RU2454629C1

RU2454629C1 - Tubular longitudinal-bending piezogyroscope

Info

Publication number: RU2454629C1
Application number: RU2011117122/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Анатольевич Крамаров (RU); Юрий Анатольевич Крамаров; Дмитрий Вячеславович Мотин (RU); Дмитрий Вячеславович Мотин; Александр Анатольевич Панич (RU); Александр Анатольевич Панич
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Пьезоприбор" (ООО "Пьезоприбор")
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2012-06-27

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: resonator of oscillating system of vibration gyroscope of longitudinal-bending type is made form solid radially polarised piezoceramics with nine external and one internal electrode; at that, sizes of resonator are chosen from the condition of coincidence of frequencies f₀ of the main longitudinal resonance and the second bending resonance mode.

EFFECT: gyroscope is capable of having similar sensitivity to rotation about two axes.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления, и может найти применение при создании новых конструкций пьезогироскопов.The invention relates to the field of instrumentation, namely to instruments of orientation, navigation and control systems, and may find application in the creation of new designs of piezo gyroscopes.

Пьезогироскопы составляют более 85% от числа гироскопов, используемых в аппаратуре гражданского применения. Значительное число их используется и в специальной аппаратуре военного назначения. Ряд крупных зарубежных фирм сегодня серийно выпускает пьезоэлектрические гироскопы высокой и средней точности на основе кварцевых технологий для систем ориентации, навигации и стабилизации различных объектов, в том числе интеллектуальных систем вооружения, спутниковых систем и беспилотных летательных аппаратов. Однако применение кварца влечет за собой повышение стоимости и снижение чувствительности гироскопов (из-за низких значений коэффициента электромеханической связи и малой величины диэлектрической проницаемости). Применение для изготовления гироскопов современной пьезокерамики позволяет не только существенно снизить стоимость, но и разрабатывать новые монолитные конструкции пьезогироскопов с качественно новыми характеристиками, принципиально не осуществимыми с применением пьезокристаллических монокристаллов. Одной из основных проблем при создании вибрационных гироскопов является их сравнительно слабая чувствительность к измеряемой угловой скорости. Известно, что наибольшая чувствительность вибрационного гироскопа достигается при совпадении резонансных частот первичных колебаний и вторичных (вызванных вращением) колебаний в ортогональной основным колебаниям плоскости. Поэтому перспективно использование монолитных пьезокерамических резонаторов в виде осесимметричных трубчатых конструкций, у которых собственные частоты в двух ортогональных плоскостях, параллельных оси симметрии принципиально одинаковы. Такие пьезокерамические гироскопы давно известны и описаны в патентах и научных статьях [1, 2]. Принцип действия такого гироскопа подробно описан в работе [2]: резонатор гироскопа представляет собой радиально поляризованную пьезокерамическую трубку с одним внутренним и четырьмя симметричными полосковыми электродами, занимающими одинаковые сектора во всех квадрантах центральной части трубки. Одна пара диаметрально расположенных электродов (называемых генераторными) соединяется с генератором резонансной частоты изгибных колебаний основной моды, а вторая пара электродов (приемных) соединена со входами операционного усилителя, выход которого соединен со входом синхронного детектора, связанного с генератором. На выходе синхронного детектора включен сглаживающий фильтр. В отсутствие вращения вокруг оси трубки сигналы на приемных электродах равны и на выходе операционного усилителя сигнала нет. При появлении вращения вокруг оси трубки вследствие сил Кориолиса, пропорциональных величине скорости вращения, появляется вынужденная вторичная деформация трубки, вызывающая напряжения той же резонансной частоты, но разных знаков на приемных электродах гироскопа. По величине и знаку напряжения на выходе сглаживающего фильтра можно судить о скорости и направлении вращения гироскопа вокруг его оси. В большинстве случаев практического применения гироскопов требуется информация о пространственном вращении объекта, на котором устанавливают гироскоп. Однако описанный выше гироскоп, выбранный в качестве прототипа, чувствует вращение только вокруг одной оси и приходится в одном объекте использовать сразу 3 таких одноосных гироскопа.Piezo gyroscopes account for more than 85% of the number of gyroscopes used in civilian applications. A significant number of them are also used in special military equipment. A number of large foreign companies today mass-produce piezoelectric gyroscopes of high and medium accuracy based on quartz technologies for orientation systems, navigation and stabilization of various objects, including intelligent weapon systems, satellite systems and unmanned aerial vehicles. However, the use of quartz entails an increase in cost and a decrease in the sensitivity of gyroscopes (due to the low values of the electromechanical coupling coefficient and low dielectric constant). The use of modern piezoelectric ceramics for the manufacture of gyroscopes allows not only to significantly reduce the cost, but also to develop new monolithic constructions of piezogyroscopes with qualitatively new characteristics that are fundamentally not feasible using piezocrystalline single crystals. One of the main problems in creating vibration gyroscopes is their relatively weak sensitivity to measured angular velocity. It is known that the greatest sensitivity of a vibrational gyroscope is achieved when the resonant frequencies of the primary oscillations coincide with the secondary (caused by rotation) oscillations in the plane orthogonal to the main oscillations. Therefore, the use of monolithic piezoelectric ceramic resonators in the form of axisymmetric tubular structures, in which the natural frequencies in two orthogonal planes parallel to the axis of symmetry are fundamentally the same, is promising. Such piezoceramic gyroscopes have long been known and are described in patents and scientific articles [1, 2]. The principle of operation of such a gyroscope is described in detail in [2]: the gyroscope resonator is a radially polarized piezoceramic tube with one inner and four symmetrical strip electrodes occupying the same sectors in all quadrants of the central part of the tube. One pair of diametrically located electrodes (called generator electrodes) is connected to the resonant frequency generator of the bending vibrations of the main mode, and the second pair of electrodes (receivers) is connected to the inputs of the operational amplifier, the output of which is connected to the input of a synchronous detector connected to the generator. At the output of the synchronous detector, a smoothing filter is turned on. In the absence of rotation around the axis of the tube, the signals at the receiving electrodes are equal and there is no signal at the output of the operational amplifier. When rotation around the axis of the tube appears due to Coriolis forces proportional to the speed of rotation, a forced secondary deformation of the tube appears, causing stresses of the same resonant frequency, but of different signs on the receiving electrodes of the gyroscope. By the magnitude and sign of the voltage at the output of the smoothing filter, one can judge the speed and direction of rotation of the gyroscope around its axis. In most practical applications of gyroscopes, information is required on the spatial rotation of the object on which the gyroscope is mounted. However, the gyroscope described above, selected as a prototype, senses rotation only around one axis and it is necessary to use 3 such uniaxial gyroscopes in one object at once.

