ЖИРОСКОП (ОПЦИИ)
Патент за изобретение №2460040
(51) IPC G01C19/02 (2006.01)
(24) Начална дата на срока на патента:
(56) Списък на документите, цитирани в доклада относно
Адрес за кореспонденция:
607220, област Нижни Новгород, Арзамас, ул. Кирова, 26, OJSC ANPP "TEMP-AVIA"
Макаров Анатолий Михайлович (РУ),
Кожин Владимир Виталиевич (RU),
Грязнов Евгений Алексеевич (RU),
Уракова Лариса Евгениевна (RU),
Горбачов Василий Михайлович (RU)
Отворено акционерно дружество Арзамаско научно-производствено предприятие "ТЕМП-АВИА" (АД АНПП "ТЕМП-АВИА") (RU)
(54) ЖИРО (ОПЦИИ)
Изобретението се отнася до апаратура, по-специално до жироскопи без кардан върху опора със сферичен сачмен лагер, които могат да се използват например като чувствителни елементи на жироскопични стабилизатори или двуканални измерватели на ъглови скорости. Жироскопът съгласно първия вариант съдържа корпус 1, вътре в който е разположен жиромотор, включващ статор 2 с намотки, които създават въртящо се магнитно поле, карайки ротора 3 да се върти върху опора със сферичен сачмен лагер 4. В крайната част на ротора 3 е твърдо фиксиран феритен пръстен 5 с правоъгълно напречно сечение като подвижен елемент на сензорите за ъгъл и моментния сензор s. Ъглови сензори 6 и сензори за въртящ момент 7 са поставени върху тялото 1 на жироскопа срещу феритния пръстен 5. Във втората версия на жироскопа стоманен пръстен с правоъгълно напречно сечение е неподвижно фиксиран върху вътрешната повърхност на феритния пръстен 5. Изобретението подобрява параметрите на точността и разширява обхвата на измерените ъглови скорости. 2 н.п. f-ly, 5 ил.
Изобретението се отнася до приборостроенето и може да се използва за създаване на жироскопи без жироскопиопора със сферичен сачмен лагер, която може да се използва например като чувствителни елементи на жироскопични стабилизатори или двуканални измерватели на ъглова скорост.
Известен е жироскоп [1], съдържащ корпус, жиромотор, кардани, сензори за ъгъл и сензори за въртящ момент, завъртяни един спрямо друг на 90° около надлъжната ос на жироскопа.
Основният недостатък на този жироскоп е наличието на карданно окачване, което причинява значителен дрейф на жироскопа поради необходимостта от използване на токови проводници за захранване на намотките на жироскопа, сензори за ъгъл и сензори за въртящ момент и сачмени лагери, за да се осигури въртенето на рамката на кардан.
Най-близкият по техническа същност до заявеното устройство е жироскоп [2], съдържащ корпус с херметически затворен капак, жиромотор, ротор върху опора със сферичен сачмен лагер, трансформаторно-индуктивни ъглови сензори и електромагнитни сензори за въртящ момент. Статорът на жиромотора се състои от два ламинирани пакета, разделени от немагнитен елемент, и намотка, чиито навивки покриват двата пакета. Намотката на жиромотора, в допълнение към основната си функция (създаване на въртящо се магнитно поле, което задвижва ротора), изпълнява функцията на първичната намотка на трансформаторно-индуктивен ъглов сензор. Вторичните намотки на ъгловите сензори са навити поотделно на всяка опаковка, като всяка двойка намотки е геометрично изместена една спрямо друга на 90°, което позволява измервания в две оси. При симетрично разположение на хистерезисния пръстен на ротора спрямо пакетите на статора, същата ЕМП ще се индуцира в намотките на ъгловите сензори. Когато този пръстен се измести във всяка посока, стойността на индуцираната ЕМП в намотките на ъгловите сензори ще бъдеразлични. Сензорите за въртящ момент са структурно подобни на сензорите за ъгъл и са геометрично изместени спрямо тях с 90°.
Недостатъците на този жироскоп са: ниската му точност на измерване на полезния сигнал, причинена от наличието на смущения, генерирани от работата на жиромотора, дължащи се на вихрови токове в резултат на използването на хистерезисния пръстен на ротора като подвижен елемент (ротор) на ъгловите сензори; ограничен диапазон на измерените ъглови скорости (поради малкото рамо сензорът за въртящ момент е движещ се елемент); невъзможността за коригиране на дрейфа на жироскопа, който зависи от момента на въртене на електромагнитното поле, създадено от статора, тъй като в този случай хистерезисният пръстен трябва да бъде демагнетизиран и не може да бъде движещ се елемент (ротор) на сензорите за ъгъл и моментните сензори [3].
Целта на изобретението е да подобри параметрите на точността на жироскопа и да разшири обхвата на измерваните ъглови скорости.
