2)Обзор принципов и схем построения струйного двухкомпонентного датчика угловой скорости (дус) по материалам патентно-реферативного поиска.

Цель патентно-реферативного анализа заключается:

• в поиске публикаций (периодических и систематических) по теме КП, а также анализ этих материалов для выявления основных направлений развития принципов и схем построения датчика перепада давления в России и зарубежом;

• в оценке состояния разработок аналоговых устройств, перспектив их внедрения;

• в выявлении ведущих фирм и стран в производстве вышеуказанных устройств;

• в выявлении патентной ситуации по анализируемой тематике.

В соответствии с поставленной целью предварительных исследований был определен регламент поиска, предполагающий поиск по источникам патентной информации России (СССР) и ведущими зарубежными странами (США, Германия, Япония и др., в объеме патентного фонда КГТУ им. А.Н.Туполева, Татарского центра научно-технической информации (ТатЦНТИ) и Национальной библиотеки РТ.

Регламент поиска: по патентно-реферативным материалам: МКИ - G 01 P 9/00, G 01 P 9/04(2003-2013 гг.).

№ п/п	Количество патентов Года	2003	2006	2010	2011	2012	2013
1	РФ	1	2	1	1	2	1

№1 СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

В измерительной технике для преобразования угловых скоростей движущихся объектов в электрический сигнал используется данный струйный датчик угловой скорости. Его цель повышение точности преобразования струйного датчика угловой скорости достигается путем стабилизации расхода газа цепи датчика. Датчик содержит герметичный корпус 1 (см. рис. 2.1.), нагнетатель 2, рабочее сопло 3, рабочую камеру 4 с каналом обратного хода газа 7, термоанеморезисторы 5 и 6, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи датчика. Система стабилизации включает в себя термоанеморезистор-излучатель 8 и термоанеморезистор-приемник 9, установленные в канале обратного хода газа 7, генератор тепловой метки 11, регистратор тепловой метки 10, формирователь временного интервала 12, схему управления 13, генератор тактирующих импульсов 14, счетчик 15, регистр 16, ЦАП 17, задачик эталонного сигнала 18, схему сравнения 19, интегратор 20, усилитель-преобразователь 21.

Рисунок 2.1 – струйный датчик угловой скорости

Выход генератора тепловой метки 11 соединен с термоанеморезистором-излучателем 8, а вход регистратора тепловой метки 10 - с термоанеморезистором-приемником 9. Выходы генератора 11 и регистора 10 тепловой метки соединены с входами формирователя временного интервала 12. Инверсный выход формирователя временного интервала 12 через счетчик 15, регистр 16, ЦАП 17 соединен с первым входом схемы сравнения 19, а второй вход схемы сравнения 19 соединен с выходом задатчика эталонного сигнала 18. Выход схемы сравнения 19 через интегратор 20, усилитель-преобразователь 21 соединен с пьезоэлементом нагнетателя 2. Прямой выход формирователя временного интервала 12 соединен с входом схемы управления 13.

Датчик относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано для преобразования угловых скоростей движущихся объектов в электрический сигнал.

Технический результат-повышение точности струйного датчика угловой скорости.

Это достигается тем, что в струйный датчик угловой скорости, содержащий сопло, замкнутую газовую цепь с рабочей камерой, термоанеморезисторы, включенные в электроизмерительную схему, нагнетатель, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи, введены термоанеморезистор-излучатель и термоанеморезистор-приемник, установленные в канале обратного хода газа, а система стабилизации расхода газа в газовой цепи содержит генератор тепловой метки, регистратор тепловой метки, формирователь временного интервала, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, регистр, ЦАП, схему сравнения, интегратор, задатчик эталонного сигнала и усилитель-преобразователь, выход которого соединен с пьезоэлементом нагнетателя, а вход подключен к выходу интегратора, вход интегратора подключен к выходу схемы сравнения, входы которой подсоединены к выходам задатчика эталонного сигнала и ЦАП, входы ЦАП через регистр и счетчик соединены с инверсным выходом формирователя временного интервала, входы которого соединены с выходами генератора и регистратора тепловых меток, причем выход генератора тепловой метки соединен с термоанеморезистором-излучателем, а вход регистратора тепловой метки с термоанеморезистором-приемником, при этом прямой выход формирователя временного интервала соединен с входом схемы управления, выходы которой соединены с входом записи регистра и входом сброса счетчика, при этом счетный вход счетчика соединен с выходом генератора тактирующих импульсов.

При подаче электропитания в рабочей камере 4 датчика за счет работы нагнетателя 2 образуется ламинарная струя газа с близким к параболическому закону распределения скоростей в поперечном сечении. Через термоанеморезисторы 5 и 6 протекает ток и падение напряжения на термоанеморезисторах 5 и 6 определяется скоростью струи в точке размещения термоанеморезисторов. Выходные напряжения с термоанеморезисторов подаются на вход электроизмерительной схемы 22. При отсутствии угловой скорости   струя газа, имеющая в поперечном сечении параболический закон распределения, обтекает с одинаковой средней скоростью термоанеморезисторы 5 и 6 и падения напряжения на термоанеморезисторах равны. При этом на выходе электроизмерительной схемы 22 сигнал равен нулю. При появлении угловой скорости изменяются средние скорости обтекания термоанеморезисторов, так как струя отклоняется от оси симметрии рабочей камеры 4, вследствие чего, падения напряжения на термоанеморезисторах не равны между собой и на выходе электроизмерительной схемы 22 появляется электрический сигнал, пропорциональный угловой скорости  .

При подаче электропитания на датчик одновременно с описанными процессами генератор 11 тепловой метки подает прямоугольные импульсы на термоанеморезистор-излучатель 8. По переднему фронту этих импульсов на выходе RS-триггера формирователя временных интервалов 12 появляется сигнал высокого уровня. Поток газа в канале обратного хода газа 7 сносит тепловую метку с термоанеморезистора-излучателя 8 к термоанеморезистору-приемнику 9. Сигнал с термоанеморезистора-приемника 9 обрабатывается в регистраторе 10 тепловой метки. Расстояние между термоанеморезисторами 8 и 9 постоянно. Импульс, соответствующий моменту приема метки регистратором 10, переводит RS-триггер формирователя 12 в состояние низкого уровня. Так формируется интервал времени пролета метки, обратно пропорциональный скорости циркуляции газа в газовой цепи датчика. Для получения прямого преобразования используется инверсный выход RS-триггера формирователя временных интервалов 12. Сформированный интервал времени является управляющим сигналом для счетчика 15. Счетчик 15 тактируется генератором тактирующих импульсов 14. Цифровой код, пропорциональный интервалу времени, со счетчика 15 через регистр 16 поступает на ЦАП 17. Схема управления 13 выдает сигнал на запись информации из счетчика 16 в регистр 16 и сброс счетчика 15 в нулевое состояние. На выходе ЦАП 17 получаем сигнал, прямо пропорциональный скорости циркуляции газа в газовой цепи датчика. Сигнал с ЦАП 17 сравнивается в схеме сравнения 19 с сигналом задатчика 18. Разность сигналов через интегратор 20 поступает на усилитель-преобразователь 21. С выхода усилителя-преобразователя 21 сигнал поступает на нагнетатель 2. Если вследствие изменения температуры увеличивается скорость потока газа в канале 7, то временной интервал уменьшается, на выходе ЦАП 17 увеличивается. Схема сравнения 19 вырабатывает сигнал, который через интегратор 20 и усилитель-преобразователь 21 подается на нагнетатель 2, обеспечивая увеличение или уменьшение скорости циркуляции газа до заданного уровня.

