RU2521783C2 - Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) - Google Patents
Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521783C2 RU2521783C2 RU2012101389/28A RU2012101389A RU2521783C2 RU 2521783 C2 RU2521783 C2 RU 2521783C2 RU 2012101389/28 A RU2012101389/28 A RU 2012101389/28A RU 2012101389 A RU2012101389 A RU 2012101389A RU 2521783 C2 RU2521783 C2 RU 2521783C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylinder
- thickness
- annular cylindrical
- cylindrical element
- height
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к конструкции чувствительных элементов (резонаторов) твердотельных волновых гироскопов (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений средней точности в составе блоков навигационных устройств наземной и авиационно-космической техники.The invention relates to the construction of sensitive elements (resonators) of solid-state wave gyroscopes (TWG), which are used to determine the average angular displacements in the blocks of navigation devices of ground and aerospace equipment.
Твердотельный волновой гироскоп является одним из наиболее перспективных приборов, предназначенных для определения угловой скорости вращения объекта, с точки зрения потребительского соотношения цены к точности получаемой инерциальной информации.A solid-state wave gyroscope is one of the most promising instruments designed to determine the angular velocity of rotation of an object from the point of view of the consumer price-to-accuracy ratio of inertial information received.
В общем случае чувствительным элементом ТВГ является резонатор, закрепленный в приборе. Конструктивно, резонатор ТВГ представляет из себя металлическую оболочку. В литературе известны конструкции кольцевых, цилиндрических и полусферических резонаторов ТВГ. На практике в настоящее время большинство приборов имеют чувствительный элемент, выполненный в виде полусферы, сделанной из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь (высокой добротностью) при колебаниях, и находящейся на круглом стержне. Причем такой резонатор может быть полностью изготовлен из одного монокристалла или представлять собой составное изделие, соединение элементов которого (полусферической оболочки и ножки) осуществляется с помощью, например, клея [Например, патентные документы ЕР №1722193, G01C 19/56, 2006 г.; GB №2154739, G01C 19/58, 1995 г.; GB №2310284, G01C 19/56, 1996 г. RU №2251076, G01C 19/56, G01P 9/04, 2005 г.].In the General case, the sensitive element of the TWG is a resonator mounted in the device. Structurally, the TVG resonator is a metal shell. The literature is known for the design of ring, cylindrical, and hemispherical TVG resonators. In practice, at present, most devices have a sensitive element made in the form of a hemisphere made of fused silica, sapphire or other material with a low loss coefficient (high quality factor) during oscillations and located on a round rod. Moreover, such a resonator can be completely made of one single crystal or be a composite product, the connection of the elements of which (hemispherical shell and legs) is carried out using, for example, glue [For example, patent documents EP No. 1722193, G01C 19/56, 2006; GB No. 2154739, G01C 19/58, 1995; GB No. 2310284, G01C 19/56, 1996, RU No. 2251076, G01C 19/56, G01P 9/04, 2005].
Источником инерциальной информации является изменение волновой картины колебаний осесимметричного резонатора (кольцевой, цилиндрический, полусферический). При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний резонатора. Вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот волновой картины (волны упругих колебаний) на меньший, но известный угол, то есть упругая волна, как целое, прецессирует. Таким образом, твердотельные волновые гироскопы могут использоваться в качестве датчиков угла поворота объекта. Коэффициент пропорциональности скорости прецессии стоячей волны к проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора - «масштабный коэффициент» - наряду с собственной частотой колебаний резонатора входит в число наиболее важных для изготовителя параметров системы.A source of inertial information is a change in the wave pattern of oscillations of an axisymmetric resonator (annular, cylindrical, hemispherical). In this case, measurements are made in the mode of free oscillations of the resonator. The rotation of the base on which the resonator is mounted causes the rotation of the wave pattern (waves of elastic vibrations) by a smaller but known angle, that is, the elastic wave as a whole precesses. Thus, solid-state wave gyroscopes can be used as sensors for the angle of rotation of the object. The proportionality coefficient of the standing wave precession velocity to the projection of the angular velocity of rotation of the base onto the axis of symmetry of the resonator — the “scale factor” - is, along with the natural frequency of oscillations of the resonator, one of the most important system parameters for the manufacturer.
Известны способы закрепления резонатора: 1) оба края жестко заделаны; 2) один край жестко заделан, второй свободен [Меркурьев И.В. Динамика гироскопических чувствительных элементов систем ориентации и навигации малых космических аппаратов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 2008 г.].Known methods for fixing the resonator: 1) both edges are rigidly sealed; 2) one edge is rigidly fixed, the second is free [I. Merkuryev Dynamics of gyroscopic sensitive elements of orientation and navigation systems of small spacecraft. Abstract of dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences, M., 2008].
Известна конструкция чувствительного элемента, содержащего резонатор, который имеет полусферическую оболочку и ножку. На торцевой поверхности полусферической оболочки имеется металлическое покрытие. Узел электродов выполнен в виде плоской пластины с электродами и расположен параллельно торцевой поверхности резонатора, причем между поверхностью пластины и торцевой поверхностью полусферической оболочки имеется зазор [Лунин Б.С. Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа [Патент РФ №2166734, G01C 19/56, 2000 г.].A known design of a sensitive element containing a resonator, which has a hemispherical shell and a leg. On the end surface of the hemispherical shell there is a metal coating. The electrode assembly is made in the form of a flat plate with electrodes and is parallel to the end surface of the resonator, and there is a gap between the plate surface and the end surface of the hemispherical shell [B. Lunin A sensitive element of a wave solid-state gyroscope [RF Patent No. 2166734, G01C 19/56, 2000].
