Твердотельный волновой гироскоп

Авторы патента:

G01C19/5607 - Гироскопы; поворотно-чувствительные устройства с колеблющимися массами; Поворотно-чувствительные устройства без движущихся масс

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

Владельцы патента RU 2708907:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" (RU)

Изобретение относится к метрологии, в частности, к твердотельным волновым гироскопам. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления. Электронный блок управления дополнительно содержит компаратор с гистерезисом, устройство фазовой автоподстройки частоты, модулятор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер. Выходы устройств вычисления угла соединены через аналого-цифровой преобразователь с микроконтроллером, а также через устройство подавления квадратурных колебаний с устройством стабилизации амплитуды колебаний. Выход устройства подавления квадратурных колебаний соединен с входом сумматора, выход одного из устройств вычисления угла последовательно соединен с компаратором с гистерезисом и устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого через модулятор соединен с сумматором. Технический результат - улучшение метрологических характеристик за счет уменьшения времени вхождения в рабочий режим, повышение точности и стабильности гироскопа. 1 ил.

Твердотельный волновой гироскоп относится к гироскопическому приборостроению и может быть использован для измерения угловых скоростей подвижных объектов.

В основе функционирования твердотельного волнового гироскопа (ТВГ) лежит физический принцип, основанный на инертных свойствах упругих механических стоячих волн в твердом теле, проявляющих себя в виде отставания угла поворота стоячей волны от поворота корпуса.

Известен твердотельный волновой гироскоп (Патент РФ №2207510, МПК G01C 19/56, опубл. 27.06.2003), 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 и множество электродов корпуса, находящихся в непосредственной близости к одному или более электродам резонатора, электронный блок управления, содержащий устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний, вычисления угла, входной блок, соединенный с электродом резонатора, задающий блок, соединенный с электродами корпуса и электродом резонатора, электродами корпуса и электродом резонатора образованы емкостные преобразователи перемещений. Задающий блок предназначен для подачи на электрод резонатора опорного напряжения, включающего составляющие высокой частоты, и на электроды корпуса сигналов управления, включающих нулевой потенциал для работы емкостных преобразователей перемещений. Входной блок содержит усилитель, перемножитель-демодулятор, на который подается опорное напряжение, фильтр низких частот, устройства хранения данных, сигнал на которые записывается синхронно с подачей нулевого потенциала на электроды по соответствующим осям резонатора, дифференциальные усилители для суммирования выходных сигналов и устройства формирования выходных сигналов по собственным осям колебаний резонатора.

Также известен твердотельный волновой гироскоп (Патент РФ №2182312, МПК G01C 19/56, опубл. 10.05.2002), 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 внешней или внутренней поверхности резонатора, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов датчиков и 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 и вычисления угла, отличающийся тем, что электрод резонатора, закрепленный напротив электродов датчиков, присоединен к нулевому потенциалу, а электроды датчиков - к источникам опорных переменных токов высокой частоты, электродами датчиков и электродом резонатора образованы емкостные преобразователи перемещений. Электронный блок управления дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, дифференциальные усилители-сумматоры сигналов с емкостных преобразователей перемещений, устройства детектирования и фильтрации низких частот для выделения сигналов колебаний резонатора. Электроды управления и электроды датчиков закреплены на одной поверхности корпуса.

Недостатком указанных гироскопов является большое время вхождения в рабочий режим, обусловленное высокой добротностью резонатора.

