RU222947U1 - Резонатор пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к конструкции резонаторов твердотельных волновых гироскопов, используемых для определения параметров ориентации и угловых скоростей в навигационных устройствах. Сущность полезной модели заключается в том, что в резонаторе пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа, содержащем концентрически размещённые одна внутри другой наружную и внутреннюю полые сферы, тонкостенную сферу, размещённую с наружной стороны внутренней сферы и охватывающую её, обмотки электромагнитного центрирования, электроды управления и вспомогательный электрод, датчики измерения положения стоячей волны, во внутренней сфере размещён источник питания, на наружную и внутреннюю поверхности внутренней и наружной сфер соответственно нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, при этом электроды управления и вспомогательный электрод расположены на слое моноэлектрета, размещённом на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны расположены на слое моноэлектрета, размещённом на внутренней поверхности наружной сферы, согласно полезной модели, на наружную и внутреннюю поверхности тонкостенной сферы нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, соответствующие заряду и величине слоёв моноэлектрета внутренней поверхности наружной сферы и наружной поверхности внутренней сферы, причём во внутренней сфере размещено устройство бесконтактной передачи энергии, а на внутренней поверхности тонкостенной сферы установлены устройства возбуждения стоячей волны и электроды управления. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счёт бесконтактного подвеса тонкостенной сферы, в которой возбуждается стоячая волна. 1 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к конструкции чувствительных элементов - резонаторов твердотельных волновых гироскопов, которые используются для определения параметров ориентации и угловых скоростей в навигационных устройствах на подвижных объектах различных классов, в частности на летательных аппаратах.

Уровень техники

Твердотельный волновой гироскоп (ТВГ) является сложной системой, в состав которой входят резонатор, измерительная, вычислительная и управляющая компоненты. Принцип действия ТВГ основан на свойствах инерции упругих стоячих волн в твердом осесимметричном упругом теле, проявляющее себя в виде отставания угла поворота стоячей волны от поворота основания.

В настоящее время известны следующие формы резонаторов с осевой симметрией: полусферические, тороидальные (полусферические с плоским торцем), кольцевые и цилиндрические.

В частности, известен резонатор твердотельного волнового гироскопа (см. патент РФ № 2744820, МПК G01C19/56, опуб. 16.03.2021), содержащий рабочую часть в форме усеченного конуса с цилиндрической внутренней частью, меньшее основание которого сопряжено с подвесом, а со стороны большего основания по всему диаметру, выполнен торец-кромка, образованный внутренней и наружной поверхностями рабочей части, на котором возникает прецессия стоячей волны при воздействии на гироскоп измеряемой угловой скорости или угла поворота, днище, узел крепления резонатора к основанию гироскопа и пьезоэлектрические элементы возбуждения стоячей волны и детектирования сигнала с внешней стороны днища.

Основными недостатками цилиндрических резонаторов являются вырожденный краевой эффект, который проявляется в уменьшении колебаний при удалении от свободной кромки резонатора, недостаточная компактность и высокая чувствительность к вибрациям окружающей среды.

Полусферическая и, отчасти, тороидальная формы резонаторов обладают важным свойством краевой локализации колебаний вблизи свободной кромки резонатора. Именно изменение амплитуды колебаний свободной кромки резонатора является источником первичной инерциальной информации в ТВГ. Кроме того, полусферическая конфигурация резонатора обладает наивысшей добротностью среди различных трех- и двухмерных конфигураций.

Известен резонатор вибрационного гироскопа со сферическими поверхностями (см. патент РФ № 2298766, МПК G01C19/56, опуб. 15.05.2007), содержащий корпус с полюсом, установленным на несущем стержне, при этом корпус содержит кольцевую кромку, образованную внутренней и наружной поверхностями, являющимися гомотетическими между собой, и расположенную вокруг общей оси вращения, внутренняя и наружная поверхности смещены между собой по оси вращения таким образом, что толщина корпуса вдоль кольцевой кромки превышает толщину около полюса. Внутренняя и наружная поверхности выполнены в виде шарового сегмента, имеющего форму, близкую к полусфере.

Однако изготовление сферического резонатора переменной толщины достаточно сложный и трудоемкий процесс. Кроме того, возникают остаточные температурные напряжения из-за разницы температурных коэффициентов линейных расширений между толщиной корпуса вдоль кольцевой кромки и около полюса, что существенно снижает добротность резонатора.