Применение предлагаемой системы стабилизации расхода газа позволяет обеспечить точность стабилизации скорости циркуляции газа на уровне 0,05% от заданного уровня, что позволяет гарантировать повышение точности струйного датчика угловой скорости более чем на порядок, так как точность измерения угловой скорости прямо пропорциональна стабильности скорости циркуляции газа в замкнутой газовой цепи датчика. Поэтому выполнение датчика согласно изобретению с применением современной элементной базы позволяет существенно повысить точность струйного датчика угловой скорости более чем на порядок.

№2 СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Струйный датчик угловой скорости относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям угловой скорости в электрический сигнал. Датчик угловой скорости содержит резонатор, выполненный на нем системы первичных и вторичных вибраторов, системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов. Цепь фазовой автоматической подстройки частоты содержит фазовый демодулятор, корректирующий фильтр, преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращатель. Преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал выполнен в составе подключенного к выходу корректирующего фильтра усилителя постоянного тока, аналого-цифрового преобразователя, генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе, программируемого счетчика с делением частоты, триггера. Фазовращатель выполнен в виде фазового расщепителя с выходами сигналов с фазовыми сдвигами 0°, 90°, 180°, 270° относительно выхода триггера. В цепь синфазной обработки сигнала введен выходной усилитель, выходной сигнал которого является мерой угловой скорости. Технический результат -повышение точности измерения угловой скорости.

Рис.2.2

Данный датчик относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям угловой скорости в электрический сигнал.

Известен датчик угловой скорости, содержащий пустотелый резонатор с устройствами возбуждения и измерения вибраций по двум взаимно перпендикулярным осям, усилители и демодуляторы.

Наиболее близким по технической сущности является датчик угловой скорости, содержащий пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем системы первичных и вторичных вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен ко входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, первого модулятора и первого выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу первого выходного усилителя подключена система первичных вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена к входу второго входного усилителя, к выходу которого подключены цепь синфазной обработки сигналов, состоящая из последовательно включенных третьего фазового демодулятора, третьего корректирующего фильтра и второго модулятора, и цепь квадратурной обработки сигнала, состоящая из последовательно включенных четвертого фазового демодулятора, четвертого корректирующего фильтра и третьего модулятора; выходы второго и третьего модуляторов подсоединены к входам суммирующего усилителя, выход которого подключен к входу второго выходного усилителя, к выходу которого подключена система вторичных вибраторов; на выходе фазовращателя, подключенного к входу третьего модулятора, образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал.

Недостатком такого датчика угловой скорости является погрешность измерения угловой скорости вследствие температурного изменения коэффициента преобразования преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловой скорости.

Данный технический результат достигается в датчике угловой скорости, содержащем пустотелый резонатор с замкнутым контуром, выполненные на нем системы первичных и вторичных вибраторов, а также системы первичных и вторичных датчиков колебаний, первичную систему управления вибрацией с цепью фазового сдвига и цепью фазовой автоматической подстройки частоты, вторичную систему управления вибрацией с цепями синфазной и квадратурной обработки сигналов, при этом выход системы первичных датчиков колебаний подключен к входу первого входного усилителя, к выходу которого подключены цепь фазового сдвига, состоящая из последовательно включенных первого фазового демодулятора, первого корректирующего фильтра, первого модулятора и первого выходного усилителя, и цепь фазовой автоматической подстройки частоты, состоящая из последовательно включенных второго фазового демодулятора, второго корректирующего фильтра, преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал и фазовращателя; к выходу первого выходного усилителя подключена система первичных вибраторов; система вторичных датчиков колебаний подключена к входу второго входного усилителя, к выходу которого подключены цепь синфазной обработки сигналов, состоящая из последовательно включенных третьего фазового демодулятора, третьего корректирующего фильтра и второго модулятора, и цепь квадратурной обработки сигнала, состоящая их последовательно включенных четвертого фазового демодулятора, четвертого корректирующего фильтра и третьего модулятора; выходы второго и третьего модуляторов подсоединены к входам суммирующего усилителя, выход которого подключен к входу второго выходного усилителя, к выходу которого подключена система вторичных вибраторов; на выходе фазовращателя, подключенного ко входу третьего модулятора, образован сигнал, сдвинутый по фазе на 90° относительно фазы сигнала на выходе преобразователя постоянного напряжения в частотный сигнал, тем, что введен подключенный к выходу третьего корректирующего фильтра третий выходной усилитель, выход которого предназначен для съема сигнала датчика угловой скорости; преобразователь постоянного напряжения в частотный сигнал выполнен в составе усилителя постоянного тока, аналого-цифрового преобразователя, генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе, программируемого счетчика с делением частоты, триггера; выход второго корректирующего фильтра подключен к входу усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен вход аналого-цифрового преобразователя; выход генератора высокой частоты подключен к входу счета программируемого счетчика, управляющие входы которого соединены шиной с выходами аналого-цифрового преобразователя; выход программируемого счетчика с делением частоты подключен к входу триггера, выход которого соединен с входом фазовращателя; фазовращатель выполнен как фазовый расщепитель; в фазовом расщепителе выполнен первый выход сигнала с фазовым сдвигом 0° относительно фазы выходного сигнала триггера, сигнал с фазовым сдвигом 90° образован на втором выходе, сигнал с фазовым сдвигом 180° образован на третьем выходе, а сигнал с фазовым сдвигом 270° образован на четвертом выходе; первый выход фазового расщепителя соединен с входом опорного сигнала первого модулятора, второй выход фазового расщепителя соединен с входами опорного сигнала первого фазового демодулятора и третьего модулятора, третий выход фазового расщепителя соединен с входами опорного сигнала второго фазового демодулятора, второго модулятора и четвертого фазового демодулятора, четвертый выход фазового расщепителя соединен с входом опорного сигнала третьего фазового демодулятора.

В частном случае исполнения в датчике угловой скорости фазовый расщепитель выполнен на первом D-триггере и втором D-триггере; выход триггера соединен с тактовыми входами первого и второго D-триггеров, прямой выход первого D-триггера соединен с информационным входом второго D-триггера и выполнен как первый выход фазового расщепителя, третий выход которого выполнен на инверсном выходе первого D-триггера, второй выход фазового расщепителя выполнен на прямом выходе второго D-триггера, инверсный выход которого соединен с информационным входом первого D-триггера и выполнен как четвертый выход фазового расщепителя.

Выполнение в преобразователе постоянного напряжения в частотный сигнал генератора высокой частоты на кварцевом резонаторе обеспечивает вследствие высокой стабильности частоты такого генератора более узкую полосу частот работы цепи фазовой автоматической подстройки частоты, что повышает ее избирательность и помехоустойчивость. Применение в преобразователе постоянного напряжения в частотный сигнал аналого-цифрового преобразователя и программируемого счетчика с делением частоты обеспечивает большую разрешающую способность сигнала, с помощью которого корректируется резонансная частота резонатора. В результате повышаются стабильность резонансной частоты резонатора и точность измерения угловой скорости.

