Датчик угловой скорости

Реферат

 

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к измерению угловой скорости движения объекта с помощью гироскопических устройств. Цель изобретения - измерение угловой скорости объекта вокруг двух осей одним гироскопическим устройством. В устройстве гиромотор установлен в опоры, функцию которых выполняют восемь датчиков преобразования механических величин в электрические (датчиков силы), причем каждая опора состоит их четырех датчиков силы и относительно каждой координатной оси диаметрально противоположные датчики силы включены по дифференциальной схеме, а упругие элементы датчиков силы образуют систему подвеса гиромотора, ось подвеса которого расположена параллельно оси вращения ротора и в частном случае может совпадать с ней. 3 ил.

Изобретение относится к точному приборостроению, в частности к измерению угловой скорости движения объекта с помощью гироскопических устройств.

Известен датчик угловой скорости, содержащий гиромотор с полуосями подвеса, установленный в корпусе на двух опорах подвеса, содержащий гиромотор, датчик угла, датчик момента, усилитель обратной связи, причем роторы датчика команд и датчика момента установлены на оси подвеса гиромотора, а их статоры жестко закреплены на основании прибора, выход датчика угла соединен с входом усилителя обратной связи, выход которого соединен с входом датчика момента.

Недостаток указанного устройства заключается в том, что измеряется только одна составляющая абсолютной угловой скорости движения объекта, а для измерения, например, двух взаимно перпендикулярных составляющих необходим второй прибор, что увеличивает общие габаритно-массовые характеристики и стоимость.

Цель изобретения состоит в измерении двух составляющих абсолютной угловой скорости объекта одним гироскопическим датчиком угловой скорости.

Цель достигается тем, что гиромотор установлен в опоры, функцию которых выполняют восемь датчиков преобразования механических величин в электрические (датчиков силы), причем каждая опора состоит из четырех датчиков силы и относительно каждой координатной оси диаметрально противоположные датчики включены по дифференциальной схеме, а упругие элементы датчиков образуют систему подвеса гиромотора, ось подвеса которого расположена параллельно оси вращения ротора и в частном случае может совпадать с ней, введены четыре дифференциальных усилителя, два сумматора, два аналого-цифровых преобразователя и блок вычисления составляющих угловой скорости, при этом выходы соосных датчиков силы каждой опоры попарно соединены с входами соответствующих дифференциальных усилителей, выходы дифференциальных усилителей сигналов соосных и параллельных датчиков силы одной и другой опор попарно соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с входом блока вычисления составляющих угловой скорости.

На фиг. 1 и 2 представлены структурная схема и конструкция устройства, где 1 - гиромотор, 2 - полуоси (цапфы), 3 - гироскопический датчик угловой скорости, 4, 5 - опоры, 6-13 - датчики преобразования механических величин в электрические (датчики силы), 14-17 - дифференциальные усилители, 18, 19 - сумматоры, 20, 21 - аналого-цифровые преобразователи, 22 - блок вычисления составляющих угловой скорости, 23 - пьезоэлектрический датчик силы, 24 - корпус пьезоэлектрического датчика силы, 25 - упругий элемент пьезоэлектрического датчика силы, 26 - пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика силы, 27 - усилитель заряда, 28 - ось вращения ротора гиромотора, 29 - подшипник, 30 - корпус гиромотора, 31 - корпус гироскопического устройства, 32 - ограничители.

Датчики преобразования механических величин в электрические 6-13 предназначены для уравновешивания гироскопического момента, измерения гироскопических реакций и могут быть выполнены на основе любого метода измерения силы и в частном случае могут представлять собой пьезоэлектрические датчики 23 силы, которые состоят из корпуса 24, упругого элемента 25, пьезоэлектрического чувствительного элемента 26, усилителя 27 заряда.

