Патент на изобретение №2387998

(54) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерениям величины угловой скорости подвижного объекта с помощью гироскопического эффекта. Устройство измерения угловой скорости содержит преобразователь на поверхностных акустических волнах (ПАВ), состоящий из встречно-штырьевого преобразователя 1, расположенного на пьезоэлектрическом слое 2, нанесенном на диэлектрическую подложку 3 и к которому подведено напряжение питания, и двух симметрично расположенных относительно встречно-штырьевого преобразователя многоэлементных отражателей 4 и 5. Каждый элемент каждого многоэлементного отражателя частично расположен на световоде вдоль него, предварительно напыленного на подложку, и концы двух световодов 6 и 7 соединены со входами фазового детектора 8, а входы световодов соединены с источником светового излучения, расположенным симметрично относительно элементов многоэлементного отражателя. Технический результат – расширение функциональных возможностей одновходовых резонаторов на ПАВ за счет измерения угловой скорости. 4 ил.

Изобретение может быть использовано для измерения величины угловой скорости подвижного объекта с помощью гироскопического эффекта.

Из работ [Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. гос. университет, Московский гос. технологический ун-т им. К.Э.Циолковского. – Тула: Гриф и К, 2004. – 476 с., ил.] известно устройство измерения угловой скорости с использованием инерционных масс (ИМ), крепящихся к основанию с помощью упругих подвесов, обеспечивающих им необходимые степени свободы (фиг.1). Оно представляет собой микромеханический гироскоп, состоящий из двух ИМ 1 и 2, удерживаемых с помощью упругих подвесов 3. Для возбуждения колебаний ИМ и съема сигнала используются гребенчатые структуры 4.

Инерционным массам задается возбуждающее движение, скорость которого может быть записана в виде

Использование противофазного движения инерционных масс позволяет компенсировать действие линейных ускорений на корпус инерциального модуля.

При воздействии угловой скорости (фиг.1), направленной по оси z, инерционные массы 1 и 2 приобретают противофазные ускорения Кориолиса, которые можно записать в виде

Интегрируя эти выражения, получаем

Результирующее движение каждой из ИМ с ортогональными составляющими (1), (3) и (2), (4) будет совершаться по эллиптическим траекториям, размеры осей которых будут определяться амплитудами ортогональных составляющих. Из-за этих смещений будет изменяться емкость между пластинами гребенок устройств съема информации. Величина действующей угловой скорости пропорциональна изменению емкости и, следовательно, изменению выходного напряжения.

Недостатком такого устройства является наличие элементов подвеса инерционных масс. Это обстоятельство ограничивает виброустойчивость и ударопрочность микромеханического гироскопа, с одной стороны, и требует использования сложных микротехнологий, с другой.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к данному изобретению является одновходовый резонатор на поверхностных акустических волнах [В.В.Малов. Пьезорезонансные датчики. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 272 с.: ил.], состоящий из встречно-штырьевого преобразователя (ВШП), расположенного на пьезоэлектрическом слое, нанесенном на диэлектрическую подложку и к которому подведено напряжение питания и двух симметрично расположенных относительно встречно-штырьевого преобразователя многоэлементных отражателей (фиг.2). Здесь ВШП 1 возбуждает две противоположно бегущие поверхностные акустические волны (ПАВ), которые после отражений от многоэлементных отражателей 2 и 3, образуют между ними стоячую ПАВ.

Принцип функционирования одновходовых резонаторов на ПАВ базируется на зависимости времени распространения ПАВ между возбуждающим ВШП и отражателями от воздействий, подлежащих измерению, таких как деформации различного рода, температура, влажность, давление, ускорение, но он не может быть использован для измерения угловой скорости, т.е. его функциональные возможности ограничены.

Задачей, решаемой изобретением, является создание устройства, которое может быть не только резонатором, но и устройством для измерения угловой скорости. Для решения поставленной задачи предлагаемое устройство, также как и известное, содержит преобразователь на поверхностных акустических волнах, состоящий из встречно-штырьевого преобразователя, расположенного на пьезоэлектрическом слое, нанесенном на диэлектрическую подложку и к которому подведено напряжение питания, и двух симметрично расположенных относительно встречно-штырьевого преобразователя многоэлементных отражателей. Но в отличие от известного, в предлагаемом устройстве каждый элемент каждого многоэлементного отражателя частично расположен на световоде вдоль него, предварительно напыленного на подложку, и концы двух световодов соединены со входами фазового детектора, а входы световодов соединены с источником светового излучения, расположенным симметрично относительно элементов многоэлементного отражателя.