Датчик угловой скорости (Рис2.2) содержит пустотелый резонатор 1, тело которого расположено в замкнутом контуре, образованном внешней поверхностью 2 и внутренней поверхностью 3. На внешней поверхности 2 резонатора 1 по оси симметрии 4-4 расположена система первичных вибраторов 5', 5''. По перпендикулярной к оси симметрии 4-4 оси 6-6 расположена система первичных датчиков колебаний 7', 7''. На расположенной под углом 45° к оси симметрии 4-4 оси 8-8 образована система вторичных вибраторов 9', 9''. На находящейся под углом 90 к оси 8-8 оси 10-10 образована система вторичных датчиков колебаний 11', 11''. Резонатор 1 может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра или кольца. Он может быть металлическим, а вибраторы 5', 5'', 9', 9'' и датчики вибрации 7', 7'', 11', 11'' могут быть выполнены в виде пьезоэлектрических участков на внешней поверхности 2. Или резонатор 1 может быть изготовлен из пьезоэлектрического материала, а вибраторы 5', 5'', 9', 9'' и датчики колебаний 7', 7'', 11', 11'' сформированы поляризацией пьезоэлектрического материала между отдельными областями.

№3 МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Микромеханический датчик угловой скорости относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения угловой скорости, например, в инерциальных навигационных системах. Техническим результатом является повышение чувствительности и расширение диапазона измерений. Микромеханический датчик угловой скорости содержит основание и крышку, несущую раму, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, датчики положения каждой инерционной массы. При этом, дополнительно введены вторые датчики положения каждой инерционной массы, постоянные магниты, первый и второй компараторы, первый и второй ключи и источник постоянного тока, инерционные массы выполнены из монокристаллического кремния в виде пластин с прямоугольной оптической щелью каждая и закреплены в несущей раме с возможностью перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию, инерционные массы размещены в зазоре между постоянными магнитами, на поверхности каждой инерционной массы, параллельно поперечной оси, напылены токопроводящие дорожки.

Рис.2.3 -Микромеханический датчик угловой скорости

1. Первая инерционная масса. 2. Вторая инерционная масса. 3. Первые упругие элементы подвеса. 4. Вторые упругие элементы подвеса. 5. Несущая рама. 6. Постоянные магниты. 7. Основание. 8. Первая оптическая щель. 9. Вторая оптическая щель.10. Крышка.11. Первый излучатель.12. Второй излучатель.13. Первый двухсегментный фотоприемник.14. Второй двухсегментный фотоприемник.15. Третий излучатель.16. Четвертый излучатель.17. Первый фотоприемник.18. Второй фотоприемник.19. Первые токопроводящие дорожки.20. Вторые токопроводящие дорожки.21. Первая токопроводящая шина.22. Вторая токопроводящая шина.23. Третья токопроводящая шина.24. Четвертая токопроводящая шина.25. Первый токоподвод.26. Второй токоподвод.27. Первый ключ.28. Источник постоянного тока.29. Первый компаратор.30. Третий токоподвод.31. Четвертый токоподвод.32. Второй ключ.33. Второй компаратор.

Датчик угловой скорости относится к области приборостроения, в частности к измерительной технике, и может быть использовано для измерения угловой скорости, например, в различных системах управления, навигации, стабилизации и наведения.

Известен датчик угловой скорости Mars-RR (Micromachined Angular Rate Sensor) [Geiger W. et al. A Silicon Rate Gyroscope with Decoupled Driving and Sensing Mechanisms MARS-RR. - Symposium Gyro Technology, Germany. - 1998], содержащий инерционную массу, закрепленную на упругих элементах подвеса относительно анкеров, скрепленных с подложкой. Упругие элементы подвеса позволяют инерционной массе перемещаться вдоль одной оси и вместе с несущей рамой вдоль второй оси. Электростатические датчики силы обеспечивают перемещение чувствительного элемента датчика положения вместе с несущей рамой и роторными элементами датчика силы.

Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений.

Известен датчик угловой скорости Micromachined Comb Drive Tuning Fork Gyroscope [United States Patent 5496436], содержащий первую и вторую инерционные массы, связанные с несущей рамой посредством стержневых упругих элементов подвеса. Несущая рама связана с основанием через упругие элементы подвеса, обеспечивающие угловое движение. Электростатический датчик силы возбуждает противофазные первичные поступательные колебания.

При воздействии угловой скорости основания Кориолисовы силы создают переменный момент, приводящий к вторичным угловым колебаниям рамки. Угловые колебания измеряются емкостными датчиками, электроды которых расположены под первой и второй инерционными массами.

Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений вследствие использования амплитудной модуляции сигнала.

Наиболее близким из известных технических решений является датчик угловой скорости ADXRS 300 [Geen J. US Patent № 5635640 Micromachined device with rotationally vibrated masses. - 3 June 1997], содержащий основание и крышку, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, пластины для формирования контура электростатической обратной связи и реализации режима компенсации. Первая и вторая инерционные массы посредством трех электростатических двигателей гребенчатой структуры приводятся в вибрационное движение параллельно плоскости основания так, чтобы колебания инерционных масс имели противоположные фазы.

При наличии угловой скорости под действием силы Кориолиса одна инерционная масса будет подниматься, а другая - опускаться по отношению к плоскости вибрации. Чувствительные элементы емкостного датчика положения формируют выходной сигнал датчика угловой скорости.

Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений вследствие использования амплитудной модуляции сигнала.

Задачей является создание датчика угловых скоростей, измеряющего угловые скорости с большей точностью и расширенным частотным диапазоном.

Технический результат - повышение точности и чувствительности измерения угловой скорости, расширение диапазона измерений.

Технический результат достигается тем, что в микромеханический датчик угловой скорости, содержащий основание и крышку, несущую раму, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, датчики положения каждой инерционной массы, дополнительно введены вторые датчики положения каждой инерционной массы, постоянные магниты, первый и второй компараторы, первый и второй ключи и источник постоянного тока, инерционные массы выполнены из монокристаллического кремния в виде пластин с прямоугольной оптической щелью каждая и закреплены в несущей раме с возможностью перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию, инерционные массы размещены в зазоре между постоянными магнитами, первые датчики положения каждой инерционной массы выполнены в виде пары, состоящей из излучателя и двухсегментного фотоприемника, оптические оси которых проходят через оптические щели, вторые датчики положения выполнены в виде пары, состоящей из излучателя и фотоприемника, световой поток которых модулируется краем пластины, излучатели и фотоприемники обоих датчиков положения каждой пластины закреплены в отверстиях на основании и крышке, соответственно, с возможностью фиксации первым датчиком перемещения инерционной массы по продольной оси, а вторым датчиком - по поперечной оси, на поверхности каждой инерционной массы, параллельно поперечной оси, напылены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой токопроводящими шинами, каждая из которых токоподводами через упругие элементы подвеса первой инерционной массы соединены с выходом первого ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход первого компаратора, к первому входу которого подключены выход одного сегмента фотоприемника первого датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента, а с выхода фотоприемника второго датчика положения первой инерционной массы снимается выходной сигнал, излучатели датчиков положения первой инерционной массы подключены к источнику постоянного тока, токопроводящие шины второй инерционной массы токоподводами через упругие элементы подвеса второй инерционной массы соединены с выходом второго ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход второго компаратора, к первому входу которого подключены выход одного сегмента фотоприемника второго датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента фотоприемника второго датчика, излучатели датчиков положения второй инерционной массы подключены к источнику постоянного тока.