Наиболее близким к заявляемому твердотельному волновому гироскопу является принимаемый за прототип твердотельный волновой гироскоп (Патент РФ №2168702, МПК G01C 19/56, опубл. 10.06.2001), 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 внешней или внутренней 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 дополнительно закреплен по меньшей мере один электрод на торцевой поверхности резонатора, а электроды датчиков закреплены на поверхности корпуса, параллельной торцевой поверхности резонатора, напротив электродов, закрепленных на торцевой поверхности резонатора. Электроды, закрепленные на торцевой поверхности резонатора, присоединены к нулевому потенциалу, а электроды датчиков - к источникам опорных переменных токов высокой частоты, электродами датчиков и электродами, закрепленными на торцевой поверхности резонатора, образованы емкостные преобразователи перемещений. Электронный блок управления дополнительно содержит источники опорных переменных токов высокой частоты, дифференциальные усилители-сумматоры сигналов с емкостных преобразователей перемещений, устройства детектирования и фильтрации низких частот для выделения сигналов колебаний резонатора. Электроды на торцевой поверхности резонатора электрически соединены с электродом резонатора, а электроды управления закреплены на поверхности корпуса напротив электрода резонатора.

Недостатком приведенной конструкции является низкая точность и стабильность гироскопа, обусловленная погрешностью определения положения колебательной картины из-за наличия раздельного выделения сигналов колебаний резонатора по собственным осям.

Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик за счет уменьшения времени вхождения в рабочий режим и повышения точности и стабильности гироскопа.

Поставленная цель достигается тем, что твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления, отличающийся тем, что электронный блок управления дополнительно содержит компаратор с гистерезисом, устройство фазовой автоподстройки частоты, модулятор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, при этом выходы устройств вычисления угла соединены через аналого-цифровой преобразователь с микроконтроллером, а также через устройство подавления квадратурных колебаний с устройством стабилизации амплитуды колебаний, причем выход устройства подавления квадратурных колебаний соединен с входом сумматора, выход одного из устройств вычисления угла последовательно соединен с компаратором с гистерезисом и устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого через модулятор соединен с сумматором.

Введение в структуру электронного блока управления компаратора с гистерезисом обеспечивает уменьшение времени вхождения гироскопа в рабочий режим за счет уменьшения потерь энергии стоячей волны до уровня, обеспечивающего нормальную работоспособность канала возбуждения и может быть рассчитано по формуле уравнения свободных затухающих колебаний:

где x(t) - амплитуда колебаний;

x_max - максимальная амплитуда колебаний;

ϑ - показатель потерь энергии стоячей волны, определяемый по формуле ϑ=Dω₀;

D - коэффициент демпфирования, равный

ω₀ - собственная частота колебаний резонатора;

Q - добротность резонатора.

Таким образом, при Q=5⋅10⁶ время вхождения в режим равно τ_e=1/υ=300 с. Введение компаратора с гистерезисом повышает коэффициент демпфирования, что сокращает время вхождения гироскопа в рабочий режим до 1 с, т.к. процесс вхождения гироскопа в рабочий режим протекает тем быстрее, чем больше коэффициент демпфирования.

Введением в структуру электронного блока управления устройства фазовой автоподстройки частоты реализуется автоматическая подстройка резонансной частоты гироскопа, зависящая от температуры рабочей среды, от конструкции осесимметричного тонкостенного элемента резонатора. Тем самым поддерживается амплитуда стоячей волны, соответствующая рабочему режиму гироскопа, что обеспечивает повышение точности и стабильности работы гироскопа.

На фиг. 1 представлена структурная схема твердотельного волнового гироскопа.

Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор 1 в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора 2, восемь электродов датчиков 3, объединенных в две группы по четыре штуки в каждой, шестнадцать электродов управления 4 и электронный блок управления 5. Электронный блок управления 5 содержит два устройства вычисления угла 6, компаратор с гистерезисом 7, устройство фазовой автоподстройки частоты 8, модулятор 9, сумматор 10, устройство подавления квадратурных колебаний 11, устройство стабилизации амплитуды колебаний 12, аналого-цифровой преобразователь 13 и микроконтроллер 14. Электронный блок управления 5 соединен с резонатором 1 через электрод резонатора 2, электроды датчиков 3 и электроды управления 4. Выходы электродов датчиков 3 соединены с устройствами вычисления угла 6, при этом выход одной группы из четырех электродов датчиков 3 соединены с устройством вычисления синфазной составляющей угла 6, а выход другой группы из четырех электродов датчиков 3-е устройством вычисления квадратурной составляющей угла 6. Один выход устройства вычисления синфазной составляющей угла 6 соединен последовательно с компаратором с гистерезисом 7, устройством фазовой автоподстройки частоты 8, модулятором 9 и сумматором 10. Четыре выхода устройств вычисления синфазной и квадратурной составляющих угла 6 соединены через аналого-цифровой преобразователь 13 с входом микроконтроллера 14. При этом один выход устройства вычисления синфазной составляющей угла 6 и один выход устройства вычисления квадратурной составляющей угла 6 соединены через устройство подавления квадратурных колебаний 11 с входом устройства стабилизации амплитуды колебаний 12.

Твердотельный волновой гироскоп работает следующим образом. При включении гироскопа для возбуждения стоячей волны к резонатору 1 прикладываются две диаметрально противоположные силы, создаваемые электродами управления 4, подключенными к схеме возбуждения электронного блока управления 5. Под действием приложенных сил резонатор 1 примет эллиптическую форму. Приложенные силы в заданные моменты времени становятся равными нулю, а резонатор 1, обладающий определенной жесткостью, проходя через недеформированное состояние, под действием сил инерции будет деформироваться в ортогональном направлении. Возбуждение стоячей волны в резонаторе происходит в режиме автогенератора на собственной частоте колебаний. По достижении заданной амплитуды колебаний резонатора 1 электроды управления 4 отключаются, и включается электрод резонатора 2, поддерживающий постоянство амплитуды колебаний в резонаторе 1 для любого положения стоячей волны относительно основания. При колебаниях резонатора 1 изменяется площадь перекрытия электродов датчиков 3, выполняющих функцию измерения положения стоячей волны. Выходные сигналы электродов датчиков 3 подаются на устройства вычисления угла 6, в которых измеряются синфазные и квадратурные составляющие выходных сигналов электродов датчиков 3. Синфазные и квадратурные составляющие сигналов, последовательно поступающие на аналого-цифровой преобразователь 13 и микроконтроллер 14, преобразуются в цифровой код. Синфазные составляющие выходных сигналов с устройств вычисления угла 6 подаются через устройство подавления квадратурных колебаний 11 на устройство стабилизации амплитуды колебаний 12. Выходной сигнал с устройства вычисления угла 6 последовательно подается на компаратор с гистерезисом 7, устройство фазовой автоподстройки частоты 8, модулятор 9 и сумматор 10. При этом на сумматор 10 одновременно подаются выходной сигнал модулятора 9 и выходной сигнал устройства подавления квадратурных колебаний 11. Выходной сигнал сумматора 10 подается на электрод резонатора 2 и обеспечивает поддержание постоянной амплитуды колебаний в резонаторе 1.

Технический результат заключается в улучшении метрологических характеристик за счет уменьшения времени вхождения в режим, обусловленного компаратором с гистерезисом, обеспечивающим уменьшение потерь энергии стоячей волны до уровня нормальной работоспособности канала возбуждения, и повышения точности и стабильности гироскопа, обусловленного устройством фазовой автоподстройки частоты, обеспечивающим автоматическую подстройку резонансной частоты, зависящей от температуры рабочей среды гироскопа.

Твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способного к вибрации, один электрод резонатора, множество электродов датчиков, электродов управления, электронный блок управления, содержащий устройства вычисления угла, стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и соединенный с электродами резонатора, электродами датчиков, электродами управления, отличающийся тем, что электронный блок управления дополнительно содержит компаратор с гистерезисом, устройство фазовой автоподстройки частоты, модулятор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, при этом выходы устройств вычисления угла соединены через аналого-цифровой преобразователь с микроконтроллером, а также через устройство подавления квадратурных колебаний с устройством стабилизации амплитуды колебаний, причем выход устройства подавления квадратурных колебаний соединен с входом сумматора, выход одного из устройств вычисления угла последовательно соединен с компаратором с гистерезисом и устройством фазовой автоподстройки частоты, выход которого через модулятор соединен с сумматором.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к микромеханическим элементам -гироскопам и акселерометрам. Способ автономного повышения точности применения микромеханической элементной базы, содержит этапы, на которых на основе синхронных измерений избыточного количества соосных ММЭ путем поворота, по крайней мере, одного из них на 180° и попарным сопоставлением с ним измерений остальных ММЭ, определяют суммарные (систематические плюс случайные) смещения нулей всех ММЭ, при этом повороты могут проводиться регулярно или эпизодически, автоматически или вручную, как в подготовительных стационарных режимах, так и в рабочих, при реальном возмущенном движении объекта; реализуют эффективную фильтрацию шумов измерений без динамических ошибок и детектирования; реализуют статистическую обработку и оценивание фильтром Калмана суммарных смещений ММЭ и их остаточной несоосности..

Способ уменьшения магнитного дрейфа зеемановских лазерных гироскопов // 2695761

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при создании зеемановских лазерных гироскопов. Способ уменьшения магнитного дрейфа зеемановских лазерных гироскопов содержит этапы, на которых создают поле, компенсирующее сумму всех действующих на зеемановский лазерный гироскоп постоянных магнитных полей путем подачи в катушку, охватывающую газоразрядный промежуток зеемановского лазерного гироскопа, постоянного тока, при этом величину постоянного тока, который подают в катушку, охватывающую газоразрядный промежуток зеемановского лазерного гироскопа, устанавливают равной 19 мкА.

Способ компенсации систематической составляющей дрейфа нулевого сигнала датчика угловой скорости // 2695439

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при построении датчиков угловой скорости (гироскопических датчиков), используемых в качестве источников первичных измерений инерциальных систем ориентации и навигации.

Гироскопический преобразователь энергии морских волн // 2688857

Изобретение относится к электромеханическим устройствам и может быть использовано для преобразования энергии колебания морских волн в электроэнергию. Сущность изобретения заключается в том, что гироскопический преобразователь энергии морских волн обеспечивает самоустановку гироскопов перед раскруткой и возможность активной адаптации к изменяющейся интенсивности волнения водной поверхности.

Способ определения дисбаланса масс полусферического резонатора твердотельного волнового гироскопа // 2688834

Изобретение относится к производству твердотельных волновых гироскопов. Способ определения дисбаланса масс полусферического резонатора твердотельного волнового гироскопа дополнительно содержит этапы, на которых измеряют реакцию в опоре в месте крепления резонатора, а математическая обработка сигнала заключается в определении величины амплитуды и углового положения колебаний относительно датчиков возбуждения, рассчитанных по формуле где a1 - амплитуда сигнала с первого пьезоэлектрического датчика;а2 - амплитуда сигнала со второго пьезоэлектрического датчика;а3 - амплитуда сигнала с третьего пьезоэлектрического датчика;А - амплитуда колебаний; где ϕ - угловое положение колебаний ножки относительно датчиков возбуждения.Технический результат – повышение точности определения дефектов резонатора.

Способ измерения угловой скорости с использованием шарообразного резонатора мод шепчущей галереи // 2688583

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости. Сущность: формируют пучок когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения.

Способ определения давления в кольцевых лазерных гироскопах // 2687179

Способ определения давления в кольцевых лазерных гироскопах заключается в том, что в кольцевом лазерном гироскопе с гелий-неоновой смесью кратковременно возбуждают электрический разряд, устанавливают рабочий ток и регистрируют спектр излучения в диапазоне длин волн от 500 нм до 600 нм, определяют интенсивности линий неона 585,2 нм и гелия 587,5 нм, рассчитывают отношение интенсивности линии неона 585,2 нм к интенсивности линии гелия 587,5 нм и определяют давление гелий-неоновой смеси кольцевого лазерного гироскопа по калибровочному графику.

Способ калибровки вибрационного гироскопа // 2687101

Группа изобретений относится к способу калибровки вибрационного гироскопа. Способ калибровки вибрационного гироскопа содержит этапы, на которых осуществляют возбуждение вибрации вдоль оси возбуждения резонансной структуры, при этом ось возбуждения позиционируется в первой угловой позиции, считывание вибрации резонансной структуры на первой оси считывания резонансной структуры в то время, когда ось возбуждения позиционируется в первой угловой позиции, формирование первого сигнала считывания, указывающего считываемую вибрацию резонансной структуры на первой оси считывания, непрерывное вращение оси возбуждения вокруг резонансной структуры во вторую угловую позицию, считывание вибрации резонансной структуры на второй оси считывания резонансной структуры в то время, когда ось возбуждения позиционируется во второй угловой позиции, формирование второго сигнала считывания, указывающего считываемую вибрацию резонансной структуры на второй оси считывания, и суммирование первого сигнала считывания со вторым сигналом считывания, чтобы извлекать смещение гироскопа.

Микромеханический гироскоп // 2686441

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости // 2684427

Изобретение относится к области измерительной техники и микросистемной техники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости содержит основание, гребенчатую систему возбуждения и измерения колебаний, инерционную массу, выполненную в виде платы со сквозным отверстием, расположенную с зазором относительно основания и связанную с ним через систему упругих подвесов, при этом сквозное отверстие выполнено в центре инерционной массы, внутри сквозного отверстия расположены система упругих подвесов и гребенчатые системы возбуждения и измерения колебаний, подвижные электроды которых установлены на подвесах, одни из которых зафиксированы на основании, а другие - на инерционной массе.

Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа // 2704334

Изобретение относится к области метрологии, в частности к гироскопам. Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) включает установку внутри резонатора блока возбуждения, съема и управления (ВСУ) с равномерно установленными по окружности нечетным и простым числом n электродов съема информации и m электродов управления, возбуждение в резонаторе колебаний второй моды, регистрацию выходных сигналов с электродов съема информации и их математическую обработку с определением параметров одной или более стоячих волн и подачу на управляющие электроды напряжения для поддержания в резонаторе колебаний второй моды, сформированного для каждого отдельного электрода в соответствии с установленными для этого соотношениями.

Система управления микромеханического гироскопа // 2697031

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ), и предназначено для управления и обработки сигналов ММГ. Система управления микромеханического гироскопа содержит блок преобразования сигналов, состоящий из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и взаимодействующий с блоком обработки сигналов.

Микромеханический гироскоп // 2686441

Чувствительный элемент микроэлектромеханического датчика угловой скорости // 2684427

Бесплатформенная инерциальная навигационная система для высокоскоростного маневренного объекта // 2674572

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании бесплатформенных инерциальных навигационных систем для высокоскоростного маневренного объекта.

Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа // 2670245

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

Способ считывания и управления колебаниями волнового твердотельного гироскопа // 2670245

Способ управления чувствительным элементом и формирования выходного сигнала вибрационного кориолисова гироскопического датчика угловой скорости // 2665832

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в вибрационных кориолисовых гироскопических датчиках угловой скорости. Способ заключается в одновременном возбуждении автоколебаний первой и второй (ортогональной) мод, причем фаза возбуждающих сил при линейных колебаниях или моментов при угловых колебаниях соответствует фазе сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой моде и во второй (ортогональной) моде, а выходной сигнал формируется так, чтобы он был пропорционален разности амплитуд возбуждающих сил или моментов, отличающийся тем, что стабилизируют амплитуду составляющей скорости колебаний, которую выделяют путем фазочувствительного выпрямления с использованием фазы сигнала, пропорционального сумме скоростей колебаний в первой и во второй (ортогональной) моде.