С этой целью сначала напыляются дополнительные световоды (6, 7), а затем на них напыляются отражатели 4 и 5 (фиг.3) так, чтобы торцам каждого элемента многоэлементных отражателей были перпендикулярны световоды. Таким образом, образуются оптические преобразователи смещения, каждый из которых формируется одним световодом и всеми элементами многоэлементного отражателя 4 или 5.

Достигаемый технический результат – за счет измерения угловой скорости расширение функциональных возможностей устройства.

Изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показано устройство, реализующее устройство-аналог;

на фиг.2 – устройство, реализующее устройство-прототип;

на фиг.3 приведена схема предлагаемого устройства;

на фиг.4 показан участок отражателя ПАВ-резонатора (фиг.4а), где узлы стоячей волны совпадают с входными гранями отдельных элементов 1, 2, 3 многоэлементного отражателя. При этом предполагается, что возбудитель (ВШП) расположен с левой стороны (на фиг.4 не показан). На фиг.4б-4г поясняется принцип работы устройства.

Предлагаемое устройство состоит из ВШП 1, расположенного на пьезоэлектрическом слое 2, который нанесен на изотропную подложку 3 в области размещения ВШП 1, двух отражателей 4 и 5, двух световодов 6 и 7 и фазового детектора 8.

ВШП 1 (фиг.3) возбуждает две ПАВ, бегущие в противоположные стороны к многоэлементным отражателям 4 и 5. Отражаясь от последних, ПАВ возвращается к ВШП, образуя стоячую волну между многоэлементными отражателями. Обычно многоэлементный отражатель выполняется в форме тонких металлических полос шириной /4, напыленных на подложку. Период следования выбирается равным /2, что обеспечивает синфазное сложение отраженных парциальных волн на выходе отражателя. Малое значение коэффициента отражения (порядка 0.01) на границе раздела подложка/ребро элемента многоэлементного отражателя приводит к необходимости использовать большое количество парциальных отражателей (металлизированных полос), общее число которых может достигать нескольких сотен. Измерение угловой скорости производят по величине противофазных механических деформаций сжатия-растяжения под действием сил Кориолиса, возникающих в соседних секциях многоэлементных отражателей и порождающих сдвиговые колебания с вектором поляризации в плоскости подложки, что, в свою очередь, изменяет фазу световых волн, распространяющихся по двум световодам.

Рассмотрим предлагаемое устройство более подробно. ПАВ, падающая на многоэлементный отражатель и проникающая вглубь него, постепенно ослабляется за счет перекачивания энергии падающей волны в энергию отраженной. В образованном таким образом резонаторе удается получить наибольшую амплитуду колебаний. При этом узлы стоячей волны должны размещаться на входной грани каждого элемента многоэлементного отражателя.

Поперечную составляющую скорости V_R стоячей ПАВ можно записать как суперпозицию двух встречно бегущих волн вида

где V_R – радиальная составляющая скорости частиц,

– волновое число.

Вертикальные составляющие скорости частиц V_R под воздействием стоячей ПАВ будут распределены по гармоническому закону вдоль координаты x₁, как показано на эпюре фиг.4б: на входе в элемент отражателя (левый край элемента 1 многоэлементного отражателя) скорость частиц всегда равна нулю, а на выходе (правый край элемента 1 многоэлементного отражателя) он попадает в пучность стоячей волны, где скорость V_R максимальна.

Если вектор угловой скорости звукопровода направлен параллельно координате x₁ (фиг.4а), то появляется ускорение Кориолиса гармонически изменяющееся вдоль координаты х₂. Его можно записать в виде

При этом на один элемент отражателя и расположенные под ним частицы звукопровода будет действовать распределенная сила инерции (сила Кориолиса), равная

где m_R – масса одного элемента отражателя, которая может быть вычислена из очевидного соотношения

где _R – плотность материала отражателя,

l – апертура пучка, равная длине одной полосы отражателя,

d – толщина отражателя (напыленной металлизации отражателя).