Технический результат достигается за счет того, что первая и вторая инерционные массы совершают автоколебания под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного микромеханического датчика угловой скорости, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность ДУС поясняется рисунком, где на рис2.3 представлена электро-кинематическая схема датчика и введены следующие обозначения:

На рис.2.4 представлен сигнал на выходе первого и второго ключей 27 32 при отсутствии ускорения по продольной оси.

Рис.2.4 - сигнал на выходе первого и второго ключей ключей 27 32 при отсутствии ускорения по продольной оси.

На рис.2.5. представлен сигнал на выходе первого и второго ключей 27 и 32 при наличии ускорения по продольной оси.

Рис.2.5. - Сигнал на выходе первого и второго ключей 27 и 32 при наличии ускорения по продольной оси.

В предлагаемом микромеханическом датчике угловой скорости первая и вторая инерционные массы 1, 2 размещены на упругих элементах подвеса 3, 4 в несущей раме 5 в зазоре между двумя постоянными магнитами 6 с возможностью линейного перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию 7, и выполнена из монокристаллического кремния в виде пластины с прямоугольными оптическими щелями 8, 9. Магниты 6 закреплены на основании 7 и крышке 10. Первые датчики положения каждой инерционной массы 1, 2 выполнены в виде пар, состоящих из излучателей 11, 12 и двухсегментных фотоприемников 13, 14, оптические оси которых проходят через оптические щели 8, 9, излучатели 11, 12 и двухсегментные фотоприемники 13, 14 закреплены на основании 7 и крышке 10. Вторые датчики положения выполнены в виде пар, состоящих из излучателей 15,16 и фотоприемников 17, 18, оптические оси которых проходят рядом с краем инерционных масс 1, 2. Излучатели 11, 12, 15, 16 и фотоприемники 13, 14, 17, 18 обоих датчиков положения каждой инерционной массы 1, 2 закреплены в отверстиях на основании 7 и крышке 10, соответственно. На поверхности каждой инерционной массы 1, 2 параллельно поперечной оси напылены токопроводящие дорожки 19, 20, начала которых соединены между собой токопроводяшими шинами 21, 22, а концы соединены токопроводяшими шинами 23, 24. Токопроводящие шины 21, 23 токоподводами 25, 26 через упругие элементы подвеса 3 первой инерционной массы 1 соединены с выходом ключа 27, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 28, а ко второму входу подключен выход первого компаратора 29, к первому входу которого подключены выход одного сегмента двухсегментного фотоприемника 13 первого датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента. Излучатели 11, 15 датчиков положения первой инерционной массы 1 подключены к источнику постоянного тока 28, токопроводящие шины 22, 24 второй инерционной массы 2 токоподводами 30, 31 через упругие элементы подвеса 4 второй инерционной массы 2 соединены с выходом второго ключа 32, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 28, а ко второму входу подключен выход второго компаратора 33, к первому входу которого подключены выход одного сегмента двухсегментного фотоприемника 14 второго датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента двухсегментного фотоприемника 14 второго датчика, излучатели 12, 16 датчиков положения второй инерционной массы 2 подключены к источнику постоянного тока 28.

Излучатели 11, 12, 15, 16 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых светодиодов КИПД80 В.

Фотоприемники 17, 18 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых фотоприемников МГ-32.

Двухсегментные фотоприемники 13, 14 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых оптронов VO0630T [Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М: Радио и связь, 1991].

Компараторы 29, 33 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) 521СА2.

Ключи 27, 32 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемого транзистора ГТ108.

Источник постоянного тока 28 может быть представлен любой типовой схемой, удовлетворяющей заданным параметрам питания токопроводящих дорожек 19, 20. [Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Н.Дулина, М.С.Жука. М: Энергия, 1977].

Микромеханический датчик угловой скорости работает следующим образом:

Микромеханический датчик угловой скорости устанавливают на объект для измерения угловой скорости с учетом того, что ось чувствительности ортогональна плоскости основания 7 и проходит через его центр. В исходном состоянии первый излучатель 11 через первую оптическую щель 8 открыт для первого сегмента первого двухсегментного фотоприемника 13, а для второго его сегмента - закрыт. В результате, на выходе первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника появляется сигнал, который направляется на первый вход первого компаратора 29, выходное напряжение которого управляет первым ключом 27, который подключает источник постоянного тока 28 к первым токопроводящим дорожкам 19 через первую и третью токопроводящие шины 21, 23, первый и второй токоподводы 25, 26. В результате создания магнитного поля k токопроводяшими дорожками 19, имеющими длину l, при подаче на них электрического тока   и взаимодействия этого магнитного поля с магнитным полем постоянных магнитов 6, имеющим индукцию   , возникает сила   , действующая на инерционную массу 1 по продольной оси и равная

 .

Инерционная масса 1 под действием силы   перемещается по продольной оси, при этом первый излучатель 11 через первую оптическую щель 8 становится открыт для второго сегмента первого двухсегментного фотоприемника 13 и закрыт для первого его сегмента. Вследствие этого с выхода первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника сигнал поступать перестает, а на выходе второго его сегмента появляется сигнал. Этот сигнал направляется на второй вход первого компаратора 29, выходной сигнал которого направляется на первый ключ 27, что приводит к переключению им направления тока в токопроводящих дорожках 19. Далее процесс переключения повторяется, и инерционная масса 1 совершает автоколебания по продольной оси.

В исходном состоянии второй излучатель 12 через вторую оптическую щель 9 открыт для первого сегмента второго двухсегментного фотоприемника 14, а для второго его сегмента - закрыт. В результате, на выходе первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника появляется сигнал, который направляется на первый вход второго компаратора 33, выходное напряжение которого управляет вторым ключом 32, который подключает источник постоянного тока 28 ко вторым токопроводящим дорожкам 20 через вторую и четвертую токопроводящие шины 22, 24, третий и четвертый токоподводы 30, 31. Инерционная масса 2 перемещается по продольной оси, при этом второй излучатель 12 через вторую оптическую щель 9 становится открыт для второго сегмента второго двухсегментного фотоприемника 14 и закрыт для первого его сегмента. Вследствие этого с выхода первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника сигнал поступать перестает, а на выходе второго его сегмента появляется сигнал. Этот сигнал направляется на второй вход второго компаратора 33, выходной сигнал которого направляется на второй ключ 32, что приводит к переключению им направления тока в токопроводящих дорожках 19. Далее процесс переключения повторяется, и инерционная масса 2 совершает автоколебания по продольной оси в противофазе с первой инерционной массой 1.

При воздействии на микромеханический датчик угловой скорости он работает следующим образом. При наличии угловой скорости   по оси чувствительности датчика на первую инерционную массу 1, движущуюся по продольной оси со скоростью   и имеющую массу m, по поперечной оси действует сила   равная

Вследствие действия силы   первая инерционная масса 1 совершает автоколебания по поперечной оси, при этом световой поток третьего излучателя 15, поступающий на первый фотоприемник 17, модулируется краем первой инерционной массы 1. Выходной сигнал первого фотоприемника 17 несет информацию об угловой скорости вращения микромеханического датчика угловой скорости   .

