сохранения заданного электрического угла поворота. Изобретение позволяет ограничить нежелательное влияние режима прецессионного гироскопа на точность измерений. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Калибровка вибрационного гироскопа // 2509980

Изобретение относится к вибрационным гироскопам. Гироскопическая система содержит по меньшей мере четыре вибрационных гироскопа, выполненных с возможностью изменения положения вибрации. Первое измерение обеспечивается калибруемым гироскопом, и второе измерение обеспечивается комбинацией соответствующих измерений от других гироскопов системы, при этом эти первое и второе измерения выполняются по одной и той же оси измерения. После определения значения ухода измерения между первым измерением и вторым измерением следует команда на изменение положения вибрации калибруемого гироскопа в другое положение вибрации и значение ухода определяется еще раз. Команда на изменение положения вибрации и определение значения ухода повторяется K раз, где K - положительное целое число. Затем на основе полученных значений ухода формируется модель ухода в зависимости от положения вибрации калибруемого гироскопа. Изобретение позволяет повысить точность калибровки. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Калибровка гироскопических систем с вибрационными гироскопами // 2509981

Изобретение относится к гироскопическим системам, которые основаны на использовании вибрационных гироскопов. В гироскопической системе, содержащей по меньшей мере четыре вибрационных гироскопа, первое измерение обеспечивается вибрационным гироскопом, подлежащим калибровке, и второе измерение обеспечивается комбинацией измерений из других вибрационных гироскопов системы. На уровне вибрационного гироскопа, подлежащего калибровке, применяют начальную команду для предписания изменения позиции из первой вибрационной позиции во вторую вибрационную позицию. Калиброванное значение масштабного коэффициента вибрационного гироскопа, подлежащего калибровке, определяют на основании вычисленного значения в отношении изменения позиции, на основании периода времени, в течение которого применяется начальная команда, начальной команды, разности углов между первой и второй вибрационными позициями, измеренной согласно первому измерению, и разности углов, измеренной согласно второму измерению. Изобретение обеспечивает повышение точности калибровки в отношении значения масштабного коэффициента. 2 н. и 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

Адаптивный датчик на основе чувствительного полевого прибора // 2511203

Изобретение относится к сенсорам физико-химических или биохимических воздействий, в частности к области инфракрасной техники, а именно к преобразователям теплового излучения в электрический сигнал. В адаптивном датчике на основе чувствительного полевого прибора, содержащем структуру «металл-диэлектрик-полупроводник» с полупроводниковой подложкой и подвижным проводящим электродом на консоли, включающей слои с различными коэффициентами термического расширения, размещены затвор и p-n переход для ввода электрического сигнала. Это позволяет изменять заряд в структуре «металл-диэлектрик-полупроводник» и тем самым управлять подвижным электродом, удерживая его в оптимальном, для работы датчика, положении. Техническим результатом изобретения является реализация адаптивного датчика на базе термочувствительного полевого прибора и повышение его чувствительности, точности измерения и быстродействия. 4 ил.

Вибрационный вакуумный микрогироскоп // 2518379

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопии и может быть использовано в приборостроении, авиакосмической отрасли и машиностроении. В вибрационном вакуумном гироскопе магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопровод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо, опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом, при этом поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей. Изобретение позволяет повысить технологичность изготовления гироскопа. 3 ил.

Способ возбуждения колебаний в чувствительном элементе твердотельного волнового гироскопа и устройство для его осуществления // 2518632

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений в составе блоков навигационных устройств наземной, морской, авиационной и космической техники. Способ возбуждения колебаний в чувствительном элементе ТВГ заключается в том, что для первоначального возбуждения и/или корректировки колебаний на рабочей и/или околорабочей частоте чувствительного элемента используются электромагниты (электромагнитные преобразователи), а для поддержания и/или корректировки колебаний на рабочей частоте используют электроды конденсаторов (электростатические преобразователи). Изобретение позволяет повысить точность измерений угла поворота и угловой скорости объектов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Чувствительный элемент твердотельного волнового гироскопа (варианты) // 2521783

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений в составе блоков навигационных устройств наземной и авиационно-космической техники. Резонатор ТВГ можно рассматривать как тонкий упругий цилиндр, имеющий возможность совершать изгибные колебания в своей плоскости. Поведение цилиндрической оболочки в краевой области компенсируется использованием кольцевого цилиндрического элемента в резонаторе. Применение кольцевого цилиндрического элемента в конструкции цилиндрического резонатора способствует увеличению стабильности волновой картины в зависимости от выбранного варианта его расположения. 3 н. и 41 з.п. ф-лы, 6 ил.

Система и способ сбора сейсмических данных // 2523734

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении сейсморазведочных работ. Предложен способ сейсмических исследований, а также устройство и система для его осуществления. Способ предполагает возможность приема данных движения частиц и скорости вращения. Данные скорости движения частиц используются для получения характеристик волнового поля, а данные скорости вращения предназначены для отображения характеристик градиента волнового поля. Устройство включает в себя расстановку сейсмических сенсорных блоков, которые выполнены с возможностью осуществления измерений в связи с сейсмической разведкой, производимой на поверхности. Каждый сейсмический сенсорный блок включает в себя датчик движения частиц и датчик вращения. По найденным значениям характеристик волнового поля и градиента волнового поля строится изображение исследуемой геологической среды. Технический результат - повышение точности разведочных данных. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

Способ балансировки металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа // 2526217

Изобретение может быть использовано при производстве навигационных приборов. Способ балансировки металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа заключается в том, что измеряют параметры неуравновешенной массы, рассчитывают массу, подлежащую удалению с каждого балансировочного зубца, и удаляют неуравновешенную массу с поверхности балансировочных зубцов путем электрохимического растворения, при этом каждый зубец погружают в отдельную ванну с электролитом и через поверхность каждого зубца пропускают заранее рассчитанный электрический заряд, величину которого регулируют временем пропускания постоянного тока. Изобретение позволяет довести точность удаления массы с балансировочного зубца до 0.01-0.1%. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.