Гироскопический измеритель угловой скорости

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, космический корабль, ракета и другие, где требуется информация об угловых скоростях и ускорениях. ГИУС - гироскопический указатель угловой скорости - прибор измеряющий проекцию мгновенной угловой скорости объекта на одну из осей связанной с объектом системы координат O. Датчик угла - это устройство преобразующий измеряющий угол в напряжение переменного тока пропорциональное по амплитуде величине и соответствующее по фазе знаку измеряемой угловой скорости. ГИУС содержит двухстепенный гироскоп, закрепленный на восьми кварцевых пластинах расположенных крестообразно, т.е. по четыре пластины с каждой стороны прибора. На цапфах поплавковой камеры установлены с одной стороны ротор датчика угла, а с другой стороны ротор датчика момента. Статоры датчика момента и датчика угла установлены в корпусе. При появлении абсолютной угловой скорости в гиромоторе возникает гироскопический момент, под действием которого происходит поворот поплавковой камеры вокруг ее оси подвеса OY. Закрепленный на нем ротор датчика угла (ДУ) также начинает поворачиваться относительно неподвижно закрепленного на корпусе статор ДУ, в результате чего в сигнальных обмотках ДУ возникает ЭДС, которая поступает через усилитель обратной связи (УОС) на датчик момента (ДМ), который возвращает рамку в исходное положение. Поворот поплавковой камеры гироскопа происходит до тех пор, пока гироскопический момент не будет уравновешен моментом электрической пружины упругим моментом кварцевого подвеса. Датчик угла преобразует угол поворота рамки гироскопа в напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорциональна углу, а фаза - направлению поворота рамки гироскопа. Также в приборе предусмотрена «электрическая» пружина, включающая в себя датчик угла, усилитель обратной связи и датчик момента для возвращения поплавковой камеры гироскопа в исходное положение. Осуществляется это путем подачи напряжения постоянного тока от усилителя на компенсационную обмотку датчика момента. Внутренняя полость прибора заполнена жидкостью, обеспечивающей гидростатическую разгрузку опор и повышенную виброустойчивость и удароустойчивость прибора. Для компенсации температурных изменений в приборе установлен сильфон. Все соединения прибора герметизированы электронно-лучевой сваркой. Для защиты от внешних магнитных полей прибор закрывается двумя колпачками из магнитомягкого материала. Технико-экономический эффект от данного изобретения будет следующий: обеспечение высокой точности измерения угловой скорости движения подвижного объекта, удешевление конструкции приборы за счет использования кварцевого стекла в качестве подвеса.

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, космический корабль и других, где требуется информация об угловых скоростях, повышенной точности.

Известен гиротахометр, разработанный в открытом акционерном обществе (ОАО) "Специальное конструкторское бюро приборостроения и автоматики" Владимирская обл., (патент РФ 2367962 МПК: G01P 9/02, опубликовано: 20.09.2009). Гиротахометр содержит гироузел, установленный на подшипниках в корпусе прибора с возможностью поворота относительно оси подвеса, торсион, электрический демпфер и датчик угла поворота гироузла. Демпфер выполнен в виде диска из материала с малым удельным сопротивлением, закрепленного на оси гироузла и магнитной системы, закрепленной на корпусе прибора и выполненной в виде двух колец из магнитомягкого материала, расположенных с разных сторон диска по оси прибора с минимальными зазорами и с возможностью перемещения по оси гироузла. На одном кольце со стороны диска расположены высокоэнергетические постоянные магниты с намагниченностью вдоль оси прибора и равномерно расположенные по всей площади кольца с чередующейся полярностью, образуя полное количество пар полюсов. Техническим результатом гиротахометра является повышение степени успокоения колебаний гироузла при одновременном уменьшении габаритов прибора, а также обеспечение возможности регулировки степени успокоения колебаний гироузла.