С гиромотором связана система координат XYZ, причем ось Y и ось Х перпендикулярны оси Z вращения ротора 28 и взаимно перпендикулярны между собой. Ось Y является осью чувствительности гироскопического измерителя 3 при вращении объекта в плоскости XOZ и вектор угловой скорости y направлен по ее оси. Ось Х также является осью чувствительности гироскопического измерителя 3, но при вращении объекта в плоскости YOZ и вектор угловой скорости x направлен по оси Х (см. фиг. 3). Ротор гиромотора 1 раскручен и вращается вокруг оси OZ c угловой скоростью z, а его собственный кинетический момент равен Н.

При вращении объекта вместе с установленным на нем гироскопическим устройством 3 в плоскости XOZ с угловой скоростью вх = y ротор гиромотора 1 будет участвовать в сложном движении, т. е. иметь собственное вращение с угловой скоростью z и переносное движение со скоростью вх. При этом, так как ротор вращается вокруг двух несовпадающих осей, возникает гироскопический момент Мхг, вектор которого направлен по оси ОХ, а так как угол между осями OZ и OY равен 90о, то значение гироскопического момента определяется как Мхг = Н y Гироскопический момент можно представить в виде момента пары Rylz1 силы Ry, имеющей плечо lz1, который через подшипники 29 ротора действует на корпус 30 гиромотора 1 и цапфы 2. В опорах 4 и 5 возникают силы Ry, которые и образуют на плече lz момент пары Rylz (см. фиг. 3). В рассматриваемом случае моменты пар Rylz1 и Ryl2 равны между собой и равны порождающему их гироскопическому моменту Мхг = Н y. Сила Ry,являясь гироскопической реакцией, воспринимается и уравновешивается упругими элементами датчиков 6 и 9 опоры 4 и датчиков 13 и 10 опоры 5. Так как датчики 6 и 9, 13 и 10 включены по дифференциальной схеме и находятся в поджатом состоянии, то сила Ry, действуя на упругие элементы датчиков 6 и 9, 13 и 10, вызывает из упругую деформацию, что приводит к деформации сжатия пьезочувствительных элементов датчиков 6 и 13 и деформации растяжения пьезочувствительных элементов датчиков 9 и 10. На основе прямого пьезоэффекта на гранях пьезочувствительных элементов датчиков 6 и 13 возникает положительный заряд Q, который усиливается усилителями заряда, и на их выходах появляется напряжение U6 и U13, пропорциональное действующей силе Ry. В то же время на основе обратного пьезоэффекта на гранях пьезочувствительных элементов датчиков 9 и 10 также возникает заряд, но противоположного знака по сравнению с датчиками 6 и 13, и на выходах датчиков 9 и 10 также появится напряжение U9 и U10, пропорциональное силе Ry.

где К6,9,10,13 - коэффициенты датчиков 6, 9, 10, 13; С6,9,10,13 - емкости обратной связи усилителей заряда датчиков 6, 9, 10, 13.

Напряжение U6 c датчика 6 подается на первый вход дифференциального усилителя 14, на второй вход которого подается напряжение U9 c датчиков 9, на выходе дифференциального усилителя 14 появится напряжение U14, которое определяется, как U14= U6-U9= -- K14= RyK14 = RyK1 , где K1= K14 ; К14 - коэффициент передачи дифференциального усилителя 14.

Напряжение U13 c датчика 13 поступает на первый вход дифференциального усилителя 16, на второй вход которого поступает напряжение U10, на выходе дифференциального усилителя 16 появится напряжение U16, которое определяется, как U16= U13-(-U10)= -- K16= RyK2 , где K2= K16 ; К16 - коэффициент передачи дифференциального усилителя 16.

Напряжение U14 поступает на первый вход сумматора 18, на второй вход которого подается напряжение U16, на выходе сумматора 18 будет сумма напряжений U14 + +U16, т. е.

Uy = U14 + U16 = RyK1 + RyK2 = Ry(K1 + K2).

Напряжение Uy c выхода сумматора подается на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя 20, которым управляет блок 22. Блок 22 в начале цикла измерения формирует команду "Сброс" элементов памяти аналого-цифрового преобразователя 20. Затем формирует команду "Пуск", после которой через интервал времени tи (времени преобразования) формирует сигнал "Опрос".