Недостатками полусферических резонаторов являются влияние анизотропии материала на дрейф нуля гироскопа, сложность технологии изготовления резонатора, возникновение внутреннего трения между металлизированным покрытием и полусферической оболочкой.The disadvantages of hemispherical resonators are the effect of anisotropy of the material on the zero drift of the gyroscope, the complexity of the manufacturing technology of the resonator, the occurrence of internal friction between the metallized coating and the hemispherical shell.
Достижение высокой точности ТВГ возможно лишь в случае, если его чувствительный элемент - полусферический резонатор - имеет высокую добротность и изотропность. Такой резонатор изготавливается, например, из кварцевого стекла и требует использования ряда новых технологий для достижения необходимых параметров. Хотя для изготовления такого резонатора можно использовать различные способы обработки кварцевого стекла, хорошо известные в оптической технологии, для получения столь высокого уровня добротности необходимо уменьшить влияние всех факторов, приводящих к рассеиванию энергии упругих колебаний: потери в собственно кварцевом стекле, его поверхностном слое, металлическом покрытии, на межфазной границе металл/стекло, а также в местах крепления резонатора. Для этого необходимо использовать комплекс специальных технологий и методов: методы измерений характеристик высокодобротных полусферических резонаторов, специальные технологии обработки кварцевого стекла, технологию нанесения металлического покрытия с малой диссипацией, методику балансировки резонатора. Несовершенство указанных выше технологий и методов является основной причиной недостаточно высоких характеристик резонаторов, выпускаемых отечественными предприятиями.Achieving high accuracy of TWG is possible only if its sensitive element - a hemispherical resonator - has high quality factor and isotropy. Such a resonator is made, for example, of quartz glass and requires the use of a number of new technologies to achieve the necessary parameters. Although various types of processing of quartz glass, well known in optical technology, can be used to manufacture such a resonator, to obtain such a high level of quality factor it is necessary to reduce the influence of all factors leading to the dispersion of the energy of elastic vibrations: losses in the quartz glass itself, its surface layer, and metal coating , at the metal / glass interface, as well as at the attachment points of the resonator. For this, it is necessary to use a set of special technologies and methods: methods for measuring the characteristics of high-quality hemispherical resonators, special technologies for processing quartz glass, technology for applying a metal coating with low dissipation, and a technique for balancing the resonator. The imperfection of the above technologies and methods is the main reason for the insufficiently high characteristics of the resonators produced by domestic enterprises.
При изготовлении механические и геометрические параметры (соосность, круглость, дислокации кристаллической решетки) резонаторов не постоянны вдоль боковых поверхностей. Это приводит к зависимости поведения стоячей волны от ее ориентации в резонаторе. Этот эффект, называемый динамической неоднородностью резонатора, влечет распад волновой картины и, как следствие, к увеличению погрешности измерения прибора в целом.In the manufacture of mechanical and geometric parameters (alignment, roundness, dislocation of the crystal lattice) of the resonators are not constant along the side surfaces. This leads to a dependence of the behavior of a standing wave on its orientation in the cavity. This effect, called the dynamic inhomogeneity of the resonator, entails the decay of the wave pattern and, as a consequence, to an increase in the measurement error of the device as a whole.
При выборе материала для изготовления резонатора ТВГ существенным критерием является добротность. Помимо широко известных, используются искусственно созданные материалы типа лейко-сапфиров, обладающие довольно высокой добротностью. Однако такие материалы, равно как и плавленый кварц, обладают анизотропными свойствами. Например, при малом отклонении фактической плоскости среза резонатора от главной плоскости кристалла кремния, имеющего кубическую структуру, возникает раздвоение частот колебаний и стоячая волна начинает прецессировать при неподвижном основании прибора, вызывая тем самым дрейф нуля гироскопа.When choosing a material for the manufacture of a TWG resonator, an essential criterion is the quality factor. In addition to the widely known, artificially created materials such as leuko-sapphires, which have a fairly high quality factor, are used. However, such materials, as well as fused silica, have anisotropic properties. For example, with a small deviation of the actual cut-off plane of the resonator from the main plane of the silicon crystal having a cubic structure, a doubling of the vibration frequencies occurs and the standing wave begins to precess with the base of the device stationary, thereby causing a zero drift of the gyroscope.
Известны патенты [UA №22153, G01C 19/56, 2007 г., UA №79166, G01C 19/56, 2007 г.], в которых чувствительный элемент вибрационного гироскопа содержит цилиндрический резонатор из упругого материала, состоящий из 2-х частей - цилиндрического обода и цилиндрической гнутой части с днищем, которая выполняет роль упругого подвеса. Толщина стенки цилиндрического упругого подвеса меньше по сравнению с толщиной стенки цилиндрического обода, в результате основная частота упругого подвеса смещена в область низких частот. А это, в свою очередь, приводит к частотной развязке между резонатором и основанием, на котором он размещается. В торцевой стенке резонатора выполнены отверстия для предотвращения паразитных колебаний упругого подвеса. Упругий подвес в резонаторе выполняет роль амортизатора при действии на гироскоп инерциальных сил.Known patents [UA No. 22153, G01C 19/56, 2007, UA No. 79166, G01C 19/56, 2007], in which the sensitive element of the vibrating gyroscope contains a cylindrical resonator of elastic material, consisting of 2 parts - a cylindrical rim and a cylindrical bent part with a bottom, which acts as an elastic suspension. The wall thickness of the cylindrical elastic suspension is less than the wall thickness of the cylindrical rim, as a result, the main frequency of the elastic suspension is shifted to the low frequency region. And this, in turn, leads to a frequency isolation between the resonator and the base on which it is placed. Holes are made in the end wall of the resonator to prevent spurious vibrations of the elastic suspension. The elastic suspension in the resonator acts as a shock absorber when inertial forces act on the gyroscope.