Известен также двухстепенный поплавковый гироскопический измеритель угловой скорости, разработанный в ФГУП ЦНИИ «Электроприбор» (патент РФ 2229100, МПК: G01C 19/20, опубликовано 20.11.2002). Гироскоп содержит цилиндрический корпус с двумя торцевыми крышками, цилиндрическую поплавковую камеру с гиромотором, размещенную в корпусе на ограничительных камневых опорах. Зазор между корпусом и поплавковой камерой заполнен поддерживающей жидкостью большой плотности. На оси ОХ подвеса камеры размещены датчик угла и датчик момента. На торцевой крышке установлен сильфон. На наружной цилиндрической поверхности корпуса размещены обмотка обогрева и обмотка термодатчика. В корпусе прибора соосно с ним установлен тонкостенный цилиндр. При этом каналы для перетекания жидкости образованы прямоугольными канавками, выполненными на наружной поверхности тонкостенного цилиндра вдоль его продольной оси и внутренней поверхностью корпуса. Длину цилиндра выбирают такой, чтобы при установке его в корпус суммарный зазор (₁+₂) между торцами цилиндра и внутренними поверхностями крышек был не менее удвоенного значения глубины канавок для перетекания жидкости. Цилиндр устанавливают так, чтобы при установке торцевых крышек размер зазора (₁ или ₂) между каждым торцом цилиндра и внутренней поверхностью соответствующей торцевой крышки был не менее значения глубины h канавки для перетекания жидкости. Техническим результатом является повышение точности прибора.

Недостатком этого гироскопа является недостаточно высокая точность из-за момента силы трения в опорах скольжения, что объясняется тем, что чувствительные элементы - гироузлы совершают повороты вокруг оси подвеса в опорах скольжения или качения. Поэтому повышение точности этого класса гироскопов может быть достигнуто за счет снижения момента силы трения.

Прибор по патенту 2229100 принят в качестве прототипа.

Задачей данной полезной модели является устранение указанного недостатка.

Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости.

Поставленная Задача решается за счет того, что в гироскопическом измерителе угловой скорости, содержащем расположенную в корпусе поплавковую камеру с гиромотором с закрепленными на ней роторами датчика угла индукционного типа и датчика момента магнитоэлектрического типа, опоры подвеса, при этом выход датчика угла через усилитель - преобразователь и корректирующее устройство соединен с компенсационной обмоткой датчика момента так, что они образуют «электрическую пружину», в которой выполнено устройство съема выходной информации, согласно предлагаемому техническому решению опоры подвеса поплавковой камеры выполнены в виде пары крестообразных плоских кварцевых пластин, каждая состоящая из цилиндрических фланца большего и втулки меньшего диаметров с продольными осевыми заглушенными пазами, в которые вставлены торцевые стороны пластин, прижаты накладкой к заглушенным пазам, при этом цилиндрическая поверхность фланца укреплена в корпусе, а втулка закреплена на соответствующей цапфе поплавковой камеры, причем общая жесткость «электрической» и механической, в виде кварцевых пластин, пружин должна быть такой, чтобы максимальный угол отклонения поплавковой камеры от исходного положения составлял интервал от нуля до десяти угловых секунд, устройство съема выходной информации выполнено на микроконтроллере и соединено с выходом по току компенсационной обмотки датчика момента и с выходом датчика угла, выходной сигнал же устройства съема выходной информации по угловой скорости формируется по алгоритму:

где: - оценка выходной информации по угловой скорости; К _ДМ - крутизна характеристики датчика момента; Н - кинетический момент; I - ток в обмотках датчика момента; К_П - коэффициент жесткости кварцевого подвеса; - оценка угла поворота поплавковой камеры; U_ДУ - выходное напряжение с датчика угла; R_ЭT - сопротивление эталонного резистора.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема гироскопического измерителя угловой скорости с кварцевым подвесом.

На фиг. 2 представлена кинематическая схема гироскопического измерителя угловой скорости с кварцевым подвесом.

На фиг. 3 и фиг. 4 представлена конструкция кварцевого подвеса.

На фиг. 5 представлена электрическая схема гироскопического измерителя угловой скорости с кварцевым подвесом.

На фиг 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - гиромотор, 2 - поплавковая камера, 3 - статор датчика угла, 4 - статор датчика момента, 5 - кварцевые пластины, 6 - усилитель обратной связи, 7 - ротор датчика угла, 8 - ротор датчика момента, 9 - корпус прибора, 10, 15 - торцевые крышки, 11 - фланец, 12 - накладка, 13 - втулка, 14 - цапфа, 16 - сильфон, 17 - обмотка обогрева и обмотка термодатчика.

