Твердотельный волновой гироскоп с оптическими датчиками колебаний резонатора

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть использовано для измерения углов в системах управления. Твердотельный волновой гироскоп содержит резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов управления, по меньшей мере два источника оптического излучения, по меньшей мере один фоточувствительный приемник. Источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены так, что край торцевой поверхности резонатора частично перекрывает оптическое излучение источников. При колебаниях резонатора изменяется величина оптического потока источников оптического излучения, перекрывающегося торцевой или внутренней поверхностью резонатора, и попадающего на фоточувствительные приемники. Параметры колебаний резонатора определяют путем выполнения действий над сигналами фотоприемников. При этом повышается точность и упрощается конструкция прибора. 2 с. п.формулы, 4 ил.

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

Известен твердотельный волновой гироскоп с оптическими датчиками колебаний резонатора [1], содержащий резонатор, изготовленный из оптически прозрачного материала, и одна из поверхностей которого выполнена светоотражающей. Недостатком этой конструкции можно считать то, что нельзя использовать резонаторы из непрозрачных материалов.

Этот недостаток устранен в конструкции твердотельного волнового гироскопа с оптическими колебаниями резонатора [2], в котором часть поверхности резонатора выполнена светоотражающей. Оптическое излучение направляют на резонатор. Отражаясь от светоотражающей поверхности резонатора, излучение попадает на фоточувствительные приемники, выполняя действия над сигналами фотоприемников, определяют параметры колебаний резонатора.

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

Для получения указанного технического результата представлен твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде

осесимметричного тонкостенного элемента, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов управления, по меньшей мере два источника оптического излучения расположенные под углом 45 градусов друг к другу относительно оси симметрии, по меньшей мере один фоточувствительный приемник, источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены так, что край торцевой поверхности резонатора по меньшей мере частично перекрывает оптическое излучение источников, электронный блок управления, соединенный с электродами управления и содержащий устройства управления источниками оптического излучения, соединенные с источниками оптического излучения, и устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников, соединенные с фоточувствительными приемниками, для выделения сигналов колебаний резонатора, снимаемых с фотоэлектрических преобразователей перемещений, образованных источниками оптического излучения, краем торцевой поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками.

Отличительными признаками в заявляемой конструкции является то, что:

- что источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены так, что край торцевой поверхности резонатора по меньшей мере частично перекрывает оптическое излучение источников;

- фотоэлектрические преобразователи перемещений образованы источниками оптического излучения, краем торцевой поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками.

Предложенный способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа заключается в том, что генерируют оптические излучения, направляют их на фоточувствительные приемники и определяют параметры

одной или более стоячих волн, выполняя действия над сигналами фоточувствительных приемников, причем краем торцевой поверхности резонатора по меньшей мере частично перекрывают оптическое излучение источников.

Отличительными признаками данного способа является то, что используя для определения параметров колебаний резонатора фотоэлектрические преобразователи перемещений, оптическое излучение источников по меньшей мере частично перекрывают торцевой поверхностью резонатора, что повышает точность измерения колебаний резонатора.

Предлагаемая конструкция и способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа позволяет значительно упростить конструкцию прибора, повысить точность измерения параметров колебаний резонатора и, соответственно, точность прибора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фигурах 1-4.

Фиг.1 показывает общий вид предлагаемого варианта конструкции твердотельного волнового гироскопа.

Фиг.2 показывает изменение величины оптического потока источников оптического излучения на фоточувствительных приемниках при колебаниях резонатора. Фиг.2А соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном на нижнем основании корпуса, с источником оптического излучения, расположенным на нижнем основании корпуса. Фиг.2Б соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном на нижнем основании корпуса с источником оптического излучения, расположенным на нижнем основании

корпуса, Фиг.2В соответствует положению пучности стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном на нижнем основании корпуса с источником оптического излучения, расположенным на верхнем основании корпуса. Фиг.2Г соответствует положению узла стоячей волны на фоточувствительном приемнике, расположенном на нижнем основании корпуса с источником оптического излучения, расположенным на верхнем основании корпуса.

Фиг.3 показывает вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения и фоточувствительными приемниками, расположенными на нижнем основании корпуса. Фиг.3А показывает конструкцию твердотельного волнового гироскопа, Фиг.3Б показывает взаимное расположение источников оптического излучения и фоточувствительных приемников, Фиг.3В показывает функциональную схему устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Фиг.4 показывает вариант конструкции твердотельного волнового гироскопа с источниками оптического излучения, расположенными на верхнем основании корпуса и фоточувствительными приемниками, расположенными на нижнем основании корпуса. Фиг.4А показывает конструкцию твердотельного волнового гироскопа, Фиг.4Б показывает взаимное расположение торцевой поверхности резонатора и фоточувствительных приемников, Фиг.4В показывает функциональную схему устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников.

Твердотельный волновой гироскоп (фиг.1), содержит полусферический резонатор 1 с торцевой поверхностью 2 и металлизированной внутренней поверхностью 3, нижнее основание корпуса 4 с источниками оптического

излучения 5, шестнадцатью электродами управления 6, кольцевым электродом управления 7, фоточувствительными приемниками 8.

Способ считывания и управления твердотельного волнового гироскопа заключается в том, что генерируют оптические излучения источниками оптического излучения 5, направляют их через резонатор 1, торцевая поверхность 2 которого частично перекрывает световой поток на фоточувствительные приемники 8, при колебаниях резонатора величина светового потока изменяется, определяют параметры одной или более стоячих волн, выполняя операции обработки сигналов фоточувствительных приемников, включающих например, усиление и преобразование сигналов.