Недостатком такого чувствительного элемента является сложность его конструкции: выполнение выступа под крепление винтом и группы отверстий в основании резонатора.The disadvantage of such a sensitive element is the complexity of its design: the implementation of the protrusion under the screw and groups of holes in the base of the resonator.
Также недостатком конструкции являются разные температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) материалов резонатора и пьезоэлементов. При изменении температуры будут возникать температурные напряжения в местах их контакта, что негативно скажется на результатах измерения. Кроме того, повторяемость параметров пьезоэлементов (ТКЛР) в рамках одной партии невысока, что в значительной степени затрудняет корректировку выходного сигнала датчика программно-алгоритмическими методами, поскольку индивидуально регулировать каждый чувствительный элемент - нетехнологично.Another drawback of the design is the different temperature coefficients of linear expansion (TEC) of the cavity materials and piezoelectric elements. When the temperature changes, temperature stresses will occur in the places of their contact, which will negatively affect the measurement results. In addition, the repeatability of the piezoelectric element parameters (TEC) within one batch is low, which greatly complicates the adjustment of the sensor output by program-algorithmic methods, since it is non-technological to individually adjust each sensitive element.
Наиболее близким к предлагаемому является чувствительный элемент, содержащий резонатор, выполненный в виде тонкостенного металлического цилиндра с основанием. При помощи основания резонатор крепится к другим частям ТВГ. Кромка тонкостенного цилиндра на противоположном конце служит рабочей частью резонатора [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // Патент США, НКИ 74-5.6 №4793195 (1988)]. При повороте основания, на котором закреплен резонатор с возбужденными колебаниями, вокруг оси симметрии, под действием кориолисовых сил угловые скорости вращения резонатора и волновой картины оказываются различными, что позволяет определить угловую скорость вращения резонатора.Closest to the proposed is a sensitive element containing a resonator made in the form of a thin-walled metal cylinder with a base. Using the base, the resonator is attached to other parts of the TWG. The edge of a thin-walled cylinder at the opposite end serves as the working part of the resonator [Koning M.G. Vibrating cylinder gyroscope and method. // US Patent, NCI 74-5.6 No. 4793195 (1988)]. When the base, on which a resonator with excited oscillations is fixed, is rotated around the axis of symmetry, under the influence of Coriolis forces, the angular velocities of rotation of the resonator and the wave pattern turn out to be different, which makes it possible to determine the angular velocity of rotation of the resonator.
Фактором, определяющим широкое внедрение ТВГ, является соотношение цена/качество при его производстве. Наибольшее затруднение при производстве ТВГ вызывает резонатор из кварцевого стекла. Себестоимость изготовления таких резонаторов ТВГ высока, что связано с использованием ряда прецизионных технологических операций, а также с высоким процентом брака резонаторов (до 90%). Поэтому второй важной проблемой является существенное снижение себестоимости резонатора. Эта проблема может быть решена за счет рациональной конструкции резонатора ТВГ.A factor determining the widespread introduction of TWG is the price / quality ratio in its production. The greatest difficulty in the production of TWG is the quartz glass resonator. The cost of manufacturing such TVG resonators is high, which is associated with the use of a number of precision technological operations, as well as with a high percentage of rejects of resonators (up to 90%). Therefore, the second important problem is a significant reduction in the cost of the resonator. This problem can be solved by the rational design of the TWG resonator.
Добротность резонаторов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, оказывается низкой, так как в этом случае энергия колебаний превращается в тепловую за счет переноса тепла между зонами с различной температурой. При изгибных колебаниях внешние и внутренние слои металла оболочки испытывают различные деформации: если внешние слои растягиваются, то внутренние сжимаются и наоборот. Локальная деформация материала приводит к изменению температуры, при сжатии материала локальная температура повышается, а при растяжении уменьшается. Так же как и деформация, эти температурные изменения будут различны для внешних и внутренних слоев материала: если в некоторый момент времени температура внешних слоев повышается, то при этом температура внутренних уменьшается и наоборот. Между областями оболочки резонатора, которые имеют разную локальную температуру, возникают тепловые потоки, которые и представляют собой потери энергии колебаний и которые приводят к низкой добротности резонатора и, как следствие, к снижению тактико-технических характеристик (ТТХ).The quality factor of resonators made in the form of thin-walled shells is low, since in this case the vibrational energy is converted into heat due to heat transfer between zones with different temperatures. During bending vibrations, the outer and inner layers of the shell metal experience various deformations: if the outer layers are stretched, the inner layers are compressed and vice versa. Local deformation of the material leads to a change in temperature, when the material is compressed, the local temperature rises, and when stretched it decreases. Like deformation, these temperature changes will be different for the outer and inner layers of the material: if at some point in time the temperature of the outer layers rises, then the temperature of the inner layers decreases and vice versa. Between the regions of the resonator shell, which have different local temperatures, heat fluxes arise, which are the losses of vibrational energy and which lead to a low Q-factor of the resonator and, as a result, to a decrease in the performance characteristics (TTX).
Недостатком также является необходимость балансировки дефектов резонатора и разработка системы виброзащиты прибора.The disadvantage is the need to balance the defects of the resonator and the development of a vibration protection system of the device.