За да се постигне това в първата версия на жироскопа, съдържащ корпус с лицеман, разположен вътре в него, включващ статор с намотки и ротор върху сферична сачмено-лагерна опора, трансформаторно-индуктивни сензори за ъгъл и електромагнитни сензори за момента, съгласно изобретението, в края на ротора, като подвижен елемент на ъгъла и сензори за момента, е здраво закрепено жар правоъгълно корито.ленена секция, а сензорите за ъгъл и сензорите за момента са поставени върху корпуса на жироскопа срещу феритния пръстен.
Втората версия на жироскопа се различава по това, че във феритния пръстен е фиксиран стоманен пръстен с правоъгълно напречно сечение.
Съществените разлики на предложения жироскоп в сравнение с известния е въвеждането на твърдо фиксиран феритен пръстен в крайната част на ротораправоъгълно сечение, действащо като подвижен елемент на датчиците за ъгъл и момент, които са разположени върху тялото на жироскопа срещу феритния пръстен. Съществената разлика на втората версия на жироскопа е въвеждането на допълнителен стоманен пръстен във феритния.
Тези значителни разлики позволяват да се подобри точността на жироскопа чрез елиминиране на смущенията в полезния сигнал, създаван от работата на жиромотора, и да се разшири обхватът на измерените ъглови скорости чрез увеличаване на рамото на сензора за момент - движещия се елемент.
Изобретението е илюстрирано с чертежи.
Фигура 1 показва първата версия на предложения страничен изглед на жироскоп в разрез; фигура 2 е изглед на първата опция в разрез по линията А-А; фигура 3 - диаграма на ъгловите сензори; фигура 4 - диаграма на сензорите на момента; фигура 5 е страничен изглед на втората версия на предложения жироскоп в разрез.
В предложеното предпочитано изпълнение на жироскопа съгласно първата версия, роторът на жироскопа 3 (с хистерезис пръстен 8 и феритен пръстен 5) има форма на камбана и е монтиран във вътрешния пръстен на опората на сферичния сачмен лагер 4. Опората на сферичния сачмен лагер 4 осигурява три степени на свобода на ротора 3, позволявайки неограничен ъгъл на въртене около собствената му ос на въртене (X ос) и ограничени ъгли (±45') на въртене около другите две оси (Y и Z). Роторът 3 се задвижва от жиромотор, чийто статор 2 е монтиран върху външния пръстен на опората на сферичния сачмен лагер 4. Сачменият лагер с дълбок канал 10 действа като ограничител и служи за ограничаване на ъглите на въртене на ротора 3 около осите Y и Z.
За регистриране на ъгъла на въртене на ротора 3 около измервателните оси Y и Z са проектирани ъглови сензори 6, чиято неподвижна (статорна) част е направена например във форматаU-образно ядро, върху което са поставени две еднакви намотки 12, едната от тези намотки е възбуждащата намотка, а втората е сигналната намотка. Ъгловият сензор 6 за всеки канал съдържа две такива сърцевини с намотки 12, разположени диаметрално и изместени спрямо осите на чувствителност на жироскопа под ъгъл 45° (фигура 2, фигура 3). Възбуждащите намотки на сензора за ъгъл на един канал са свързани последователно и свързани паралелно с намотките на възбуждане на сензора за ъгъл на друг канал към източник на променлив ток U, например напрежение
8 V, честота 11600 Hz. Сигналните намотки са свързани в диференциална верига. С това включване на намотките, стръмността на сензора се увеличава в сравнение с други схеми на превключване. Когато захранващото напрежение се приложи към възбуждащите намотки на сензора за ъгъл 6, напрежението се трансформира върху сигналните намотки. Общата стойност на това напрежение на двете сигнални намотки е практически независима от положението на ротора 3 (при малки ъгли на въртене) и играе ролята на захранващо напрежение на мостовата верига. Въздушните междини 1 и 2 между феритния пръстен 5 и сърцевините на датчика за ъгъл 6 в неутрално положение на ротора 3 са равни на 1 = 2, индуктивностите на двете сигнални намотки са еднакви и мостът е балансиран.
Когато роторът 3 се завърти спрямо неутралата, например под ъгъл (фигура 3), тези въздушни междини се променят: за една сърцевина въздушната междина се увеличава, а за другата намалява. В този случай индуктивността на една сигнална намотка се увеличава, а другата намалява. В резултат на това балансът на моста се нарушава и на изходния диагонал на мостовата верига се появява напрежение, което е пропорционално на удвоения ъгъл на въртене на ротора 3. Промяната на посоката на въртене на ротора 3 води до промяна на фазата на изходното напрежение с 180 °, т.е.характеристиката на сензора за ъгъл 6 е обратима. Регулирането на нулите на сензора за ъгъл 6 се извършва, например, чрез изместване на намотките 12 на сигналните намотки.
Избраната схема на работа на 6-те ъглови сензори съчетава предимствата на трансформаторните и индуктивните сензори. Той не създава момент на сили на сухо триене спрямо оста на измерване, тъй като е безконтактен, а моментите, дължащи се на силите на привличане на ротора към ядрата, са насочени в противоположни посоки и следователно са почти напълно компенсирани.