Предлагаемый гироскоп (Фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 9 с двумя торцевыми крышками 10 и 15, цилиндрическую поплавковую камеру 2 с гиромотором 1, размещенную в корпусе 9 на ограничительных кварцевых опорах, которые состоят из восьми кварцевых пластин 5 расположенных крестообразно (Фиг. 3). Втулка 13 имеет продольные заглушенные пазы, в которые вставляются торцевые концы кварцевых пластин 5, другие торцевые концы кварцевых пластин помещаются в пазы расположенные на фланце 11 и зажимаются накладкой 12, после чего фланец 11 и накладка 12 сжимаются и свариваются лазерной сваркой (Фиг. 4). Втулки 13 установлены на цапфы 14, сваренные фланцы 11 и накладки 12 установлены с натягом в торцевые крышки 10 и 15, соответственно. Втулка 13, фланец 11 и накладка 12 изготавливаются из специального сплава 33Н4КА, во избежание разрушения опор при тепловых воздействиях на прибор. 33Н4КА имеет коэффициент температурного расширения близкий к коэффициенту температурного расширения кварцевого стекла. Зазор между корпусом 9 и поплавковой камерой 2 заполнен поддерживающей жидкостью большой плотности для разгрузки кварцевых опор. На оси подвеса поплавковой камеры 2 размещены роторы датчика угла 7 и датчика момента 8. Статоры датчика угла 3 и датчика момента 4 устанавливаются в корпусе 9. На торцевой крышке 15 установлен сильфон 16 для компенсации объемного расширения жидкости. На наружной цилиндрической поверхности корпуса 9 размещены обмотка обогрева и обмотка термодатчика 17. Подвод питания к датчику угла и гиромотору, а также съем выходного сигнала осуществляется через гермовыводы, расположенные в поплавковой камере 2 и торцевой крышке 10. Подвод питания к датчику момента осуществляется через выводы, расположенные в торцевой крышке 15. Подвод электрических напряжений к гиромотору осуществляется через напыление тонкого слоя проводника на кварцевых пластинах 5, с целью избавиться от момента тяжения токоподводов (гермовыводы и напыление тонкого слоя проводника на чертежах не показано). Данный прибор включается (Фиг. 5) в бортовую сеть питания постоянного напряжения 27 вольт. Вторичный источник питания преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение 38 вольт частотой 800 герц и 20 вольт частотой 8192±1,6 герц, которое подается соответственно в обмотки гиромотора и в обмотку возбуждения датчика угла. Далее выходное напряжение с сигнальных обмоток датчика угла подается через усилитель обратной связи (УОС) на компенсационную обмотку датчика момента. В данном приборе применены следующие датчики: датчик угла индукционного типа и датчик момента магнитоэлектрического типа. Выбранные датчики, обладают улучшенными характеристиками по отношению к другим типам датчиков.

Назначение электрических цепей следующее (Фиг. 5):

- контакты 1, 2 предназначены для подачи напряжения переменного тока в обмотку возбуждения датчика угла;

- контакты 3, 4, 5 предназначены для подачи напряжения переменного тока на гиромотор;

- контакты 6, 7 предназначены для съема выходного напряжения переменного тока с сигнальной обмотки датчика угла;

- контакты 8, 9 предназначены для подачи постоянного тока в обмотку имитации датчика момента;

- контакты 10, 11 предназначены для подачи постоянного тока в обмотку компенсации датчика момента.

При появлении абсолютной угловой скорости (Фиг. 2) в гиромоторе 1 возникает гироскопический момент, под действием которого происходит поворот поплавковой камеры 2 вокруг ее оси подвеса OY. Закрепленный на нем ротор 7 датчика угла (ДУ) также начинает поворачиваться относительно неподвижно закрепленного на корпусе 9 статора ДУ 3, в результате чего в сигнальных обмотках ДУ возникает ЭДС, которая поступает через усилитель обратной связи (УОС) на датчик момента (ДМ) 8, который возвращает рамку в исходное положение. Поворот поплавковой камеры гироскопа происходит до тех пор, пока гироскопический момент не будет уравновешен моментом 8 электрической пружины упругим моментом кварцевого подвеса 5 . Датчик угла преобразует угол поворота рамки гироскопа в напряжение переменного тока, амплитуда которого пропорциональна углу, а фаза - направлению поворота рамки гироскопа. Также в приборе предусмотрена «электрическая» пружина, включающая в себя датчик угла, усилитель обратной связи и датчик момента для возвращения поплавковой камеры гироскопа в исходное положение. Осуществляется это путем подачи напряжения постоянного тока от усилителя на компенсационную обмотку датчика момента.