В рыночных условиях экономики наиболее оправданным по соотношению цена/качество (цена/ТТХ) является ТВГ средней точности с металлическим резонатором в виде цилиндра. Для дальнейшего развития таких ТВГ необходимо и дальше снижать себестоимость изготовления при одновременном повышении гарантированной точности измерений и других важных параметров таких, как, например, виброустойчивость. Подобное снижение стоимости возможно при уменьшении издержек производителей за счет серийного производства, которое эффективно, когда выполнение каждого изделия в отдельности облегчается, благодаря заранее известным, рассчитанным требованиям к резонатору (точности обработки его поверхности, физическим свойствам материала). Для решения таких вопросов направлено предлагаемое изобретение.In market conditions of the economy, the most justified in terms of price / quality (price / performance characteristics) is a medium-precision TVG with a metal resonator in the form of a cylinder. For the further development of such TWGs, it is necessary to further reduce the cost of manufacturing while increasing the guaranteed accuracy of measurements and other important parameters such as, for example, vibration resistance. Such a reduction in cost is possible while reducing the costs of manufacturers due to mass production, which is effective when the implementation of each product individually is facilitated, thanks to well-known, calculated requirements for the resonator (accuracy of surface treatment, physical properties of the material). To address such issues, the invention is directed.
Техническим результатом изобретения является устранение указанных выше недостатков. Это достигается за счет предложенной конструкции резонатора.The technical result of the invention is to eliminate the above disadvantages. This is achieved due to the proposed design of the resonator.
Так 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.So the TWG resonator can be considered as a thin elastic cylinder, having the ability to perform bending vibrations in its plane. The behavior of the cylindrical shell in the edge region is compensated by the use of an annular cylindrical element in the resonator.
Применение кольцевого цилиндрического элемента в конструкции цилиндрического резонатора способствует увеличению стабильности волновой картины в зависимости от выбранного варианта его расположения.The use of an annular cylindrical element in the design of a cylindrical resonator increases the stability of the wave pattern, depending on the chosen version of its location.
В изобретении предложена конструкция дешевого резонатора для ТВГ.The invention proposed the construction of a cheap resonator for TWG.
Предлагаемое изобретение может быть выполнено в нескольких вариантах в зависимости от:The present invention can be performed in several ways, depending on:
- способа закрепления резонатора и расположения измерительной части;- a method for fixing the resonator and the location of the measuring part;
- способа выполнения кольцевого цилиндрического элемента. - a method of performing an annular cylindrical element.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1-6). На фиг.1-3 показаны варианты конструкции предлагаемого изобретения в зависимости от способа закрепления резонатора и расположения измерительной части, где соответствующая измерительная часть - поз.1-3.The invention is illustrated by drawings (Fig.1-6). Figure 1-3 shows the design options of the invention, depending on the method of fixing the resonator and the location of the measuring part, where the corresponding measuring part is pos.1-3.
В предлагаемом изобретении резонатор может быть закреплен как с одной стороны (фиг.1, фиг.2 поз.1) резонатора, так и с обеих сторон (фиг.3 поз.1, поз.2). При закреплении резонатора с одной стороны измерительной частью может быть как кромка резонатора (фиг.1 поз.2), так и утолщение в виде кольцевого цилиндрического элемента (фиг.2 поз.3). В варианте закрепления резонатора с обеих сторон (фиг.3 поз.1, поз.2) измерительной частью является утолщение в виде кольцевого цилиндрического элемента (фиг.3 поз.3).In the present invention, the resonator can be fixed both on one side (figure 1, figure 2 position 1) of the resonator, and on both sides (figure 3
На фиг.4-6 показаны варианты конструкции предлагаемого резонатора в зависимости от способа выполнения кольцевого цилиндрического элемента. Резонатор выполнен в виде металлического цилиндра 4 (далее - цилиндр) с утолщением в виде кольцевого цилиндрического элемента 5 (далее - кольцо). Кольцо относительно стенки цилиндра 4 может быть выполнено как с внешней стороны 6 или с внутренней стороны 7, так и с обеих сторон цилиндра.Figure 4-6 shows the design options of the proposed resonator depending on the method of performing the annular cylindrical element. The resonator is made in the form of a metal cylinder 4 (hereinafter - the cylinder) with a thickening in the form of an annular cylindrical element 5 (hereinafter - the ring). The ring relative to the wall of the
На фиг.4-6 используются следующие обозначения:4-6, the following notation is used:
Н - высота цилиндра,H is the height of the cylinder,
h - толщина стенки цилиндра,h is the cylinder wall thickness,
Y1 - высота кольца с внешней стороны цилиндра,Y 1 - the height of the ring from the outside of the cylinder,
Y2 - высота кольца с внутренней стороны цилиндра,Y 2 - the height of the ring from the inside of the cylinder,
В1 - толщина кольца с внешней стороны цилиндра,In 1 - the thickness of the ring on the outside of the cylinder,
В2 - толщина кольца с внутренней стороны цилиндра,In 2 - the thickness of the ring on the inside of the cylinder,
Z1 - расстояние до центра кольца с внешней стороны цилиндра,Z 1 - the distance to the center of the ring from the outside of the cylinder,
Z2 - расстояние до центра кольца с внутренней стороны цилиндра,Z 2 - the distance to the center of the ring from the inside of the cylinder,
х - некоторая величина. x is a certain quantity.
Примечание: на фиг.1-3 утолщение в виде кольцевого цилиндрического элемента (фиг.1 поз.3-а, поз.3-б, поз.3-в) возможно в трех вариантах, как показано на фиг.4-6.Note: in Figs. 1-3, a thickening in the form of an annular cylindrical element (Fig. 1 pos. 3-a, pos. 3-b, pos. 3-c) is possible in three versions, as shown in Figs. 4-6.
