Модернизированный твердотельный волновой гироскоп Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 535.44

В.Л. Румянцев

магистрант, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

А.Н. Долгов

канд. техн. наук, доцент кафедры «Авиационные приборы и устройства»,

Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВОЛНОВОЙ ГИРОСКОП

Аннотация. В статье предложена модернизация системы возбуждения колебаний резонатора волнового твердотельного гироскопа, что позволяет улучшить точностные характеристики. Раскачка резонатора комбинированная и основана на электромагнитном и электростатическом способах, комплексный подход при использовании грубых и точных силовых элементов обеспечивает увеличение стабильности колебаний чувствительного элемента в рабочем режиме и, как следствие, снижение дрейфа нулевого сигнала. Описана конструкция разработанного гироскопа, а так же методика и результаты испытаний.

Ключевые слова: волновой твердотельный гироскоп, система возбуждения резонатора, испытания волнового гироскопа.

V.L. Rumuancev, Nizhny Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)

A.N. Dolgov, Nizhny Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)

MODERNIZED SOLID-STATE WAVE GYROSCOPE

Abstract. The article deals with the modernization of the excitation of the resonator solid-state wave gyroscope that improves accuracy characteristics. Vibration excitation system based on the combine electromagnetic and electrostatic methods, using a comprehensive approach of coarse and fine power elements provides increased stability of the oscillation sensor at run time and, consequently, reduced drift of the zero signal. The article is describes structure solid-state wave gyroscope and methods of tests and their results.

Keywords: solid-state wave gyro, excitation of the resonator, tests of wave gyroscope.

Преимуществами волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) являются: высокая точность, малое потребление мощности, конструктивная простота механических узлов, устойчивость к прерыванию подачи электропитания, малое время готовности, широкий диапазон рабочих температур, устойчивость к воздействию ионизирующего излучения, малая чувствительность к линейным перегрузкам, большой срок службы, возможность применения автоматизированного производства при изготовлении ВТГ. Видно, что потребность в таких видах гироскопах возрастает, так как растёт число современных публикаций [1; 2].

Принцип действия ВТГ основан на свойстве изгибных колебаний резонатора, сохранять ориентацию в пространстве. При вращении ВТГ положение изгибных колебаний полусферического или цилиндрического резонатора (угла волны) изменяется пропорционально углу поворота резонатора, причем коэффициент пропорциональности (масштабный коэффициент) отличен от единицы. Измерение угла волны позволяет найти угол поворота резонатора относительно инерциального пространства.

ВТГ состоит из чувствительного элемента (резонатора), системы возбуждения колебаний, системы съема информации, электронный узел обработки сигнала, а также корпусные, опорные и вспомогательные детали.

Существует несколько способов возбуждения колебаний резонатора, для получения стоячей волны, и системы съёма сигнала, для обнаружения положения стоячей волны в инерциальном пространстве.

Для возбуждения колебаний резонаторов ВТГ могут использоваться следующие способы: индукционный, электромагнитный, пьезоэлектрический, электростатический. Для

снятия выходного сигнала также возможно использовать один из следующих: индукционный, электромагнитный, пьезоэлектрический, емкостной, фотоэлектрический. Выбор зависит от технического задания, условий эксплуатации и т.д.

На АО ,,АПЗ" был разработан и собран макетный образец ВТГ, в котором система возбуждения колебаний резонатора комбинированная и основана на электромагнитном и электростатическом способах, а для съёма выходной характеристики используется емкостной. Комплексный подход при использовании грубых (электромагниты) и точных (электроды конденсатора) силовых элементов обеспечивает увеличение стабильности колебаний чувствительного элемента в рабочем режиме и, как следствие, снижение дрейфа нулевого сигнала [3; 4].

Рисунок 1 - Волновой твердотельный гироскоп

Данный гироскоп состоит из корпуса поз. 2, в который установлены гермовводы поз. 3 и измерительный узел поз. 1. К корпусу закрепляются электромагниты поз. 4, а также установлены элементы: платы электроники поз. 8, втулки поз. 5, шайбы под винт поз. 6 и винт поз. 7, поверх которых установлен защитный кожух поз. 9, предохраняющий прибор от воздействия внешних факторов. Во внутренней полости прибора создается вакуум. Измерительный узел состоит из датчика угла (ДУ), резонатора в форме цилиндра, датчика раскачки (ДР) и термодатчика.