В установившемся режиме имеет место соотношение:

Сигналы с выходов датчика угла (U _ДУ) и с обмотки датчика момента (I) поступают на вход вычислителя выходного сигнала.

Определяем оценку измеряемой угловой скорости. Здесь - оценка угла поворота поплавкового гироскопа. Технический результат состоит в том, что установлены опоры скольжения в приборе и применен кварцевый упругий подвес, обладающий очень малым гистерезисом. Коэффициент жесткости компенсационной обратной связи («электрической» пружины) делается очень большой жесткости в 100-1000 раз больше, чем у кварцевого подвеса. Покажем это в примере расчета параметров гироскопического измерителя угловой скорости.

Кинетический момент гироскопа Н=149 сН*см*с, входная угловая скорость =0.17 рад/с, тогда

М_Г=Н·=149·0.17=25.3 сН·см

_MAX=2.05 угл сек

Из (1) имеем:

Жесткость кварцевого подвеса должна быть малой по отношению к общей жесткости, например:

K_n=10⁴2·10³, сН·см/рад

Рассчитаем размеры кварцевых пластин подвеса.

Представим одну кварцевую пластину в виде консольной балки, с действующей силой F на противоположном конце от места закрепления. Длина одной кварцевой пластины r=2.5 мм (0.25 см), всего используется восемь кварцевых пластин по четыре штуки в подвесе.

Найдем силу F, действующую на кварцевую пластину

М_Г=Н·

Определим осевой момент инерции кварцевой пластины по формуле:

где b, h - ширина и толщина кварцевой пластины соответственно.

Зададим ширину и толщину кварцевой пластины и произведем необходимые расчеты (b=2 мм; h=0.2 мм).

Определим максимальный прогиб пластины по формуле:

где: Е - модуль Юнга (для кварцевого стекла 74 ГПа или 74·10⁹ Нм²)

Определим угол поворота кварцевой пластины по формуле, считая F=12.65 сН:

Определим коэффициент жесткости одной кварцевой пластины по формуле:

Не трудно видеть, что коэффициент жесткости подвеса из 8 кварцевых пластин будет равен:

Коэффициент жесткости кварцевого подвеса составляет от общего коэффициента жесткости:

Но его влияние компенсируется в вычислители благодаря оценке (3), установившийся момент сил от кварцевых пластин. Общая точность представленного гироскопического измерителя угловой скорости будет выше в несколько раз, чем точность прототипа. Надежность поплавковой камеры будет выше, так как будут отсутствовать камневые опоры скольжения.

Гироскопический измеритель угловой скорости, содержащий расположенную в корпусе поплавковую камеру с гиромотором с закрепленными на ней роторами датчика угла индукционного типа и датчика момента магнитоэлектрического типа, опоры подвеса, при этом выход датчика угла через усилитель-преобразователь и корректирующее устройство соединен с компенсационной обмоткой датчика момента так, что они образуют "электрическую пружину", в которой выполнено устройство съёма выходной информации, отличающийся тем, что опоры подвеса поплавковой камеры выполнены в виде пары крестообразных плоских кварцевых пластин, каждая состоящая из цилиндрических фланца большего и втулки меньшего диаметров с продольными осевыми заглушенными пазами, в которые вставлены торцевые стороны пластин, прижаты накладкой к заглушенным пазам, при этом цилиндрическая поверхность фланца укреплена в корпусе, а втулка фланца закреплена на соответствующей цапфе рамки, причем общая жесткость "электрической" и механической в виде кварцевых пластин пружин должна быть такой, чтобы максимальный угол отклонения поплавковой камеры от исходного положения составлял интервал от нуля до десяти угловых секунд, устройство съёма выходной информации выполнено на микроконтроллере и соединено с выходом по току компенсационной обмотки датчика момента и с выходом датчика угла, выходной сигнал же устройства съёма выходной информации по угловой скорости формируется по алгоритму:

,

,

где- оценка выходной информации по угловой скорости; К _ДМ - крутизна характеристики датчика момента; H - кинетический момент; I - ток в обмотках датчика момента; К_П - коэффициент жесткости кварцевого подвеса; - оценка угла поворота поплавковой камеры; U_ДУ - выходное напряжение с датчика угла; R_ЭТ - сопротивление эталонного резистора.