1. Закрепление резонатора осуществляется с одной стороны п.4, 5 формулы (фиг.1, фиг.2).1. The cavity is fixed on one side of
Возможные варианты:Possible options:
1.1. Резонатор закрепляется с одной стороны и измерительной частью с другой стороны (п.4 формулы);1.1. The resonator is fixed on the one hand and the measuring part on the other hand (
1.2. Резонатор закрепляется с одной стороны и измерительной частью в виде кольцевого цилиндрического элемента (п.5 формулы).1.2. The resonator is fixed on one side and by the measuring part in the form of an annular cylindrical element (
2. Закрепление резонатора осуществляется с двух сторон п.6 формулы (фиг.3).2. The cavity is fixed on both sides of
Возможен 1 вариант:1 option is possible:
2.1. Резонатор закрепляется с двух сторон и измерительной частью является кольцевой цилиндрический элемент (п.6 формулы).2.1. The resonator is fixed on both sides and the measuring part is an annular cylindrical element (
Вариант с закреплением резонатора с двух сторон обладает дополнительным преимуществом. При работе такого ЧЭ в составе конструкции ТВГ практически исключаются влияния перекрестных ускорений на измерительную часть (кольцевой цилиндрический элемент), что существенно улучшает его динамические характеристики (волновую картину).The option with fixing the resonator on both sides has an additional advantage. When such a SE is used as part of the TWG design, the effects of cross accelerations on the measuring part (annular cylindrical element) are practically eliminated, which significantly improves its dynamic characteristics (wave pattern).
Предложенный резонатор работает следующим образом. The proposed resonator operates as follows.
Резонатор закрепляется с другими конструктивными частями ТВГ одним из способов, указанных на фиг.1-3. При работе в резонаторе возбуждают изгибные колебания в измерительной части, которые указаны на фиг.1-3, например с помощью электростатического датчика. Резонатор, введенный в режим вибрации, обеспечивает наличие переменной линейной скорости v с частотой, равной резонансной. В качестве рабочей используется эллиптическая мода колебаний (n=2) с частотой собственных колебаний резонатора. При вращении резонатора вокруг оси симметрии относительно инерциального пространства, каждый индивидуально резонирующий элемент массы стоячей волны дает дополнительную силу, вызывающую смещение волны относительно резонатора.The resonator is fixed with other structural parts of the TWG using one of the methods indicated in figures 1-3. When working in the resonator, bending vibrations are excited in the measuring part, which are indicated in FIGS. 1-3, for example, using an electrostatic sensor. The resonator, entered into vibration mode, provides a variable linear velocity v with a frequency equal to the resonant. The elliptic mode of oscillations (n = 2) with the natural frequency of the resonator is used as the working mode. When the resonator rotates around the axis of symmetry relative to the inertial space, each individually resonating element of the standing wave mass gives additional force, causing the wave to shift relative to the resonator.
Закрепление резонатора с двух сторон (фиг.3) позволяет минимизировать влияние негативных явлений, связанных с влиянием перекрестных ускорений. При закреплении резонатора с одной стороны (фиг.1, фиг.2) за счет вариации положения утолщения в виде кольца, возможно улучшить стабильность волновой картины измерительной части резонатора.Fixing the resonator on both sides (Fig. 3) allows to minimize the influence of negative phenomena associated with the influence of cross accelerations. When fixing the resonator on one side (Fig. 1, Fig. 2) by varying the position of the thickening in the form of a ring, it is possible to improve the stability of the wave pattern of the measuring part of the resonator.
Добавление в цилиндрический резонатор утолщения в виде кольца вносит дополнительную жесткость конструкции. Эффектом от данного конструктивного решения является улучшение стабильности (повторяемости) волновой картины, что в свою очередь улучшает полезный сигнал. Также, утолщение в виде кольца позволяет снизить влияние погрешностей, связанных с погрешностью изготовления резонатора (состояние производственного оборудования и его точность, качество и состояние технологической оснастки, режимы обработки, неоднородность материала заготовок и неодинаковость припуска на обработку).The addition of a ring-shaped thickening to the cylindrical resonator introduces additional structural rigidity. The effect of this design solution is to improve the stability (repeatability) of the wave pattern, which in turn improves the useful signal. Also, a thickening in the form of a ring allows one to reduce the influence of errors associated with the manufacturing error of the resonator (the state of production equipment and its accuracy, quality and condition of technological equipment, processing modes, heterogeneity of the material of the workpieces and the unevenness of the machining allowance).
Кольцевой цилиндрический элемент, вне зависимости от способа закрепления резонатора, может быть выполнен в трех вариантах:An annular cylindrical element, regardless of the method of fixing the resonator, can be made in three versions:
3. Кольцевой цилиндрический элемент выполняется на внешней стороне цилиндра п.1 формулы (фиг.4).3. The annular cylindrical element is performed on the outside of the cylinder of
Возможные варианты исполнения:Possible options:
3.1. По толщине кольца с внешней стороны цилиндра (B1).3.1. The thickness of the ring on the outside of the cylinder (B 1 ).
3.1.1. Толщина кольца с внешней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра B1=h (п.7 формулы).3.1.1. The thickness of the ring from the outside can be equal to the thickness of the cylinder wall B 1 = h (
3.1.2. Толщина кольца с внешней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра B1=h±x (п.8 формулы).3.1.2. The thickness of the ring from the outside can be more or less than the cylinder wall thickness B 1 = h ± x (claim 8).
3.2. По высоте кольца с внешней стороны цилиндра (Y1).3.2. The height of the ring on the outside of the cylinder (Y 1 ).
3.2.1. Высота кольца с внешней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра Y1=h (п.9 формулы).3.2.1. The height of the ring from the outside can be equal to the cylinder wall thickness Y 1 = h (claim 9 of the formula).
3.2.2. Высота кольца с внешней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра Y1=h±x (п.10 формулы).3.2.2. The height of the ring from the outside can be more or less than the cylinder wall thickness Y 1 = h ± x (claim 10 of the formula).
3.3. По расстоянию до центра кольца с внешней стороны цилиндра (Z1).3.3. By the distance to the center of the ring from the outside of the cylinder (Z 1 ).