Твердотельный волновой гироскоп работает следующим образом. При включении гироскопа происходит возбуждение колебаний резонатора на одной из собственных мод стоячих волн электродом управления, подключенным к схеме возбуждения электронного блока управления. При колебаниях резонатора изменяется величина оптического потока источников оптического излучения 5 перекрывающегося торцевой поверхностью 2 или внутренней поверхностью 3 и попадающего на фоточувствительные приемники 8. Если пучность стоячей волны находится в центре фоточувствительного приемника, изменение величины оптического потока максимально (Фиг.2А, 2В), а при нахождении в центре фоточувствительного приемника узла стоячей волны, изменения величины оптического потока не происходит (Фиг.2Б, 2Г). При нахождении стоячей волны между фоточувствительными приемниками изменение величины оптического потока для второй собственной моды стоячей волны по соответствующим осям пропорционально удвоенному косинусу и синусу угла положения пучности стоячей волны. Изменение оптического потока вызывает

изменение величины, например, светового тока для фотодиодов и, соответственно, изменение амплитуды напряжений на выходе усилителей фототока.

Предлагается несколько вариантов расположения источников оптического излучения и фоточувствительных приемников. В первом варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа источники оптического излучения и фоточувствительные приемники могут быть расположены на нижнем основании корпуса 4 (Фиг.1, Фиг.2А, 2Б, Фиг.3А, 3Б). Во втором варианте конструкции твердотельного волнового гироскопа источники оптического излучения могут быть расположены на верхнем основании корпуса 11, а фоточувствительные приемники могут быть расположены на нижнем основании корпуса 4 (Фиг.4А).

Конструкция первого варианта твердотельного волнового гироскопа, приведенная на (Фиг.1), показана на (Фиг.3А). Источники оптического излучения и11, и12, и13, и14 и соответствующие фоточувствительные приемники п11, п12, п13, п14 расположены по первой оси колебаний резонатора, а источники оптического излучения и21, и22, и23, и24 и соответствующие фоточувствительные приемники п21, п22, п23, п24 расположены по второй оси колебаний резонатора на нижнем основании корпуса 4 (Фиг.3Б). Сигналы с фоточувствительных приемников подаются на устройство преобразования сигналов фоточувствительных приемников, содержащее, например, усилители фототока 9 и дифференциальные усилители 10 (Фиг.3В).

Конструкция второго варианта твердотельного волнового гироскопа показана на (Фиг.4А). Фоточувствительные приемники nil, п12, п13, п14

расположены по первой оси колебаний резонатора, а фоточувствительные приемники п21, п22, п23, п24 расположены по второй оси колебаний резонатора на нижнем основании корпуса 4 (Фиг.4Б), а источники оптического излучения расположены на верхнем основании корпуса 11 (Фиг.4А) напротив соответствующих фоточувствительных приемников. Сигналы с фоточувствительных приемников подаются на устройство преобразования сигналов фоточувствительных приемников, содержащее, например, усилители фототока 9 и дифференциальные усилители 10 (Фиг.4В).

Напряжения с выходов устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников Vc и Vs, пропорциональные сигналам колебаний резонатора по соответствующим осям, подаются на входы устройства стабилизации амплитуды колебаний, устройства возбуждения и подавления квадратурных составляющих колебаний, устройства вычисления угла электронного блока управления.

В электронном блоке управления могут быть применены устройства управления источниками оптического излучения, позволяющие регулировать величину оптического излучения источников, что позволяет скомпенсировать погрешности сборки прибора и разницу в чувствительности фотоприемников.

В электронном блоке управления могут быть применены аналого-цифровые преобразователи суммарных сигналов и цифровые процессоры обработки сигналов для выполнения операций цифровой обработки сигналов колебаний резонатора твердотельного волнового гироскопа.

Испытания заявляемых конструкций твердотельного волнового гироскопа проводились с резонатором диаметром 30 мм и частотой собственных колебаний 5,7 кГц, с металлизацией внутренней поверхности и

полированной торцевой поверхностью. В качестве источников оптического излучения использовались светодиоды, а в качестве фоточувствительных приемников использовались фотодиоды. Расстояние от источников оптического излучения и фоточувствительных приемников до торцевой поверхности резонатора составляло ˜1 мм.

При амплитуде колебаний резонатора на воздухе 1 мкм амплитуда выходного сигнала для схемы фиг.4 составляла около 400 мВ.

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

Твердотельный волновой гироскоп, содержащий резонатор в виде осесимметричного тонкостенного элемента, корпус, на котором закреплены резонатор, множество электродов управления, по меньшей мере два источника оптического излучения, расположенные под углом 45° друг к другу относительно оси симметрии, по меньшей мере один фоточувствительный приемник, электронный блок управления, соединенный с электродами управления и содержащий устройства управления источниками оптического излучения, соединенные с источниками оптического излучения, и устройства преобразования сигналов фоточувствительных приемников, соединенные с фоточувствительными приемниками, для выделения сигналов колебаний резонатора, снимаемых с фотоэлектрических преобразователей перемещений, отличающийся тем, что источники оптического излучения и фоточувствительные приемники расположены так, что край торцевой поверхности резонатора по меньшей мере частично перекрывает оптическое излучение источников, фотоэлектрические преобразователи перемещений образованы источниками оптического излучения, краем торцевой поверхности резонатора и фоточувствительными приемниками.