При наличии угловой скорости   по оси чувствительности датчика вторая инерционная масса 2 совершает автоколебания по поперечной оси в противофазе с первой инерционной массой 1, при этом световой поток четвертого излучателя 16, поступающий на второй фотоприемник 18, модулируется краем второй инерционной массы 2. Выходной сигнал второго фотоприемника 18 несет информацию об угловой скорости вращения микромеханического датчика угловой скорости   .

Дополнительным преимуществом микромеханического датчика угловой скорости является возможность измерения ускорения по продольной оси. При воздействии на микромеханический датчик ускорения по продольной оси на первую инерционную массу 1 по продольной оси будет действовать сила инерции. Это приводит к смещению центра колебаний первой инерционной массы 1. В итоге данные явления приведут к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе первого ключа 27 (рис.2.5.). Аналогичным образом, но в противофазе произойдет смещение центра колебаний второй инерционной массы 2, что приведет к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе второго ключа 32.

По изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе первого и второго ключа 27 и 32 можно определить измеряемое ускорение по продольной оси.

Повышение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний и уменьшении вследствие этого вредных моментов, действующих на первую и вторую инерционные массы 1 и 2.

Совокупность существенных признаков ДУС обеспечивает достижение технического результата при осуществлении изобретения в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве основание и крышка, несущая рама, первая и вторая инерционные массы с прямоугольными оптическими щелями и токопроводяшими дорожками, упругие элементы подвеса, первый и второй датчики положения каждой инерционной массы, два постоянных магнита, первый и второй ключи, первый и второй компараторы, источник постоянного тока могут быть эффективно использованы для измерения угловой скорости.

№4 УДАРОПРОЧНЫЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Ударопрочный вибрационный ДУСотносится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости. Датчик содержит корпус, электрическую схему возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов, закрепленный на упругих подвесах чувствительный элемент в форме балки треугольного сечения из металлического материала с пьезоэлектрическими пластинами на гранях. Упругие подвесы выполнены в виде двух колец, внутри которых сформировано по три пружинных элемента, на ребрах балки выполнены прорези, в которых крепятся пружинные элементы упругих подвесов. Чувствительный элемент с упругими подвесами помещен в капсулу, состоящую из втулки и двух опорных узлов с элементами защиты чувствительного элемента от продольных и поперечных ударов, содержащих два расположенных на продольной оси балки по обе ее стороны упора и шесть упоров, установленных перпендикулярно боковым граням балки, симметрично относительно ее поперечной оси, с возможностью регулировки величины зазора относительно граней балки, причем упоры выполнены из мягкого металла, например из свинца. Изобретение позволяет повысить ударопрочность датчика.

На рис.2.6 приведен общий вид балочного чувствительного элемента в сборе с упругими подвесами в капсуле.

Рис.2.6 - Общий вид балочного чувствительного элемента в сборе с упругими подвесами в капсуле.

Ударопрочный вибрационный ДУС относится к малогабаритным вибрационным датчикам угловой скорости. В частности, оно касается вибрационных ДУС, обладающих высокой ударопрочностью и применяемых в системах управления движением объектов, подверженных ударам до 10000g.

Известен вибрационный ДУС (патент ЕР 0664439 В1), чувствительный элемент которого выполнен из металлического материала в виде балки с треугольным сечением, к одному из ребер которой прикреплены U-образные упругие подвесы.

В этом решении упругие подвесы являются также и электрическими токоподводами к общим электродам пьезоэлектрических пластин, закрепленных на гранях балки.

Недостаток данного решения состоит в недостаточной прочности чувствительного элемента с U-образными подвесами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент US 5505085 А.

В этом датчике упругие подвесы для балочного чувствительного элемента представляют собой U-образные упругие рамки, которые могут прикрепляться к одному из ребер или к одной из граней.

Недостаток прототипа заключается в незащищенности чувствительного элемента и ДУС в целом от воздействий продольных и поперечных ударов.

Ударопрочный вибрационный ДУС содержит корпус, электрическую схему возбуждения чувствительного элемента и обработки информационных сигналов, закрепленный на упругих подвесах чувствительный элемент в форме балки треугольного сечения из металлического материала с пьезоэлектрическими пластинами на гранях, причем упругие подвесы выполнены в виде двух колец, внутри которых сформировано по три пружинных элемента, на ребрах балки выполнены прорези, в которых крепятся пружинные элементы упругих подвесов, чувствительный элемент с упругими подвесами помещен в капсулу, состоящую из втулки, в торцевых углублениях которой закреплены упомянутые упругие подвесы, и двух опорных узлов с элементами защиты чувствительного элемента от продольных и поперечных ударов, содержащих два расположенных на продольной оси балки по обе ее стороны упора с возможностью регулировки величины зазора относительно торцов балки и шесть упоров, установленных перпендикулярно боковым граням балки, симметрично относительно ее поперечной оси, также с возможностью регулировки величины зазора относительно граней балки, причем упоры выполнены из мягкого металла, например из свинца.

Таким образом, отличительными признаками ДУС является то, что упругие подвесы выполнены в виде двух колец, внутри которых сформировано по три пружинных элемента, на ребрах балки выполнены прорези, в которых крепятся пружинные элементы упругих подвесов, чувствительный элемент с упругими подвесами помещен в капсулу, состоящую из втулки, в торцевых углублениях которой закреплены упомянутые упругие подвесы, и двух опорных узлов с элементами защиты чувствительного элемента от продольных и поперечных ударов, содержащих два расположенных на продольной оси балки по обе ее стороны упора с возможностью регулировки величины зазора относительно торцов балки и шесть упоров, установленных перпендикулярно боковым граням балки, симметрично относительно ее поперечной оси, также с возможностью регулировки величины зазора относительно граней балки, причем упоры выполнены из мягкого металла, например из свинца.

Указанная совокупность отличительных признаков конструкции позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении ударопрочности чувствительного элемента и ДУС в целом.

Изобретение поясняется рисунками 2.7, 2.8.

На рис.2.7 - упругий подвес с закрепленной балкой.

На рис.2.8 - поперечный разрез опорного узла с элементами защиты.

Рис.2.7 - Упругий подвес с закрепленной балкой.

Рис.2.8. - Поперечный разрез опорного узла с элементами защиты.

Пример реализации заявляемого ДУС

Чувствительный элемент 1 (рис.2.6) ДУС в форме балки сечением правильного треугольника и упругие подвесы 2 (рис.2.7) изготовлены из сплава элинвар, отличающегося стабильностью упругих свойств и малым коэффициентом линейного расширения. Упругие подвесы насажены на балочный чувствительный элемент в местах узлов его колебаний таким образом, что пружинные элементы 3 подвесов защелкнуты в прорези 4, выполненные на ребрах балки строго в нулевой плоскости ее колебаний на первой изгибной моде. Этим достигается высокая прочность соединения подвесов 2 с балкой 1, что является одним из условий высокой ударопрочности ДУС. Пружинные элементы 3 упругих подвесов 2 закрепляются в прорезях 4 балки пайкой. Внешним контуром кольца подвесы 2 закрепляются в торцевых углублениях 5 (рис.2.6) втулки 6 также пайкой. Втулка содержит два направляющих штифта 7 - по одному для каждого опорного узла 8 и три изолированные от втулки контактные площадки 9 для вывода токоподводов 10 от пьезоэлементов 11. Опорный узел 8 содержит элементы защиты чувствительного элемента - упоры 12, 13 (рис.2.6,2.8) от продольных и поперечных ударов соответственно и имеет прорезь 14 (рис.2.6) для направляющего штифта 7 втулки. Упоры 12 расположены на торцах опорных узлов 8, а упоры 13 расположены на боковой части опорных узлов 8 через 120° - напротив трех граней балки 1. Упоры 12, 13 представляют собой свинцовые винты с мелкой резьбой. Токоподводы выполнены из платино-серебряной ленты сечением 20 мкм × 200 мкм с удельным электрическим сопротивлением 0.3·10-6 Ом/м и пределом прочности 2ГПа. Высокий предел прочности определяет устойчивость токоподводов в условиях сборки и эксплуатации и в том числе при перегрузках до 10000g. Токоподводами к общим электродам пьезоэлектрических пластин являются упомянутые кольцевые подвесы. Опорные узлы к втулке прикреплены посредством клея.