3.3.1. Расстояние до центра кольца может быть равно половине высоты цилиндра Z1=H/2 (п.11 формулы).3.3.1. The distance to the center of the ring can be equal to half the height of the cylinder Z 1 = H / 2 (claim 11 of the formula).
3.3.2. Расстояние до центра кольца может быть больше или меньше половины высоты цилиндра Z1=H/2±x (п.12 формулы).3.3.2. The distance to the center of the ring can be more or less than half the height of the cylinder Z 1 = H / 2 ± x (paragraph 12 of the formula).
4. Кольцевой цилиндрический элемент выполняется на внутренней стороне цилиндра п.2 формулы (фиг.5).4. An annular cylindrical element is performed on the inner side of the cylinder of
Возможные варианты исполнения:Possible options:
4.1. По толщине кольца с внутренней стороны цилиндра (B2).4.1. The thickness of the ring on the inside of the cylinder (B 2 ).
4.1.1. Толщина кольца с внутренней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра B2=h (п.7 формулы).4.1.1. The thickness of the ring from the inside can be equal to the thickness of the cylinder wall B 2 = h (
4.1.2. Толщина кольца с внутренней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра B2=h±x (п.8 формулы). 4.1.2. The thickness of the ring from the inside can be more or less than the cylinder wall thickness B 2 = h ± x (claim 8).
4.2. По высоте кольца с внутренней стороны цилиндра (Y2).4.2. The height of the ring on the inside of the cylinder (Y 2 ).
4.2.1. Высота кольца с внутренней стороны может быть равна толщине стенки цилиндра Y2=h (п.9 формулы).4.2.1. The height of the ring from the inside can be equal to the thickness of the cylinder wall Y 2 = h (claim 9 of the formula).
4.2.2. Высота кольца с внутренней стороны может быть больше или меньше значения толщины стенки цилиндра Y2=h±x (п.10 формулы).4.2.2. The height of the ring from the inside can be greater or less than the cylinder wall thickness Y 2 = h ± x (claim 10 of the formula).
4.3. По расстоянию до центра кольца с внутренней стороны цилиндра (Z2).4.3. By the distance to the center of the ring from the inside of the cylinder (Z 2 ).
4.3.1. Расстояние до центра кольца может быть равно половине высоты цилиндра Z1=H/2 (п.11 формулы).4.3.1. The distance to the center of the ring can be equal to half the height of the cylinder Z 1 = H / 2 (claim 11 of the formula).
4.3.2. Расстояние до центра кольца может быть больше или меньше половины высоты цилиндра Z1=H/2±x (п.12 формулы).4.3.2. The distance to the center of the ring can be more or less than half the height of the cylinder Z 1 = H / 2 ± x (paragraph 12 of the formula).
5. Кольцевой цилиндрический элемент выполняется на внутренней и на внешней сторонах цилиндра по п.3 формулы (фиг.6).5. The annular cylindrical element is performed on the inner and outer sides of the cylinder according to
Возможные варианты исполнения:Possible options:
5.1. По толщине кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра (В1, В2).5.1. By the thickness of the ring from the outer and inner sides of the cylinder (B 1 , B 2 ).
5.1.1. Толщина кольца с внешней и внутренней сторон может быть равна толщине стенки цилиндра B1=B2=h (п.7 формулы).5.1.1. The thickness of the ring from the outer and inner sides can be equal to the thickness of the cylinder wall B 1 = B 2 = h (
5.1.2. Толщина кольца с внешней стороны может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом толщина кольца с внутренней стороны равна толщине стенки цилиндра B1=h±x, В2=h (п.13 формулы).5.1.2. The thickness of the ring from the outside can be more or less than the wall thickness of the cylinder, while the thickness of the ring from the inside is equal to the thickness of the cylinder wall B 1 = h ± x, B 2 = h (claim 13 of the formula).
5.1.3. Толщина кольца с внутренней стороны может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом толщина кольца с внешней стороны равна толщине стенки цилиндра B2=h±x, B1=h (п.14 формулы).5.1.3. The thickness of the ring from the inside can be more or less than the thickness of the cylinder wall, while the thickness of the ring from the outside is equal to the thickness of the cylinder wall B 2 = h ± x, B 1 = h (claim 14).
5.1.4. Толщина кольца с внешней и внутренней сторон может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра В1=h±x, B2=h±x (п.8 формулы).5.1.4. The thickness of the ring from the outer and inner sides can be more or less than the cylinder wall thickness B 1 = h ± x, B 2 = h ± x (claim 8 of the formula).
5.2. По высоте кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра (Y1, Y2).5.2. The height of the ring from the outer and inner sides of the cylinder (Y 1 , Y 2 ).
5.2.1. Высота кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра может быть равна толщине стенки цилиндра Y1=Y2=h (п.9 формулы).5.2.1. The height of the ring from the outer and inner sides of the cylinder can be equal to the thickness of the cylinder wall Y 1 = Y 2 = h (claim 9 of the formula).
5.2.2. Высота кольца с внешней стороны цилиндра может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом высота кольца с внутренней стороны равна толщине стенки цилиндра Y1=h±x, Y2=h (п.15 формулы).5.2.2. The height of the ring from the outside of the cylinder can be greater or less than the thickness of the cylinder wall, while the height of the ring from the inside is equal to the thickness of the cylinder wall Y 1 = h ± x, Y 2 = h (claim 15 of the formula).
5.2.3. Высота кольца с внутренней стороны цилиндра может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра, при этом высота кольца с внешней стороны равна толщине стенки цилиндра Y2=h±x, Y1=h (п.16 формулы).5.2.3. The height of the ring from the inside of the cylinder can be more or less than the thickness of the wall of the cylinder, while the height of the ring from the outside is equal to the thickness of the wall of the cylinder Y 2 = h ± x, Y 1 = h (paragraph 16 of the formula).