Наиболее близким к заявляемому является резонатор пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа (см. патент РФ № 216847, МПК G01C 19/58, опубл. 03.03.2023 г.), содержащий концентрически размещенные одна внутри другой наружную и внутреннюю полые сферы, тонкостенную сферу, размещенную с наружной стороны внутренней сферы и выполненной охватывающей внутреннюю сферу с ее наружной стороны, обмотки электромагнитного центрирования, электроды управления и вспомогательный электрод, датчики измерения положения стоячей волны, во внутренней сфере размещен источник питания, на наружную и внутреннюю поверхности внутренней и наружной сфер соответственно нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, при этом электроды управления и вспомогательный электрод расположены на слое моноэлектрета, размещенном на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны расположены на слое моноэлектрета, размещенном на внутренней поверхности наружной сферы.

Недостатком резонатора является размещение тонкостенной сферы вокруг внутренней сферы через контактное соединение посредством немагнитных втулок, поэтому твердотельный волновой гироскоп с подобным резонатором фактически способен функционировать на подвижном объекте как датчик угловой скорости, что ограничивает потенциальные возможности указанного прибора при реализации свободного пространственного перемещения создаваемой стоячей волны.

Раскрытие сущности

Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание резонатора пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа с длительным сроком службы в экстремальных условиях эксплуатации.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет бесконтактного подвеса тонкостенной сферы, в которой возбуждается стоячая волна.

Указанный технический результат достигается тем, что в резонаторе пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа, содержащем концентрически размещенные одна внутри другой наружную и внутреннюю полые сферы, тонкостенную сферу, размещенную с наружной стороны внутренней сферы и охватывающую ее, обмотки электромагнитного центрирования, электроды управления и вспомогательный электрод, датчики измерения положения стоячей волны, во внутренней сфере размещен источник питания, на наружную и внутреннюю поверхности внутренней и наружной сфер соответственно нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, при этом электроды управления и вспомогательный электрод расположены на слое моноэлектрета, размещенном на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны расположены на слое моноэлектрета, размещенном на внутренней поверхности наружной сферы, согласно полезной модели, на наружную и внутреннюю поверхности тонкостенной сферы нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, соответствующие заряду и величине слоев моноэлектрета внутренней поверхности наружной сферы и наружной поверхности внутренней сферы, причем во внутренней сфере размещено устройство бесконтактной передачи энергии, а на внутренней поверхности тонкостенной сферы установлены устройства возбуждения стоячей волны и электроды управления.

Краткое описание чертежей

Полезная модель иллюстрируется чертежом, где схематично представлена конструкция резонатора в виде пространственного вакуумированного модуля.

На чертеже позициями обозначено:

1 - наружная полая сфера;

2 - внутренняя полая сфера;

3 - тонкостенная сфера;

4 - обмотки электромагнитного центрирования;

5 - источник питания;

6 - слой моноэлектрета;

7 - передающие элементы;

8 - вспомогательный электрод;

9 - датчики измерения положения стоячей волны;

10 - устройство бесконтактной передачи электроэнергии;

11 - устройства возбуждения стоячей волны и электроды управления.

Осуществление полезной модели

Резонатор выполнен в виде пространственного вакуумированного модуля и содержит концентрически размещенные одна внутри другой наружную 1 и внутреннюю 2 полые сферы, тонкостенную сферу 3, размещенную с наружной стороны внутренней сферы 2 и выполненную охватывающей внутреннюю сферу 2.

Тонкостенная сфера 3 выполнена из материала с малыми параметрами внутреннего трения (то есть, высокой добротностью), например, из аморфного или нанокристаллического металла/сплава.

На наружную и внутреннюю поверхность тонкостенной сферы 3 нанесены слои моноэлектрета 6, имеющие заряд одного знака и величины, соответствующие заряду и величине слоев моноэлектрета 6 внутренней поверхности наружной сферы 1 и наружной поверхности внутренней сферы 2, представляющие собой, например, моноэлектретную пленку.

На наружную и внутреннюю поверхности внутренней 2 и наружной 1 сфер нанесены слои моноэлектрета 6, имеющие заряд одного знака и величины, представляющие собой, например, моноэлектретную пленку.

Во внутренней сфере 2 размещен источник питания 5 с преобразователем DC-AC для питания обмоток электромагнитного центрирования 4, установленных во внутренней сфере 2, а также устройство бесконтактной передачи электроэнергии 10 с передающими элементами 7.

Передающие элементы 7 устройства бесконтактной передачи электроэнергии 10 и вспомогательный электрод 8 расположены на слое моноэлектрета, размещенном на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны 9 расположены на слое моноэлектрета, размещенном на внутренней поверхности наружной сферы 1.

На внутренней поверхности тонкостенной сферы 3 установлены устройства возбуждения стоячей волны, например, пьезоэлектрического типа и электроды управления 11.

Внутренняя 2 и наружная 1 сферы изготовлены из немагнитного материала, например, из высокопрочных композитных материалов малой плотности (ρ=1,45…1,6 г/см³) на основе, например, углепластиков; либо полидициклопентадиена.

Резонатор работает следующим образом.

При подаче напряжения питания (включении гироскопа) на обмотки электромагнитного центрирования 4 активируется пространственный вакуумированный модуль резонатора, обеспечивая бесконтактный подвес внутренней полой сферы 2 и тонкостенной сферы 3.

Для параметрического возбуждения пространственной механической стоячей волны к тонкостенной сфере 3 прикладываются две диаметрально противоположные силы, создаваемые устройствами возбуждения стоячей волны и электродами управления 11, размещенными на внутренней поверхности тонкостенной сферы 3.

Устройства возбуждения стоячей волны с электродами управления 11, размещенными на внутренней поверхности тонкостенной сферы 3, функционируют с помощью устройства бесконтактной передачи энергии 10 и его передающих элементов 7, размещенных соответственно во внутренней сфере 1 и на ее наружной поверхности.

Количество электродов управления обусловлено особенностями конструкции ТВГ и параметрами создаваемой стоячей волны в резонаторе, поскольку эти электроды задают генерацию стоячей волны. Под действием приложенных сил тонкостенная сфера 3 примет эллипсоидальную форму. Приложенные силы в заданные моменты времени становятся равными нулю, а тонкостенная сфера 3, обладающая определенной жесткостью, проходя через недеформированное состояние, под действием сил инерции будет деформироваться в ортогональном направлении. Возбуждение пространственной стоячей волны в тонкостенной сфере 3 происходит в режиме автогенератора на собственной частоте колебаний.

По достижении заданной амплитуды колебаний тонкостенной сферы 3 передающие элементы 7 устройства бесконтактной передачи электроэнергии 110 отключаются, и включается вспомогательный электрод 8, поддерживающий постоянство амплитуды колебаний в тонкостенной сфере 3 для любого положения стоячей волны относительно основания. При колебаниях тонкостенной сферы 3 изменяется площадь перекрытия электродов датчиков 9, выполняющих функцию измерения положения стоячей волны. Выходные сигналы электродов датчиков 9, соответствующие трем компонентам вектора входной угловой скорости подвижного объекта, подаются на блок управления ТВГ.

После программной математической обработки сигнала в электронном блоке вычислителя определяется угол поворота/угловая скорость подвижного объекта, на котором установлен ТВГ.

Дополнительно укажем, что под бесконтактной передачей электрической энергии понимается способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи, то есть, при отсутствии проводного электрического контакта между источником и потребителем. При этом для передачи на небольшое расстояние в настоящее время используется явление электромагнитной индукции и резонансный режим работы приемного и передающего устройств, а также ближнее электромагнитное поле на расстояниях не более одной шестой длины волны для исключения излучения ее в свободное пространство.

В качестве устройства бесконтактной передачи электроэнергии 10 с передающими элементами 7 может быть использована, например, беспроводная зарядная система (патент РФ авторов № 2781948 от 21.10. 2022 г.).

Поскольку на наружную и внутреннюю поверхность тонкостенной сферы нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, соответствующие заряду и величине слоев моноэлектрета внутренней поверхности наружной сферы и наружной поверхности внутренней сферы, а во внутренней сфере размещено устройство бесконтактной передачи энергии с передающими элементами, а на внутренней поверхности тонкостенной сферы установлены устройства возбуждения стоячей волны и электроды управления, то это обеспечивает бесконтактный подвес тонкостенной сферы, в которой возбуждается стоячая волна, решая тем самым проблему полезной модели.

Заявляемое устройство также позволяет повысить надежность и долговечность резонатора пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа.

Claims (1)

1. Резонатор пространственного интегрирующего твердотельного волнового гироскопа, содержащий концентрически размещенные одна внутри другой наружную и внутреннюю полые сферы, тонкостенную сферу, размещённую с наружной стороны внутренней сферы и охватывающую ее, обмотки электромагнитного центрирования, электроды управления и вспомогательный электрод, датчики измерения положения стоячей волны, во внутренней сфере размещен источник питания, на наружную и внутреннюю поверхности внутренней и наружной сфер соответственно нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, при этом электроды управления и вспомогательный электрод расположены на слое моноэлектрета, размещенном на наружной поверхности внутренней сферы, а датчики измерения положения стоячей волны расположены на слое моноэлектрета, размещенном на внутренней поверхности наружной сферы, отличающийся тем, что на наружную и внутреннюю поверхности тонкостенной сферы нанесены слои моноэлектрета, имеющие заряд одного знака и величины, соответствующие заряду и величине слоев моноэлектрета внутренней поверхности наружной сферы и наружной поверхности внутренней сферы, причем во внутренней сфере размещено устройство бесконтактной передачи энергии, а на внутренней поверхности тонкостенной сферы установлены устройства возбуждения стоячей волны и электроды управления.