Основным условием работоспособности ДУС после воздействия удара является сохранение деформаций подвесов 2 в пределах упругих, в том числе и после удара 10000g в любом направлении. Расчетами и экспериментами установлено, что это условие выполняется, если зазор   между упорами 12, 13 и соответствующими гранями балки 1 находится в пределах 20 мкм - 30 мкм.

Регулировка величины зазора   относительно граней балки производится при включенном в электрическую схему возбуждения чувствительном элементе. Наблюдая на осциллографе гармонический сигнал возбуждения с чувствительного элемента, медленно вкручивают по очереди все восемь упоров до того момента, когда пропадет гармонический сигнал на осциллографе. Это означает, что упор коснулся балки и погасил ее колебания. Для обеспечения зазора     20 мкм необходимо выкрутить упор с шагом резьбы 0.75 мм, повернув его на   10°. При этом колебания балки возобновятся, и на осциллографе снова появится гармонический сигнал.

После регулировки зазора положения упоров 12, 13 фиксируют с помощью клея.

№5 ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

ДУС относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины угловой скорости подвижных объектов в двух плоскостях вращения. Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости включает в себя нагнетатель 1, формирующее сопло 2, рабочую камеру 3, анемочувствительные элементы 5, 12 в плоскости вращения "xoz", анемочувствительные элементы 6, 13 в плоскости вращения "yoz", изолированные стойки 4, 7, 9, 10, 11, расположенные в корпусе устройства 8 на кольце 14, электроизмерительные схемы 15, 16 анемочувствительных элементов в плоскости вращения "xoz", электроизмерительные схемы 17, 18 анемочувствительных элементов в плоскости вращения "yoz", сумматоры 19, 22, вычитающие устройства 20, 21, блок коррекции 23 чувствительности в плоскости вращения "xoz", усилитель 24 информативного сигнала в плоскости вращения "xoz", усилитель 25 информативного сигнала в плоскости вращения "yoz", блок коррекции 26 чувствительности в плоскости вращения "yoz" и блок преобразования информативного сигнала 27. Технический результат: повышение точности измерений угловой скорости.

Рис.2.9 Двухкомпонентный струйный ДУС.

Здесь:

1 - нагнетатель (источник пневмопитания);2 - формирующее сопло;3 - рабочая камера;4, 7, 9, 10, 11 - изолированные стойки;5, 12 - анемочувствительные элементы плоскости вращения "yoz";6, 13 - анемочувствительные элементы плоскости вращения "xoz";8 - корпус устройства; 14 - основание;15, 16 - электроизмерительные схемы анемочувствительных элементов в плоскости вращения "xoz";17, 18 - электроизмерительные схемы анемочувствительных элементов в плоскости вращения "yoz";19, 22 - сумматоры;20, 21 - вычитающие устройства;23 - блок коррекции чувствительности в плоскости вращения "xoz";24 - усилитель информативного сигнала в плоскости вращения "xoz";25 - усилитель информативного сигнала в плоскости вращения "yoz";26 - блок коррекции чувствительности в плоскости вращения "yoz";27 - блок преобразования информативных сигналов.

Технический результат достигается тем, что в двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости, содержащем нагнетатель, формирующее сопло, анемочувствительные элементы, установленные в рабочей камере, измерительную схему, новым является то, что проволочные анемочувствительные элементы расположены друг относительно друга взаимно ортогонально в плоскостях вращения "хоz" и "yoz" подвижного объекта и закреплены на электропроводящих изолированных стойках, установленных на плоском основании, проницаемом для протекания струи и установленном перпендикулярно направлению ее течения в рабочей камере, причем первые концы всех анемочувствительных элементов электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках, расположенных симметрично относительно центральной стойки в плоскостях вращения объекта, а измерительная схема образована из каналов измерения угловых скоростей в плоскостях вращения "xoz" и "yoz" объекта, в каждом из которых входы электроизмерительных схем подключены к соответствующим анемочувствительным элементам, а выходы электроизмерительных схем соединены соответственно с первыми и вторыми входами сумматоров и вычитающих устройств каждого из каналов, при этом выходы сумматоров связаны со входами блоков коррекции чувствительности, выходы которых соединены с первыми входами усилителей информативных сигналов соответствующих каналов, а выходы вычитающих устройств связаны со вторыми входами усилителей информативных сигналов, выходы которых подключены к первому и второму входам блока преобразования информативных сигналов, выход которого является входом для потребителя информации двухкомпонентного датчика угловой скорости.

Кроме того, в двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости основание выполнено в виде диска с отверстиями, образующими ортогонально расположенные перегородки для снижения торможения струи и плавного их обтекания, а герметичный корпус заполнен рабочим газом, что обеспечивает постоянство плотности рабочей среды, более стабильный теплообмен анемочувствительных элементов со струей газа и уменьшение их старения при взаимодействии со средой.

Сущность датчика поясняется на (рис 2.9)., где представлена структурно-функциональная схема двухкомпонентного струйного датчика угловой скорости.

Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости включает в себя нагнетатель 1, формирующее сопло 2, рабочую камеру 3, анемочувствительные элементы 5, 12 в плоскости вращения " xoz", анемочувствительные элементы 6, 13 в плоскости вращения "yoz", изолированные стойки 4, 7, 9, 10, 11, расположенные в корпусе устройства 8 на основании 14, электроизмерительные схемы 15, 16 анемочувствительных элементов в плоскости вращения "xoz", электроизмерительные схемы 17, 18 анемочувствительных элементов в плоскости вращения "yoz", сумматоры 19, 22, вычитающие устройства 20, 21, блок коррекции 23 чувствительности в плоскости вращения "xoz", усилитель 24 информативного сигнала в плоскости вращения "xoz", усилитель 25 информативного сигнала в плоскости вращения "yoz", блок коррекции 26 чувствительности в плоскости вращения "yoz" и блок преобразования информативных сигналов 27.

Нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в корпусе устройства 8 поток газа, который с помощью формирующего сопла 2 преобразуется в ламинарную струю газа в рабочей камере 3, обдувающую анемочувствительные элементы 6, 13 в плоскости вращения "yoz" и анемочувствительные элементы 5, 12 в плоскости вращения "xoz", расположенные взаимно ортогонально друг относительно друга в плоскостях вращения "yoz" и "xoz" и закрепленные на изолированных стойках 4, 7, 9, 10, 11 на основании 14 рабочей камеры 3, при этом с выходов анемочувствительных элементов сигналы поступают на соответствующие входы электроизмерительных схем 15, 16 и 17, 18, образуя каналы измерения угловых скоростей в плоскостях вращения "xoz" и "yoz".