5.2.4. Высота кольца с внешней и внутренней сторон может быть больше или меньше толщины стенки цилиндра Y1=h±x, Y2=h±x (п.10 формулы).5.2.4. The height of the ring from the outer and inner sides can be more or less than the cylinder wall thickness Y 1 = h ± x, Y 2 = h ± x (claim 10 of the formula).
5.3. По расстояниям до центра кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра (Z1, Z2).5.3. By the distances to the center of the ring from the outer and inner sides of the cylinder (Z 1 , Z 2 ).
5.3.1. Расстояния до центра кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра могут быть равны половине высоты цилиндра Z1=Z2=H/2 (п.11 формулы).5.3.1. The distances to the center of the ring from the outer and inner sides of the cylinder can be equal to half the height of the cylinder Z 1 = Z 2 = H / 2 (claim 11 of the formula).
5.3.2. Расстояние до центра кольца с внешней стороны цилиндра может быть больше или меньше половины высоты цилиндра, при этом расстояние до центра кольца с внутренней стороны цилиндра равно половине высоты цилиндра Z1=H/2±x, Z2=H/2 (п.17 формулы).5.3.2. The distance to the center of the ring from the outside of the cylinder can be greater than or less than half the height of the cylinder, while the distance to the center of the ring from the inside of the cylinder is equal to half the height of the cylinder Z 1 = H / 2 ± x, Z 2 = H / 2 (Section 17 formulas).
5.3.3. Расстояние до центра кольца с внутренней стороны цилиндра может быть больше или меньше половины высоты цилиндра, при этом расстояние до центра кольца с внешней стороны цилиндра равно половине высоты цилиндра Z2=H/2±x, Z1=H/2 (п.18 формулы).5.3.3. The distance to the center of the ring from the inside of the cylinder can be more or less than half the height of the cylinder, while the distance to the center of the ring from the outside of the cylinder is half the height of the cylinder Z 2 = H / 2 ± x, Z 1 = H / 2 (p. 18 formulas).
5.3.4. Расстояния до центра кольца с внешней и внутренней сторон цилиндра могут быть больше или меньше половины высоты цилиндра Z1=H/2±x, Z2=H/2±x (п.12 формулы).5.3.4. Distances to the center of the ring from the outer and inner sides of the cylinder can be more or less than half the height of the cylinder Z 1 = H / 2 ± x, Z 2 = H / 2 ± x (paragraph 12 of the formula).
В качестве материала резонатора могут использоваться прецизионные сплавы со специальными физическими и физико-механическими свойствами, уровень которых определяется точными химическим составом, чистотой сплава от включений и вредных примесей, структурным состоянием и высокой точностью изготовления. Оптимальными прецизионными сплавами для металлического резонатора являются сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), которые отлично себя зарекомендовали при спаивании с различными стеклами, керамикой, слюдой и другими диэлектриками в радиолампах и электронно-лучевых приборах, для деталей измерительных приборов с постоянными размерами. Также, данные сплавы отличаются достаточной прочностью и высокой пластичностью. Это позволяет изготовлять из них продукцию в широком ассортименте, в том числе и ответственные детали для измерительных приборов.As the resonator material, precision alloys with special physical and physico-mechanical properties can be used, the level of which is determined by the exact chemical composition, alloy purity from inclusions and harmful impurities, structural state and high manufacturing accuracy. Optimal precision alloys for a metal resonator are alloys with a predetermined temperature coefficient of linear expansion (TEC), which have proven themselves when soldering with various glasses, ceramics, mica and other dielectrics in radio tubes and cathode-ray tubes, for measuring instrument parts with constant sizes. Also, these alloys are characterized by sufficient strength and high ductility. This allows them to produce products in a wide range, including critical parts for measuring instruments.
Предлагаемый металлический резонатор может быть изготовлен из прецизионных сплавов с низким ТКЛР: 36Н, 36Н-ВИ, 36НХ, 32НКД, 32НК-ВИ, 35НКТ, 39Н, 54К9Х, которые имеют ТКЛР ниже 3,5·10-6 град-1 при верхнем пределе температурного интервала не выше 100°С. Сплавы на основе системы Fe-Ni инварного состава содержат 30-40% Ni. Для получения определенных сочетаний тепловых, механических и технологических свойств их легируют хромом, кобальтом, медью, титаном и марганцем. Выбор конкретного сплава производится с учетом его ТКЛР, механических свойств, устойчивости к фазовым превращениям в интервале рабочих температур и нагрузок [Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б.Н. Арзамасов, Т.В. Соловьева, С.А. Герасимов и др.; Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т.В. Соловьевой. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 640 с.: ил.].The proposed metal resonator can be made of precision alloys with low TEC: 36N, 36N-VI, 36NX, 32NKD, 32NK-VI, 35NKT, 39N, 54K9X, which have an TEC below 3.5 · 10 -6 deg -1 at the upper limit temperature range not higher than 100 ° C. Alloys based on Inv-Fe-Ni system contain 30–40% Ni. To obtain certain combinations of thermal, mechanical and technological properties, they are alloyed with chromium, cobalt, copper, titanium and manganese. The choice of a specific alloy is made taking into account its thermal expansion coefficient, mechanical properties, resistance to phase transformations in the range of operating temperatures and loads [Reference for construction materials: Reference / B.N. Arzamasov, T.V. Solovieva, S.A. Gerasimov et al .; Ed. B.N. Arzamasova, T.V. Nightingale. - M.: Publishing House of MSTU. N.E. Bauman, 2006 .-- 640 pp., Ill.].