Предлагаемая в качестве изобретения конструкция свободна от этого недостатка, техническим результатом является способность гироскопа иметь одинаковую чувствительность к вращению вокруг двух осей.The design proposed as an invention is free from this drawback, the technical result is the ability of the gyroscope to have the same sensitivity to rotation around two axes.

Технический результат достигается тем, что резонатор колебательной системы вибрационного гироскопа продольно-изгибного типа выполняется из монолитной радиально поляризованной пьезокерамики с девятью наружными и одним внутренним электродом, причем размеры резонатора выбираются из условия совпадения частот f_o основного продольного резонанса и второй моды изгибного резонанса, генераторный кольцевой электрод шириной порядка 0,3 длины резонатора располагается в средней части наружной поверхности, а на каждом конце резонатора симметрично по квадрантам располагаются по две пары приемных электродов, крепление резонатора осуществляется по наружной окружности в середине генераторного электрода и через него подводят возбуждающий сигнал с частотой f_o, а о наличии вращения в двух ортогональных оси трубки плоскостях судят по возникающим вследствие сил Кориолиса разностям напряжений на противоположных от оси парах электродов.The technical result is achieved by the fact that the resonator of the oscillatory system of a longitudinally-bending vibratory gyroscope is made of a monolithic radially polarized piezoceramic with nine outer and one inner electrode, and the dimensions of the resonator are selected from the condition that the frequencies f _{o of the} main longitudinal resonance and the second mode of bending resonance coincide, the generator ring an electrode with a width of the order of 0.3 of the cavity length is located in the middle of the outer surface, and at each end of the resonator is symmetrical but two pairs of receiving electrodes are arranged in quadrants, the resonator is mounted on the outer circle in the middle of the generator electrode and an excitation signal with a frequency f _o is supplied through it, and the presence of rotation in two planes orthogonal to the tube axis is judged by the voltage differences due to Coriolis forces pairs of electrodes opposite from the axis.

Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фигуре 1. Резонатор Р колебательной системы вибрационного гироскопа продольно-изгибного типа представляет собой кольцевой радиально поляризованный пьезокерамический цилиндр с одним внутренним электродом В, одним кольцевым внешним электродом К шириной примерно 0,3 длины резонатора, располагаемым в его средней части, и симметрично располагаемыми на каждом конце резонатора по двум парам полосковыми электродами 1-8. Крепление резонатора Р осуществляется посередине внешнего кольцевого электрода К, при помощи тонкостенной металлической шайбы Ш, внутренний диаметр которой совпадает с наружным диаметром резонатора. Эта шайба, кроме функции крепления резонатора в герметизирующем корпусе, может служить для подвода напряжения к генераторному электроду. Все приемные электроды соединяются при помощи тонких гибких проводников со входами соответствующих восьми подстраиваемых предварительных усилителей П1-П8. Выходы подстраиваемых предварительных усилителей П1 и П7, П3 и П5, П2 и П8, П4 и П6 попарно соединяются со входами соответствующих сумматоров С1-С4, удваивающих подводимое к ним напряжение. Выходы сумматоров С1, С2 и СЗ, С4 попарно соединяются со входами операционных усилителей, выходы которых соединяются с соответствующими синхронными детекторами СД1 и СД2 (на них также поступает опорный сигнал от генератора) и выходы которых, в свою очередь, соединены со сглаживающими фильтрами СФ1 и СФ2, на выходах которых вырабатываются информационные сигналы гироскопа.The invention is illustrated by the drawing shown in figure 1. The resonator P of the oscillatory system of a longitudinally-bending vibratory gyroscope is an annular radially polarized piezoceramic cylinder with one internal electrode B, one ring external electrode K with a width of about 0.3 of the cavity length located in its middle parts, and symmetrically placed at each end of the resonator in two pairs of strip electrodes 1-8. The resonator P is mounted in the middle of the outer ring electrode K, using a thin-walled metal washer Ш, the inner diameter of which coincides with the outer diameter of the resonator. This washer, in addition to the function of mounting the resonator in a sealing case, can serve to supply voltage to the generator electrode. All receiving electrodes are connected using thin flexible conductors with the inputs of the corresponding eight adjustable pre-amplifiers P1-P8. The outputs of the adjustable preamplifiers P1 and P7, P3 and P5, P2 and P8, P4 and P6 are connected in pairs with the inputs of the corresponding adders C1-C4, doubling the voltage supplied to them. The outputs of adders С1, С2 and СЗ, С4 are paired with the inputs of operational amplifiers, the outputs of which are connected to the corresponding synchronous detectors SD1 and SD2 (they also receive a reference signal from the generator) and the outputs of which, in turn, are connected to the smoothing filters SF1 and SF2, at the outputs of which information signals of the gyroscope are generated.