При вращении объекта в плоскости вращения "xoz" с выхода электроизмерительной схемы 15 сигнал поступает на первые входы сумматора 19 и вычитающего устройства 20, с выхода электроизмерительной схемы 16 - на вторые входы сумматора 19 и вычитающего устройства 20, причем сигнал с выход сумматора 19 не изменяется при действии угловой скорости и пропорционален среднему значению скорости обдува анемочувствительных элементов и является входным блока коррекции 23 чувствительности в плоскости вращения "xoz", выходной сигнал вычитающего устройства 20 будет при этом пропорционален величине отклонения струи под действием угловой скорости, т.е. разности средних скоростей обдува анемочувствительных элементов, и является входным усилителя 24 информативного сигнала в плоскости вращения "xoz".

При вращении объекта в плоскости "yoz" аналогично работает второй канал преобразования информативного сигнала по второй составляющей угловой скорости.

При воздействии на датчик одновременно двух составляющих угловой скорости объекта уменьшается среднее значение обдува всех анемочувствительных элементов 5, 6, 12, 13 относительно заданного в блоках коррекции 23, 25 и на их выходах появятся сигналы, увеличивающие чувствительность преобразования усилителей информативных сигналов 24, 25, и, следовательно, на их выходах будут соответствовать величине составляющих угловой скорости, которые поступают на вход блока 27 преобразования информативных сигналов для потребителя.

Кроме того, основание 14, на котором закреплены изолированные стойки 4, 7, 9, 10, 11, выполнено в виде диска с отверстиями, образующими ортогонально расположенные перегородки, а герметичный корпус устройства 8 заполнен рабочим газом.

При отсутствии угловой скорости нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в корпусе устройства 8 поток газа, который с помощью формирующего сопла 2 преобразуется в струю газа, ось которой совпадает с центром в точке О, являющейся общей точкой взаимно ортогонального расположения анемочувствительных элементов 6, 13 и 5, 12, закрепленных на изолированных стойках 4, 7, 9, 10, 11 рабочей камеры 3. При этом средние скорости, обдувающие каждый анемочувствительный элемент 6, 13 в плоскости вращения "xoz" и 5, 12 в плоскости вращения "yoz", одинаковы и, следовательно, равны напряжения U  y1 - U  y2 на выходах электроизмерительных схем 15, 16 в плоскости вращения "xoz" и U  x1=U  x2 на выходах электроизмерительных схем 17, 18 в плоскости вращения "yoz". Суммарные сигналы U   Y=U  y1+U  y2, U  x=U  x1+U  x2пропорциональны средним скоростям параболического закона распределения струи в данном сечении, при этом разность сигналов U  y=U  y1-U  y=0 и U  x=U  x1-U  x2=0.

При появлении угловой скорости в измерительной плоскости струя газа смещается от исходного положения, что приводит к изменению величины средней скорости, обдувающего анемочувствительные элементы, и, в конечном счете, к изменению выходных сигналов U  x1, U  x2 в плоскости вращения yoz", одновременно поступающих на сумматор 22 и вычитающее устройство 21, и U  x1, U  x2 - в плоскости вращения "xoz", одновременно поступающих на сумматор 19 и вычитающее устройство 20. При этом разность сигналов U  y=U yx1-U  y2 пропорциональна составляющей угловой скорости в плоскости вращения "xoz" и поступает на вход усилителя 24 информативного сигнала, U  x=U  x1-U  x2 пропорциональна составляющей угловой скорости в плоскости вращения yoz" и поступает на вход усилителя 25 информативного сигнала. В плоскости вращения "xoz" суммарный сигнал U  Y не изменяется, но при действии перекрестного влияния составляющей угловой скорости в плоскости вращения "yoz" средняя скорость обдува анемочувствительных элементов 6, 13 уменьшается вследствие ухода профиля струи в данном сечении, что приводит, таким образом, к уменьшению сигнала U  Y, и, следовательно, необходимо провести коррекцию чувствительности в этой плоскости вращения, которая осуществляется посредством блока коррекции 23, выполненном на базе операционного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления в сторону увеличения крутизны преобразования усилителя. Аналогичная картина наблюдается в плоскости вращения "yoz" с появлением перекрестного влияния составляющей угловой скорости в плоскости вращения "xoz", где необходимо провести коррекцию чувствительности посредством блок коррекции 26.

С соответствующих выходов усилителей 24, 25 сигналы, пропорциональные составляющим угловой скорости в плоскостях вращения "xoz" и "yoz",   и   через блок преобразования информативного сигнала 27, выполненного на базе микропроцессорного комплекта

Таким образом, двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости позволяет увеличить точность измерения за счет уменьшения перекрестного влияния угловых скоростей в каждой плоскости вращения и коррекции чувствительности, что достигается введением сумматоров, вычитающих устройств, блоков коррекции в каждый из каналов измерения составляющей угловой скорости, а также повышением конструктивно-технологических возможностей с более точным воспроизведением геометрических параметров элементов устройства, причем датчик угловой скорости реализуется на стандартных элементах.

Среди найденных патентов можем определить доминирующие проблемы, такие как погрешность измерений, низкая точность измерений, узкий диапазон измерений, низкая чувствительность, нелинейность выходной характеристики и др.

Исследования патентов показывает, что наиболее предпочтительными путями решения проблем является:

1. Структурное решение;

2. Коструктурское решение.

В качестве прототипа выбираем двухкомпанентный струйный датчик угловой скорости с проволочными анемочувствительными элементами расположеными друг относительно друга взаимно ортогонально в плоскостях вращения "хоz" и "yoz" подвижного объекта и закрепленыx на электропроводящих изолированных стойках, установленных на плоском основании, проницаемом для протекания струи и установленном перпендикулярно направлению ее течения в рабочей камере.

(RU № 2462723G 01 P3 /26)

Выбор и обоснование структурной схемы струйного датчика угловой скорости

При выборе и обосновании структурной схемы необходимо обеспечить требуемые характеристики разрабатываемого устройства, которые условно можно разделить:

функциональные, к ним относятся: назначение, область применения и параметры, обеспечивающие функционирование с заданными характеристиками (диапазон измерения, погрешность быстродействие):

- конструктивно-технологические, к ним относятся: габариты, масса, формы, используемые материалы. обеспечение требуемого уровня технологичности;

эксплуатационные, к ним относятся: климатические условия (давление, температура, влажность). энергопотреблении.

При выборе структурной схемы основополагающими являются функциональные требования, другие группы требований должны быть обеспечены при выборе конструкции и схемотехнических решений при построении основных блоков устройства.

При выборе и обосновании структурной схемы необходимо обеспечить требуемые характери­стики разрабатываемого устройства, которые условно можно разделить:

функциональные, к ним относятся: назначение, область применения и параметры, обеспечиваю­щие функционирование с заданными характеристиками (диапазон измерения, погрешность, быст­родействие);

конструктивно-технологические, к ним относятся: габариты, масса, формы, используемые материалы. обеспечение требуемого уровня технологичности;

эксплуатационные, к ним относятся: климатические условия (давление, температура, влажность), энергопотреблении.

При выборе структурной схемы основополагающими являются функциональные требования, другие группы требований должны быть обеспечены при выборе конструкции и схемотехнических решений при построении основных блоков устройства.