Для оценки величины измеряемой угловой скорости целесообразно выбрать величину относительных деформаций отражателей, которую можно записать в виде

где l – длина одного элемента отражателя, не подверженного деформации;

l – изменение длины одного элемента отражателя при его деформации;

F_K – сила Кориолиса, действующая на один элемент отражателя;

S – площадь малой боковой грани одного элемента отражателя, S=l×b×h;

l – длина одного элемента отражателя;

b – ширина одного элемента отражателя;

h – толщина одного элемента отражателя;

Е – модуль упругости (модуль Юнга).

При этом F_K определяется как

где a_K – ускорение Кориолиса, действующее на один элемент отражателя, – максимальная скорость вертикального движения частиц приповерхностного слоя подложки в стоячей ПАВ;

m_отр1 – масса одного элемента отражателя.

Таким образом,

Расчеты, выполненные для одного элемента отражателя из золота при , V=0.017 м/с (что соответствует реально существующему значению), l=40=9.38·10^-3 м ( – длина ПАВ, =234.5·10^-6 м), b=/4=58.63-10^-6 м, h=0.5·10^-6 м показали, что величина деформации =1.32·10^-10.

Наиболее эффективным способом оценки такой величины деформации является использование оптических волноводных дифракционных решеток [Stephen W. James and Ralph P Tatam, Optical fiber long- period grating sensors: characteristics and application, Meas. Sci. Technol., 14 (2003), pp.49-61; Clay K. Kirkendall and Anthony Dandridge, Overview of high performance fiber-optic sensing, J. Phys. D.: Appl. Phys 37 (2004), pp.197-216], позволяющих измерять динамические деформации на уровне =10^-15.

На фиг.4а показано, что силы Кориолиса перпендикулярны сагиттальной плоскости и направлены противоположно в соседних полуволнах стоячей ПАВ. Под действием неоднородных сил, эпюра распределения которых показана на фиг.4в, каждый элемент отражателя будет испытывать сдвиговые деформации вдоль направления х₂. При этом они будут иметь противоположные направления для соседних элементов многоэлементного отражателя (4 и 5), как показано на фиг.4г. Однако сдвиг фазы световой волны, бегущей в световоде 6, будет накапливаться, так как деформации каждого элемента многоэлементного отражателя будут действовать на световод 6 в одном направлении по ходу распространения световой волны. В этом случае фаза световой волны составит

где ₀ – фаза световой волны при отсутствии вращения подложки; – сдвиг фазы, обусловленный одним элементом многоэлементного отражателя при вращении подложки; n – число элементов многоэлементного отражателя; знак ± соответствует направлению вращения. Необходимо отметить, что для многоэлементных отражателей 4 и 5 (фиг.3) деформации отдельных элементов, симметричных относительно ВШП, происходят в противоположных направлениях, что вызывает противоположный по знаку сдвиг фазы двух световых волн, распространяющихся по световодам 6 и 7, т.е. ₆=₀±n, а ₇=₀±n соответственно.

Таким образом, величину деформации можно будет определять с помощью разности фаз двух световых волн, бегущих в противоположные стороны по световодам 6 и 7, как показано на фиг.3. Разность фаз фиксируется фазовым детектором 8.

Описание устройства и его работы свидетельствуют о том, что с помощью предлагаемого устройства достигается технический результат – расширение функциональных возможностей.

Формула изобретения

Устройство для измерения угловой скорости, содержащее преобразователь на поверхностных акустических волнах, состоящий из встречно-штырьевого преобразователя, расположенного на пьезоэлектрическом слое, нанесенном на диэлектрическую подложку и к которому подведено напряжение питания, и двух симметрично расположенных относительно встречно-штырьевого преобразователя многоэлементных отражателей, отличающееся тем, что каждый элемент каждого многоэлементного отражателя частично расположен на световоде вдоль него, предварительно напыленного на подложку, и концы двух световодов соединены со входами фазового детектора, а входы световодов соединены с источником светового излучения, расположенного симметрично относительно элементов отражателя.

РИСУНКИ