За създаване на управляващи моменти се използват електромагнитни сензори за въртящ момент 7, работещи на постоянен ток. Структурно сензорът за въртящ момент 7 е подобен на сензора за ъгъл 6 и съдържа два канала за всеки канал, разположени диаметрално върху корпуса 1 и подравнени с осите на чувствителност на сърцевината на жироскопа, например, изработен от металокерамика. На средния прът на всяка сърцевина, имаща, например W-образна форма, поставете управляващата намотка 14 (фигура 2, фигура 4). Основното предимство на електромагнитните сензори е тяхната конструктивна и технологична простота и възможността за получаване на значими моменти.
Подвижният елемент (ротор), общ за сензорите за ъгъл 6 и сензорите за момент 7, е феритен пръстен 5, например, изработен от материал M2000 NM1-17 PYAO.707.094 TU. Феритният пръстен 5 е разположен в крайната част на ротора 3 и не създава смущения в сигналните намотки на ъгловите датчици 6, създадени от работата на жиромотора.
Жироскопът се затваря с корпус 9, запечатва се и се пълни с хелиево-водородна смес до налягане от например 750 mm Hg. за да се намали аеродинамичният момент на съпротивление и влиянието му върху дрейфа на жироскопа (чрез проекцията на този момент върху оста на чувствителност на жироскопа). За отстраняване и подаване на електрически сигнали се използваткабелни щуцери 13.
Във втората версия на жироскопа (фигура 5) във феритния пръстен 5 е фиксиран стоманен пръстен 15, например от материал стомана 20895 GOST 11036-75. Поради това стръмността на характеристиките на моментния сензор се увеличава и следователно измерената ъглова скорост се увеличава, когато жироскопът работи при повишени температури.
Жироскопът работи по следния начин. В нулева позиция, поради симетрия, изходният сигнал от сензорите за ъгъл 6 отсъства. В режим на измерване, при наличие на ъглова скорост, например спрямо оста Y, тялото 1 на жироскопа ще започне да се върти около тази ос, а роторът 3 ще се стреми да запази посоката на вектора на ъгловия момент непроменена в инерционното пространство. Пропуските 1 и 2 между феритния пръстен 5 и крайните повърхности на сърцевините на ъгловите сензори 6 ще се променят и на изхода на ъгловия сензор 6 ще се появи сигнал, чиято амплитуда е пропорционална на измерения ъгъл, а фазата определя знака на ъгловото изместване. Този сигнал се обработва електрически и се подава в намотките на сензора за въртящ момент 7 по оста Z, докато роторът 3, съгласно правилото на жироскопията, ще прецетира (върти) около оста Y, опитвайки се да намали несъответствието на сензора за ъгъл 6 до нула. Мярката за ъгловата скорост е токът в намотките на сензора за въртящ момент 7. Квадратична зависимост
където w е измерената ъглова скорост;
k - мащабен коефициент на сензора за въртящ момент;
I - ток в бобината на сензора за въртящ момент.
Когато се използва жироскоп като чувствителен елемент на жиростабилизатора, сигналът от сензора за ъгъл 6 се обработва електрически и се подава, например, към двигателя за разтоварване на жироскопа. Сензорът 7 на момента на жироскопа се използва или за компенсиране на дрейфа на жироскопичната платформа, или за управлениеако е необходимо, завъртете жироплатформата.
По този начин, в сравнение с прототипа, използването на предложеното устройство като чувствителни елементи на жироскопични стабилизатори или двуканални измерватели на ъглова скорост подобрява параметрите на точност и разширява обхвата на измерените ъглови скорости.
1. AS СССР 431808 Тристепенен жироскоп // IPC G01C 19/00, обявен на 26.11.1971 г.
2. Патент на САЩ 3517562, NCI 74/5.6, IPC G01C 19/28, издаден на 30.06.1970 г. (прототип).
3. Патент България 2410658, IPC G01M 1/34, 2009 г.
1. Жироскоп, съдържащ корпус с жиромотор, разположен вътре в него, включващ статор с намотки и ротор върху опора със сферичен сачмен лагер, трансформаторно-индуктивни сензори за ъгъл и електромагнитни сензори за въртящ момент, характеризиращ се с това, че в крайната част на ротора, като движещ се елемент на сензорите за ъгъл и сензорите за въртящ момент, правоъгълен феритен пръстен е твърдо фиксиран, а сензорите за ъгъл и сензорите за въртящ момент са поставен върху корпуса на жироскопа срещу феритния пръстен.
2. Жироскоп, съдържащ корпус с жиромотор, разположен вътре в него, включващ статор с намотки и ротор върху опора със сферичен сачмен лагер, трансформаторно-индуктивни ъглови сензори и електромагнитни сензори за въртящ момент, характеризиращ се с това, че в крайната част на ротора, като движещ се елемент на ъгловите сензори и сензорите за въртящ момент, е твърдо фиксиран феритен пръстен с правоъгълно напречно сечение, вътре в който стоманен пръстен от правоъгълник ъгловото напречно сечение е неподвижно фиксирано, а сензорите за ъгъл и сензорите за въртящ момент са поставени върху корпуса на жироскопа срещу феритния пръстен.