Повышение точности преобразования струйного датчика угловой скорости достигается путем стабилизации расхода газа цепи датчика. Структурная схема этого ДУС приведена на рис. 14.

Датчик содержит герметичный корпус 1. нагнетатель 2. рабочее сопло 3. рабочую камеру 4 с каналом обратного хода газа 7. термоанеморезисторы 5 и в. систему стабилизации расхода газа в, газовой цепи датчика. Система стабилизации включает в себя термоанеморезистор-излучатель 8 и термоанеморезистор-приемник 9. установленные в канале обратного хода газа 7. генератор [сило­вой метки 11. регистратор тепловой метки К), формирователь временного интервала 12. Схем управления 13. генератор тактирующих импульсов 14. счетчик 15. регистр 16. ЦАП 17. задачик эталонного сигнала 18. схему сравнения 19. интегратор 20. усилитель-преобразователь 21. Выход генератора тепловой метки 11 соединен с термоанеморезистором-излучателем 8. а вход регистра­тора тепловой метки 10 - с термоанеморезистором-приемпиком 9. Выходы генератора» 1 1 и реги­стра 10 тепловой метки соединены с входами формирователя временного интервала 12. Инверс­ный выход формирователя временного интервала 12 через счетчик 15. регистр 16. ЦДГ1 17 соеди­нен с первым входом схемы сравнения 19. а второй вход схемы сравнения 19 соединен с выходом задатчика эталонного сигнала 18. Выход схемы сравнения 19 через интегратор 20. усилитель - преобразователь 21 соединен с пьезоэлементом нагнетателя 2. Прямой выход формирователя вре­менного интервала 12 соединен с входом схемы управления 13.

Рисунок 3.1. Струйный датчик угловой скорости.

Рисунок 3.2. Датчик угловой скорости.

Принцип действия СДУС (рис. 3.2) основан на использовании баллистического эффекта. Процесс измерительного преобразования в СДУС заключается в измерении по средствам диффе­ренциального термоанеморезистивного преобразователя относительно отклонения струи газа, ко­торое вызывается угловой скоротью движения корпуса устройства при поворотах ЛА.

Предлагаемый ДУС (рис. 3.2) состоит из: герметичного корпуса 1. рабочей камеры 2. в которой расположены дополнительное формирующее сопло 3. связанное через пневмопровод 4 и регули­руемый дроссель 5 с первым выходом 6 разделительной камеры 7. и основное формирующее сопло, связанное через пневмопровод 9 и дроссель 10 со вторым входом 11 разделительной камеры 7. вход 12 который подключен к нагнетателю 13. анемочувствительных элементов 14 и 15. расположенных в рабочей камере 2 симметрично оси 16 симметрии на склонах годографа 17 и включенные в электроизмерительные схемы 18 и 19. выходы которых связаны индикатором 20 угловой скорости и сумматором 25. выход которого присоединен к первому входу схемы сравнения 27. ко второму входу подключен выход задатчика 26 эталонного сигнала, а выход схемы сравнения подключен кс входу управляющего устройства 28, выход которого связан с нагнетателем 13.

Рис. 3.3. Датчик угловой скорости,

а) 10- датчик, 13- кольцевая стенка. 14-винты, 15-пористое кольцо,

16- кольцевой канал. 17- входное сопло,

б) 11- верхняя стенка, 12- нижняя стенка 18- центральная трубка,

19- металлическая трубка

Рисунок 3.4. Двухкомпонентный датчик угловой скорости.

Датчик основан на использовании принципа вихревого движения и состоит из плоской ци­линдрической камеры, имеющий на оси выпускной канал малого диаметра (рис. 3,3). В камеру через пористую стенку поступает жидкость или газ, который обладает только радиальными составляющими скорости. При вращении датчика в плоскости, перпендикулярной его оси, к радиальной скорости добавляется также и тангенциальная составляющая, вследствие чего возникает вихревое течение в камере и винтообразное течение в выходном канале. Вследствие сохранения момента количества движения тангенциальная скорость потока, а следовательно, и скорость жидкости в вихре возрастает в выходном канале, что создает коэффициент усиления датчика. Измерением параметров потока в выходном канале, в особенности угла винтообразного потока, можно определить угловую скорость вращения тела, на котором установлен датчик.

Отличительной особенностью струйного ДУС. представленного на рис. 17. является увеличе­ние точности измерения за счет уменьшения перекрестного влияния угловых скоростей в каждой плоскости вращения и коррекции чувствительности, что достигается введением сумматоров, вычитающих устройств, блоков коррекции в каждый из каналов измерения составляющей угловой скорости. а также повышением конструктивно-технологических возможностей с более точным воспроизведением геометрических параметров элементов устройства, причем датчик угловой скорости реализуется на стандартных элементах.

Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости включает в себя 1 - нагнетатель (источник пневмопитания);2 - формирующее сопло;3 - рабочая камера;4, 7, 9, 10, 11 - изолированные стойки;5, 12 - анемочувствительные элементы плоскости вращения "yoz";6, 13 - анемочувствительные элементы плоскости вращения "xoz";8 - корпус устройства; 14 - основание;15, 16 - электроизмерительные схемы анемочувствительных элементов в плоскости вращения "xoz";17, 18 - электроизмерительные схемы анемочувствительных элементов в плоскости вращения "yoz";19, 22 - сумматоры;20, 21 - вычитающие устройства;23 - блок коррекции чувствительности в плоскости вращения "xoz";24 - усилитель информативного сигнала в плоскости вращения "xoz";25 - усилитель информативного сигнала в плоскости вращения "yoz";26 - блок коррекции чувствительности в плоскости вращения "yoz";27 - блок преобразования информативных сигналов.

Из проведенного анализа можно сделать вывод о том , что основными элементами в струйном ДУС являются: нагнетатель, формирователь затопленной струи, анемочувствительный элемент и рабочая камера.

В результате проведенной работы были определенны требования, предъявляемые к датчику и проанализировава различные варианты построения ДУС, основанных на струйном эффекте, была выбрана обобщенная структурная схема.

Наибольшее влияние на суммарную погрешность в данной структурной схеме будет оказывать нагнетатель и термоанемочувствительные элементы.

4Исследование структурно-функциональной схемы струйного ДУС Расчетно-теоретическое обоснование требований к основным элементам датчика. Расчет параметров и характеристик датчика

На основе проведенного анализа в пункте 3. выбираем следующую обобщенную структурную схему, представленную на рис. 4.1.

Рисунок 4.1. Обобщенная структурная схема струйного ДУС

ФЗС- формирователь затопленной струи,

Н- нагнетатель

СПН- схема привода нагнетателя.

Ст- струя.

АЧЭ- анемочувствительный элемент.

ЭИС- электроизмерительная схема.

БК- блок коррекции, МК- микроконтроллер.

>- усилитель.

С целью определения требований к основным преобразователям, входящим в структуру раз­рабатываемого струйного ДУС проведем анализ их характеристик в последовательности, определяемой процессом получения информации.

Основными элементами структурной схемы датчика угловой скорости являются: первичный преобразователь угловой скорости (струя газа или жидкости в рабочей камере), для которой необходимо определить функцию преобразования, анемочувствительные элементы, электроизмери­тельная схема (ЭИС) и нагнетатель. В виду сложности отдельного рассмотрения анемочувствительных элементов и ЭИС. проведем их совместный анализ.