Принцип работа гироскопа заявляемого в качестве изобретения осуществляется следующим образом и поясняется графиками на фигурах 2-3. Где на фиг.2 - изображена форма деформаций резонатора на основной продольной моде, на фиг.3 - изображена форма деформаций второй изгибной моды. На кольцевой электрод К подается от автогенератора напряжение с частотой f_o, вызывающее продольные колебания резонатора Р, форма деформаций резонатора изображена на фигуре 2. Видно, что концы резонатора на этой моде движутся в противофазе в разные стороны вдоль оси Z. В отсутствие вращения по осям Х и Y сигналы с частотой f_o на всех восьми приемных электродах (наведенные вследствие продольной деформации) и соответствующих выходах предварительных усилителей должны быть одинаковые. Если теперь приложить вращение вокруг оси X, то на половины пьезоэлемента будут действовать силы Кориолиса, направленные в плоскости ZY вдоль оси Y в противоположных направлениях для разных половин, таким образом эти половины будут деформироваться в плоскости ZY в разных направлениях с той же частотой f_o. Модой колебаний, наиболее близкой по форме деформации с индуцированной вращением деформацией пьезоэлемента, является вторая изгибная мода, показанная на фиг.3. Эти деформации вызывают на электродах нечетных номеров 1, 3, 5 и 7 одинаковые по величине и пропорциональные угловой скорости Ω дополнительные сигналы той же частоты f_o. Из-за формы изгибных деформаций видно, что фазы этих сигналов на парах электродов и выходах соответствующих предварительных усилителей 1 и 7, 3 и 5 будут сдвинуты на 180°. На электродах четных номеров дополнительные сигналы от вращения вокруг оси Х не возникают. При вращении резонатора с угловой скоростью Ω вокруг оси Y возбуждаются вынужденные колебания второй изгибной моды в ортогональной плоскости и дополнительные сигналы теперь появятся на электродах четных номеров. Таким образом, используя один предлагаемый трубчатый резонатор продольно-изгибного типа можно осуществить пьезогироскоп, чувствительный к угловой скорости сразу по двум осям.The principle of operation of the gyroscope claimed as an invention is as follows and is illustrated by graphs in figures 2-3. Where in figure 2 - shows the shape of the deformation of the resonator in the main longitudinal mode, figure 3 - shows the shape of the deformations of the second bending mode. A voltage with a frequency f _o , causing longitudinal oscillations of the resonator P, is supplied to the ring electrode K from the oscillator, the shape of the resonator deformations is shown in Figure 2. It can be seen that the ends of the resonator in this mode move in antiphase in opposite directions along the Z axis. In the absence of rotation along the axes X and Y signals with a frequency f _o at all eight receiving electrodes (induced due to longitudinal deformation) and the corresponding outputs of the preliminary amplifiers should be the same. If we now apply rotation around the X axis, then the Coriolis forces acting in the ZY plane along the Y axis in opposite directions for different halves will act on the halves of the piezoelectric element, so these halves will be deformed in the ZY plane in different directions with the same frequency f _o . The vibration mode closest in shape to the deformation with rotation-induced deformation of the piezoelectric element is the second bending mode shown in FIG. 3. These deformations cause additional signals of the same frequency f _o on the electrodes of odd numbers 1, 3, 5 and 7, which are identical in magnitude and proportional to the angular velocity Ω. Due to the shape of the bending deformations, it can be seen that the phases of these signals at the pairs of electrodes and the outputs of the corresponding preamplifiers 1 and 7, 3 and 5 will be shifted by 180 °. On the electrodes of even numbers, additional signals from rotation around the X axis do not occur. When the resonator rotates with an angular velocity Ω around the Y axis, the forced oscillations of the second bending mode in the orthogonal plane are excited and additional signals will now appear on the electrodes of even numbers. Thus, using one of the proposed tubular resonator of the longitudinal-bending type, it is possible to realize a piezo gyroscope sensitive to angular velocity along two axes at once.

Источники информацииInformation sources

1. US 6457358, Application №09/659624, Tubular coriolis force driven piezoelectric gyroscope system, and method of use. Oct.1, 2002.1. US 6457358, Application No. 09/659624, Tubular coriolis force driven piezoelectric gyroscope system, and method of use. Oct. 1, 2002.

2. Исследование режимов работы пьезоэлектрического вибрационного гироскопа осцилляторного типа. А.А.Левицкий, П.С.Маринушкин. Датчики и системы. №3, 2011 г., стр.55-59.2. The study of the operating modes of the piezoelectric vibration gyroscope oscillator type. A.A. Levitsky, P.S. Marinushkin. Sensors and systems. No. 3, 2011, pp. 55-59.

Claims

Resonator of a tubular vibratory gyroscope of longitudinal bending type made of monolithic radially polarized piezoceramics with an external and one internal electrode, characterized in that the dimensions of the resonator are selected from the condition that the frequencies f _o coincide with the main longitudinal resonance and the second mode of bending resonance, a generator ring electrode with a width of the order of 0 , 3 resonator lengths are located in the middle part of the outer surface, and two pairs of receiving electrodes are symmetrically located at each end of the resonator c, the resonator is mounted on the outer circumference in the middle of the generator electrode and an exciting signal with a frequency f _o is supplied through it, and the presence of rotation in two planes orthogonal to the tube axis is judged by the voltage differences arising due to Coriolis forces on the receiving pairs of electrodes.