По команде "Опрос" с параллельного вывода аналого-цифрового преобразователя 20 в блок 22 записывается цифровой эквивалент (код) напряжения Uy c вывода сумматора 18, преобразованного аналого-цифровым преобразователем 20. Значение цифрового эквивалента определяется, как Zy= Uy, где - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя 20; Ny - напряжение квантования.

Учитывая, что Uy = Ry(K1 + K2), a Ry = = и Мхг = Н y, получаем Zy= Ry(K1+K2)= (K1+K2)= (K1+K2)y.

Таким образом, в блоке 22 рассчитывается значение , которое определяется по следующей формуле: = Направление вращения y определяется знаком напряжения Uy, который в свою очередь определяется направлением действия гироскопических реакций Ry. Если вращение объекта с установленным на нем гироскопическим устройством происходит в плоскости XOZ против хода часовой стрелки, то возникающие гироскопические реакции имеют направление, как показано на фиг. 3. При вращении по ходу часовой стрелки направления в реакций Ry изменятся на противоположные и уже датчики 9 и 10 будут испытывать деформацию сжатия, а датчики 6 и 13 - деформацию растяжения. Так как входы 2 дифференциальных усилителей 14 и 16 являются инвертирующими входами, и на их входы 1 и 2 подаются сигналы различного знака, то на выходах дифференциальных усилителей 14 и 16 напряжения U14 и U16 имеют знак в зависимости от направления вращения объекта.

В формуле определения значения коэффициент "4" является усредняющим, так как на выходе дифференциальных усилителей 14 и 16 значение напряжения U14, U16 пропорционально 2Ry, а на выходе сумматора 18 - 4Ry. Это объясняется тем, что гироскопическая реакция Ryпрактически измеряется четырьмя датчиками, т. е. датчиками 6, 9, 10, 13.

При вращении объекта вместе с установленным на нем гироскопическим устройством в плоскости YOZ с угловой скоростью вх = x в гироскопическом устройстве 3 возникает гироскопический момент Муг, вектор которого направлен по оси OY, а так как угол между осями OZ и OX равен 90о, то значение гироскопического момента определяется как Муг = Н x Гироскопический момент Муг проявляется в виде гироскопических реакций Rx (см. фиг. 3), которые воспринимаются датчиками 7 и 8 в опоре 4 и датчиками 11 и 12 в опоре 5 (см. фиг. 1). Так как направления Rx в опорах 4 и 5 взаимно противоположны, и датчики 7 и 8, 11 и 12 включены по дифференциальной схеме, то, следовательно, датчик 8 опоры 4 и датчик 11 опоры 5 будут испытывать деформацию сжатия, а датчик 7 опоры 4 и датчик 12 опоры 5 - растяжение. Соответственно на выходах усилителей зарядов датчиков 8 и 11 появится напряжение U8= ; U11= , а датчиков 7 и 12 - U7= - ; U12= - .

Дальнейшая работа устройства по определению x аналогична его работе по определению y.

Таким образом, заявленный датчик угловой скорости позволяет более полно использовать инерционные (гироскопические) свойства гироскопа за счет изменения системы его подвеса, что приводит к возможности измерения двух составляющих абсолютной угловой скорости движения объекта одним гироскопическим устройством. (56) Назаров Б. И. Командно-измерительные приборы. М. МО СССР, 1987, с. 174.

Формула изобретения

ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ, содержащий гиромотор с полуосями подвеса, установленный в корпусе на двух опорах подвеса, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерения угловой скорости относительно двух осей, в нем каждая опора подвеса выполнена в виде четырех датчиков силы с упругим элементом каждый, направление полуосей подвеса гиромотора параллельно оси вращения его ротора, дополнительно введены четыре дифференциальных усилителя, два сумматора, два аналого-цифровых преобразователя и блок вычисления составляющих угловой скорости, при этом выходы соосных датчиков силы каждой опоры попарно соединены с входами соответствующих дифференциальных усилителей, выходы дифференциальных усилителей сигналов соосных и параллельных датчиков силы одной и другой опоры попарно соединены с входами соответствующих сумматоров, выходы которых через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с входом блока вычисления составляющих угловой скорости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3