Был исследован и испытан макетный образец. Целью испытаний было определить функционирование макетного образца и отработать электрическую схему подключения узла раскачки и каналов съема информации о движении резонатора.

Макетный образец необходимо проверить на соответствии электрической схемы, изображенной на рис. 2, для допуска к испытаниям. Электрический мост должен быть

сбалансирован при отсутствии входного воздействия. Критерием регулировки моста датчика угла является минимизация нулевого сигнала с ДУ при невозбужденном резонаторе. На контакты 12 - 14 было подано переменное напряжение питания ДУ амплитудой 5 В. частотой 120 кГц, а на контакты 9 (13) и 4 - переменное напряжение амплитудой 5 В, частотой 10 кГц. Для проверки системы возбуждения на неё были поданы сигналы разной формы (в виде меандра и синусоидальная формы). Съём выходного сигнала производился с электродов датчика угла.

Рисунок 2 - Электрическая схема макетного образца

При возбуждении резонатора с помощью электромагнитного канала ДР было обнаружено наведение сигнала с обмоток И - 1_4, обусловленное токами Фуко. Форма и частота наводимого сигнала совпадает с формой и частотой напряжения, подаваемого на электромагнитный канал ДР, при этом амплитуда наводимого сигнала прямо пропорциональна амплитуде напряжения, подаваемого на электромагнитный канал (см рисунок 3).

При возбуждении резонатора с помощью электростатического канала ВР было обнаружено наведение сигнала с емкостей СР11 - СР42 (6 и 8 контакты), обусловленное тем, что при данном способе возбуждения колебаний резонатора общая точка источников напряжения возбуждения электрически связана (через резонатор) с каналами ДУ. Форма и частота наводимого сигнала совпадает с формой и частотой напряжения, подаваемого на электромагнитный канал ДР, при этом амплитуда наводимого сигнала прямо пропорциональна амплитуде напряжения, подаваемого на электростатический канал ДР, но примерно в 2 раза

меньше, чем при электромагнитной раскачке резонатора (см. рисунок 4).

а) 6)

Рисунок 3 - Сигнал с ДУ при напряжении возбуждения различной формы: а - при форме напряжения, подаваемого на ДР, в виде меандра; б - при синусоидальной форме напряжения, подаваемого на ДР

а) о)

Рисунок 4 - Сигнал с ДУ при напряжении возбуждения различной формы: а - при синусоидальной форме напряжения, подаваемого на ДР; б - при форме напряжения, подаваемого на ДР, в виде меандра

Было обнаружено, что при возбуждении резонатора с помощью электромагнитного канала ДР необходимо использовать съём сигнала, основанный на электромагнитном принципе, или использовать возбуждение резонатора с помощью электромагнитного канала ДР для начальной раскачки резонатора, когда съём сигнала с ёмкостей ДУ не ведется. А так же при возбуждении резонатора с помощью электростатического канала ДР необходимо предусмотреть гальваническую развязку с генератором переменного тока и резисторы, соединённые параллельно с измерительными емкостями для исключения пробоя между обкладками конденсаторов электростатического канала ДР.

Испытания макета подтверждают положительные свойства комбинированной системы возбуждения. В дальнейшем необходимо продолжить работу в этом направлении.

Список литературы:

1. М. А. Басараб, Б. С. Лунин, В. А. Матвеев, Е. А. Чуманкин. Балансировка полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов методом химического травления // Гироскопия и навигация. - 2015, № 1.

2. М. А. Басараб, Б. С. Лунин, В. А. Матвеев, Е. А. Чуманкин Нелинейные эффекты в динамике цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа с электростатической системой управления // Гироскопия и навигация. - 2015, № 1.

3. Способ возбуждения колебаний в чувствительном элементе твердотельного волнового гироскопа и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2518632 05.09.2012.

4. Твердотельный волновой гироскоп. Патент РФ № 123937 22.05.2012.