Опытные образцы ТВГ с предлагаемыми резонаторами с утолщением в виде кольца разработаны на ОАО "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина". Анализ основных параметров опытной партии приборов показал, что они не уступают по тактико-техническим характеристикам приборам аналогичного класса.Prototypes of TWG with the proposed resonators with a thickening in the form of a ring were developed at JSC "Arzamas Instrument-Making Plant named after PI Plandin". The analysis of the main parameters of the experimental batch of devices showed that they are not inferior in terms of tactical and technical characteristics to devices of a similar class.
Claims (44)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012101389/28A RU2521783C2 (en) | 2012-01-13 | 2012-01-13 | Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012101389/28A RU2521783C2 (en) | 2012-01-13 | 2012-01-13 | Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012101389A RU2012101389A (en) | 2013-07-27 |
| RU2521783C2 true RU2521783C2 (en) | 2014-07-10 |
Family
ID=49155286
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012101389/28A RU2521783C2 (en) | 2012-01-13 | 2012-01-13 | Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2521783C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4793195A (en) * | 1986-10-20 | 1988-12-27 | Northrop Corporation | Vibrating cylinder gyroscope and method |
| US6474161B1 (en) * | 1999-04-23 | 2002-11-05 | Sagem Sa | Gyroscopic sensor and rotation measurement apparatus constituting an application thereof |
| UA22153U (en) * | 2007-02-09 | 2007-04-10 | Ltd Liability Company Innalabs | Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration |
| RU2008125253A (en) * | 2008-06-24 | 2009-12-27 | Симоненко Дмитрий Владимирович (RU) | SENSITIVE ELEMENT OF VIBRATION CORIOLIS GYROSCOPE |
| RU2009104035A (en) * | 2009-02-05 | 2010-08-10 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (RU) | METHOD FOR INCREASING THE ACCURACY OF A METAL WAVE GYROSCOPE |
| US8011245B2 (en) * | 2005-05-31 | 2011-09-06 | Innalabs Technologies, Inc. | Sensing element of coriolis force gyroscope |
| RU109851U1 (en) * | 2011-06-02 | 2011-10-27 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | WAVE SOLID GYROSCOPE BASED ON THE SYSTEM OF RELATED RESONATORS USING THE STANDING WAVE EFFECT |
-
2012
- 2012-01-13 RU RU2012101389/28A patent/RU2521783C2/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4793195A (en) * | 1986-10-20 | 1988-12-27 | Northrop Corporation | Vibrating cylinder gyroscope and method |
| US6474161B1 (en) * | 1999-04-23 | 2002-11-05 | Sagem Sa | Gyroscopic sensor and rotation measurement apparatus constituting an application thereof |
| US8011245B2 (en) * | 2005-05-31 | 2011-09-06 | Innalabs Technologies, Inc. | Sensing element of coriolis force gyroscope |
| UA22153U (en) * | 2007-02-09 | 2007-04-10 | Ltd Liability Company Innalabs | Vibratory gyroscope sensitive to complementary acceleration |
| RU2008125253A (en) * | 2008-06-24 | 2009-12-27 | Симоненко Дмитрий Владимирович (RU) | SENSITIVE ELEMENT OF VIBRATION CORIOLIS GYROSCOPE |
| RU2009104035A (en) * | 2009-02-05 | 2010-08-10 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (RU) | METHOD FOR INCREASING THE ACCURACY OF A METAL WAVE GYROSCOPE |
| RU109851U1 (en) * | 2011-06-02 | 2011-10-27 | Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" | WAVE SOLID GYROSCOPE BASED ON THE SYSTEM OF RELATED RESONATORS USING THE STANDING WAVE EFFECT |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012101389A (en) | 2013-07-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101802552B (en) | Method for determining the rotation speed of an axisymmetric vibrating sensor and inertial device for implementing said method | |
| RU2580879C2 (en) | Microelectromechanical system for angular velocity sensor | |
| US9568314B2 (en) | Bell-shaped vibrator type angular rate gyro | |
| US9494425B2 (en) | Gyroscope and method of fabricating a resonator for a gyroscope | |
| JP6514790B2 (en) | Gyroscope | |
| JP2013253958A (en) | Vibration gyro having bias correction function | |
| JPH041862B2 (en) | ||
| WO2008054404A2 (en) | Resonant vibratory device having high quality factor and methods of fabricating same | |
| JP6278604B2 (en) | Vibration gyro with bias correction function | |
| Pan et al. | Observation and analysis of the quality factor variation behavior in a monolithic fused silica cylindrical resonator | |
| JP7284564B2 (en) | Angular rate sensor | |
| CN117330044A (en) | Hemispherical harmonic oscillator standing wave output electric signal demodulation method of hemispherical harmonic oscillator | |
| Zhou et al. | Innovation of flat gyro: Center support quadruple mass gyroscope | |
| RU123937U1 (en) | SOLID WAVE GYROSCOPE | |
| RU2521783C2 (en) | Sensitive element of solid-state wave gyroscope (versions) | |
| RU109851U1 (en) | WAVE SOLID GYROSCOPE BASED ON THE SYSTEM OF RELATED RESONATORS USING THE STANDING WAVE EFFECT | |
| Watson | Vibratory gyro skewed pick-off and driver geometry | |
| RU151978U1 (en) | SENSITIVE ELEMENT OF A WAVE SOLID GYROSCOPE | |
| Kou et al. | Design and fabrication of a novel MEMS vibrating ring gyroscope | |
| US20240053147A1 (en) | Vibrating gyrometer with planar structure | |
| US20040118204A1 (en) | Vibratory gyroscopic rate sensor | |
| Wu et al. | The study on temperature characteristics of a monolithic fused silica cylindrical resonator | |
| US20040118205A1 (en) | Vibratory gyroscopic rate sensor | |
| CN117928605B (en) | Error analysis method for hemispherical resonator gyro quadrature control | |
| CN116429281B (en) | Resonator based on array structure and temperature measurement method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |