СПОСОБ СЧИТЫВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ВОЛНОВЫМ ГИРОСКОПОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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

Известны способ управления и считывания вибрационного датчика вращения и устройство для его осуществления [1], являющиеся наиболее близкими к предлагаемому изобретению. Способ включает генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды корпуса и определение параметров одной или более стоячих волн в результате раздельной мультиплексной обработки сигнала, снимаемого с электрода резонатора. Вибрационный датчик вращения содержит резонатор, способный вибрировать на одной или более модах стоячей волны, причем каждая мода стоячих волн характеризуется множеством параметров, имеет по меньшей мере один электрод резонатора, подключенный к единственному выходному порту и корпус, содержащий множество электродов корпуса, расположенных в непосредственной близости от электрода резонатора.

К недостаткам указанного способа можно отнести следующее:
- снижение точности, вызванное взаимным влиянием сигналов по различным основным осям колебаний резонатора при сложении сигналов на электроде резонатора;
- снижение динамического диапазона при последовательной мультиплексной обработке сигнала с электрода резонатора и последовательной мультиплексной подаче управляющих напряжений;
- дискретность работы системы стабилизации амплитуды при положении стоячей волны между электродами.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения точности, надежности и технологичности твердотельных волновых гироскопов.

Для получения указанного технического результата представлен способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа, включающий генерацию задающих напряжений, подачу задающих напряжений на электроды корпуса и резонатора и определение параметров одной или более стоячих волн, отличающийся тем, что генерируют набор сигналов управления и опорного напряжения, причем сигналы управления включают составляющие напряжения высокой частоты для питания емкостных преобразователей перемещений, образованных электродом резонатора и электродами корпуса, и напряжения управления для стабилизации амплитуды колебаний резонатора и подавления квадратурных колебаний, подают сигналы управления на электроды корпуса, а опорное напряжение - на электрод резонатора, выполняют операции 01 и 02 над сигналами с емкостных преобразователей перемещений для выделения сигналов колебаний резонатора, причем операция 01 включает в себя дифференциальное суммирование сигналов с емкостных преобразователей перемещений, расположенных по первой основной оси колебаний резонатора, умножение полученного сигнала на временную функцию прямоугольных импульсов A0(t) и заданную функцию времени F0(t), за которым следует фильтрация нижних частот, а операция 02 включает в себя дифференциальное суммирование сигналов с емкостных преобразователей перемещений, расположенных по второй основной оси колебаний резонатора, умножение полученного сигнала на временную функцию прямоугольных импульсов A0(t) и заданную функцию времени F0(t), за которым следует фильтрация нижних частот.

С выхода задающего электронного блока сигналы управления U1 подаются к первой группе электродов корпуса, сигналы управления U2 ко второй группе электродов корпуса, сигналы управления U3 к третьей группе электродов корпуса, сигналы управления U4 к четвертой группе электродов корпуса, сигналы управления U5 к пятой группе электродов корпуса, сигналы управления U6 к шестой группе электродов корпуса, сигнал управления U7 к кольцевому электроду корпуса, опорное напряжение U8 к электроду резонатора, причем сигналы управления U1, U2, U3, U4 включают составляющие напряжения A1(t)F1(t), A2(t)F2(t), A3(t)F3(t), A4(t)F4(t) и B1(t)V1(t), B2(t)V2(t), B3(t)V3(t), B4(t)V4(t), где A1(t), A2(t), A3(t), A4(t) и B1(t), B2(t), B3(t), B4(t) являются либо заданными функциями времени t, либо константами, F1(t), F2(t), F3(t), F4(t) являются периодическими функциями времени t, причем составляющие A1(t)F1(t), A2(t)F2(t), A3(t)F3(t) и A4(t)F4(t) не влияют существенно на динамику резонатора, V1(t), V2(t), V3(t), V4(t) являются управляющими напряжениями устройства подавления квадратурных колебаний, сигналы управления U5, U6 включают составляющие напряжения B5(t)V5(t), B6(t)V6(t), где B5(t), B6(t) являются либо заданными функциями времени t, либо константами, V5(t), V6(t) являются управляющими напряжениями устройства подавления квадратурных колебаний, сигнал управления U7 включает составляющие напряжения C7(t)V7(t), где C7(t) является либо заданной функцией времени t, либо константой, V7(t) является управляющим напряжением устройства стабилизации амплитуды колебаний, опорное напряжение U8(t) является либо заданной функцией времени t, либо константой.

Предлагается три варианта способа считывания и управления твердотельного волнового гироскопа.

Первый вариант способа считывания и управления твердотельного волнового гироскопа заключается в том, что на электрод резонатора подают опорное напряжение U8(t) равное нулю, функция времени A0(t) равна А0, причем А0 - константа, функция времени B0(t) равна В0, причем В0 - константа.

Второй вариант способа считывания и управления твердотельного волнового гироскопа отличается тем, что на электрод резонатора подают опорное напряжение U8(t) равное нулю, функция времени A0(t) является временной функцией прямоугольных импульсов, принимающей значения 0 и 1, функция времени B0(t) является временной функцией прямоугольных импульсов, принимающей значения 0 и 1, причем функции A0(t) и B0(t) не принимают значение 1 одновременно.

Третий вариант способа считывания и управления твердотельного волнового гироскопа отличается тем, что на электрод резонатора подают опорное напряжение U8(t) пропорционально временной функции ступенчатого напряжения S0(t), принимающей значения 1, 0 и -1, функция времени A0(t) является временной функцией прямоугольных импульсов, принимающей значения 0 и 1, равной 1 при равенстве 0 функции S0(t), функция времени B0(t) является временной функцией ступенчатого напряжения, принимающей значения 1,0 и -1, равной функции S0(t).

Для реализации указанных способов предложен твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, способный 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 закреплен резонатор и множество электродов корпуса, находящихся в непосредственной близости к электроду резонатора, электродом резонатора и электродами корпуса образованы емкостные преобразователи перемещений, электронный блок управления, содержащий задающий электронный блок, устройства стабилизации амплитуды колебаний, подавления квадратурных колебаний и вычисления угла, отличающийся тем, что электронный блок управления дополнительно содержит входной электронный блок, состоящий из двух дифференциальных усилителей, двух перемножителей и двух фильтров низких частот, причем емкостные преобразователи перемещений по первой основной оси колебаний резонатора подключены к входам первого дифференциального усилителя, выход которого подключен к последовательно соединенным первому перемножителю и первому фильтру низких частот, а емкостные преобразователи перемещений по второй основной оси колебаний резонатора подключены к входам второго дифференциального усилителя, выход которого подключен к последовательно соединенным второму перемножителю и второму фильтру низких частот, входы перемножителей подключены к выходу задающего электронного блока для подачи переменного опорного напряжения.

Отличительными признаками способа считывания и управления твердотельного волнового гироскопа и устройства для его реализации является то, что:
- сигналы колебаний резонатора снимаются с емкостных преобразователей перемещения [2], образованных электродом резонатора и электродами корпуса, в режиме считывания сигналов на электрод резонатора подается нулевое опорное напряжение, на электроды корпуса подаются токи высокой частоты, работа преобразователей на высокочастотном переменном токе позволяет избежать появления составляющих ухода, вызванных постоянными токами утечки;
- раздельное дифференциальное суммирование сигналов с емкостных преобразователей перемещения по различным основным осям колебаний резонатора повышает точность определения параметров колебаний;
- нулевое опорное напряжение на электроде резонатора обеспечивает возможность одновременной работы преобразователей перемещения и устройств стабилизации амплитуды колебаний и подавления квадратурных колебаний, что обеспечивает максимальный динамический диапазон;
- периодическое изменение знака опорного напряжения дополнительно способствует предотвращению появления составляющих ухода, вызванных постоянными токами утечки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-5.

Фиг. 1, 2 показывают общий вид вариантов конструкции твердотельного волнового гироскопа;
фиг. 3 - функциональную схему включения задающего и входного электронных блоков электронного блока управления для выделения сигналов колебаний резонатора;
фиг. 4, 5 - временные диаграммы сигналов управления задающего электронного блока. Фиг.4 соответствует временному разделению считывания и управления с нулевым опорным напряжением на электроде резонатора, фиг.5 - временному разделению считывания и управления с опорным напряжением на электроде резонатора, пропорциональным временной функции ступенчатых импульсов.

Твердотельный волновой гироскоп (фиг. 1) содержит верхнее основание корпуса 1 с шестнадцатью электродами корпуса 2, закрепленными на внутренней полусферической поверхности корпуса кольцевым электродом корпуса 3, полусферический кварцевый резонатор 4 с металлизированной внешней поверхностью 5 и ножкой 6, нижнее основание корпуса 7.

Твердотельный волновой гироскоп (фиг.2) отличается от гироскопа (фиг.1) тем, что отсутствует верхнее основание корпуса 1, а кольцевой электрод корпуса 3 и электроды корпуса 2 расположены на внешней полусферической поверхности нижнего основания корпуса 7, на резонаторе 4 металлизирована внутренняя поверхность 8.

Способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа заключается в генерации задающих напряжений, подаче генерируемых задающих напряжений на электороды корпуса и резонатора, причем генерируют набор сигналов управления, включающих составляющие напряжения высокой частоты для питания емкостных преобразователей перемещений и напряжения управления для стабилизации амплитуды колебаний резонатора и подавления квадратурных колебаний, и опорного напряжения, сигналы управления подают на электроды корпуса, а опорное напряжение - на электрод резонатора, определяют параметры одной или более стоячих волн посредством выполнения операций дифференциального суммирования, перемножения и фильтрации нижних частот над сигналами с емкостных преобразователей перемещений.

Первый вариант способа считывания и управления обеспечивает возможность одновременной работы преобразователей перемещения и устройств стабилизации амплитуды колебаний и подавления квадратурных колебаний, что позволяет получить максимальный динамический диапазон работы прибора.

Второй вариант способа считывания и управления с временным разделением работы преобразователей перемещения и устройств стабилизации амплитуды колебаний и подавления квадратурных колебаний позволяет упростить конструкцию входных усилителей и повысить точность работы прибора.

Третий вариант способа считывания и управления с временным разделением работы преобразователей перемещения и устройств стабилизации амплитуды колебаний и подавления квадратурных колебаний, а также периодической сменой знака опорного напряжения, способствует предотвращению появления постоянных токов утечки как на резонаторе, так и на корпусе прибора, что уменьшает составляющие ухода.

Твердотельный волновой гироскоп работает следующим образом. При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн электродом корпуса, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется интегральная величина зазора емкостных преобразователей перемещения, образованных электродами корпуса 2 и металлизированной поверхностью резонатора 8. Если пучность стоячей волны находится в центре электрода, изменение величины зазора максимально, а при нахождении в центре электрода узла стоячей волны изменения величины зазора не происходит. При нахождении стоячей волны между электродами изменение величины зазора в датчиках для второй собственной моды стоячей волны по соответствующим осям пропорционально удвоенному косинусу и синусу угла положения пучности стоячей волны. Изменение зазора вызывает изменение величины емкости в емкостных преобразователях перемещений и соответственно изменение амплитуды высокочастотных напряжений на выходе.

Электронный блок управления (фиг.3) содержит задающий электронный блок 9, формирующий сигналы управления U1 - U7, которые подаются на электроды корпуса 2, объединенные в группы по основным осям колебаний резонатора, и кольцевой электрод 3, и опорное напряжение U8 на электрод резонатора 8. Сигналы с электродов э1 и э9 подаются на прямой вход, а сигналы с электродов э5 и э13 - на инверсный вход дифференциального усилителя-сумматора 10, сигналы с электродов э3 и э11 подаются на прямой вход, а сигналы с электродов э7 и э15 - на инверсный вход дифференциального усилителя-сумматора 11 входного электронного блока 16. Сигналы управления подавляются дифференциальными усилителями. Выходы усилителей подключаются к перемножителям 12 и 13, на которые подается переменное напряжение, сигнал с перемножителей подается на фильтры низких частот 14 и 15 с частотой среза меньше, чем 6Ω, где Ω является угловой частотой колебаний резонатора. Напряжения на выходе фильтров 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.

В электронном блоке управления могут быть применены аналого-цифровые преобразователи суммарных сигналов и цифровые процессоры обработки сигналов для выполнения операций цифровой демодуляции и фильтрации сигналов с электродов корпуса с последующей обработкой сигналов колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа.

Испытания заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа проводились с резонатором диаметром 60 мм и частотой собственных колебаний 2,7 кГц, с металлизацией внешней поверхности, при ширине электродов 10 мм, высоте электродов 5 мм, рабочем зазоре 100 мкм. Частота опорного переменного напряжения составляла 126 кГц, частота среза фильтров 10 кГц.

При амплитуде колебаний резонатора на воздухе 2 мкм и коэффициенте усиления 1000 амплитуда выходного сигнала для схемы фиг.3 составляла 640 мВ. Автоколебательная схема с одним электродом обеспечивала устойчивое возбуждение колебаний резонатора на воздухе.

Экспериментальные испытания заявляемой конструкции твердотельного волнового гироскопа подтверждают эффективность ее применения, приводящую к повышению точности измерения параметров колебаний резонатора, значительному упрощению конструкции твердотельного волнового гироскопа и снижению требований к степени вакуума в приборе.

Источники информации
1. Патент США 5763780, G 01 C 19/00, опубл. 09.06.98.

2. Ацюковский В.А. Емкостные преобразователи перемещения. М.-Л.: Энергия, 1966 г.