Перспективные датчики параметров движения, основанные на инерции стоячих волн
Another Title
Advanced Motion Parameter Sensors Based on Standing Wave Inertia
Bibliographic entry
Перспективные датчики параметров движения, основанные на инерции стоячих волн = Advanced Motion Parameter Sensors Based on Standing Wave Inertia / В. В. Матвеев, А. Н. Хомячкова, А. В. Каликанов, Д. С. Стрельцов // Приборы и методы измерений. – 2025. – № 4. – С. 294-305.
Abstract
Актуальной задачей для авиационной, космической, транспортной и нефтедобывающей промышленности является миниатюризация и повышение точности систем ориентации и навигации подвижных объектов. Перспективным решением данной задачи является применение волновых твердотельных гироскопов (ВТГ), использующих для обнаружения вращений объекта явление инерции стоячих волн, возбуждаемых в кольцевых или объёмных резонаторах. Показано, что ВТГ могут иметь различные конфигурации резонатора (кольцевую, цилиндрическую, коническую, полусферическую) и изготавливаться из различных конструкционных материалов. Приведены примеры кольцевых кремниевых резонаторов. Показано, что резонаторы ВТГ из металлических сплавов (кольцевой, цилиндрической или конической формы) позволяют создавать датчики среднего класса точности. ВТГ навигационного класса реализуются на основе кварцевых цилиндрических или полусферических резонаторов, постоянная времени которых может достигать до 1000 с и более. Показано, что на основе ВТГ возможно создание датчиков двух типов: измерителей угловых перемещений и датчиков угловой скорости. Представлена математическая модель ВТГ, идентичная уравнениям классического маятника Фуко, применимая для описания датчиков обоих типов. Продемонстрирована эффективность использования уравнений для огибающих амплитуд колебаний при описании динамических характеристик ВТГ. Установлено, что для ВТГ прямого измерения, функционирующего в режиме датчика угловой скорости, повышение добротности резонатора увеличивает его чувствительность к угловой скорости, но снижает быстродействие. На основе векторной диаграммы объяснены процессы, протекающие в ВТГ с контуром компенсации ускорения Кориолиса. Представлена обобщенная математическая модель ВТГ компенсационного типа, учитывающая процессы демодуляции, модуляции и пропорционально-интегральный закон управления стоячей волной. Показано, что постоянная времени ВТГ компенсационного типа определяется коэффициентом интегральной части регулятора.
Abstract in another language
Miniaturization and increased accuracy of orientation and navigation systems for controlling mobile objects are a pressing task for the aviation, space, transport, and oil and gas industries. A promising solution to this problem is the application of wave solid-state gyroscopes (WSG), which detect object rotations by utilizing the phenomenon of standing wave inertia, excited in ring or bulk resonators. It is shown that WSGs can have various resonator configurations (ring, cylindrical, conical, hemispherical) and be made of various structural materials. Examples of ring silicon resonators are given. It is shown that WSG resonators made of metal alloys (ring, cylindrical or conical) allow creating sensors of the middle accuracy class. Navigationclass WSG are implemented on the basis of quartz cylindrical or hemispherical resonators, the time constant of which can reach up to 1000 s or more. It is shown that on the basis of WSG it is possible to create two types of sensors: angular displacement meters and angular velocity sensors. The mathematical model of the WSG, identical to the equations of the classical Foucault pendulum, is presented. It is applicable for describing sensors of both types. The efficiency of using equations for the envelopes of oscillation amplitudes in describing the dynamic characteristics of the WSG is demonstrated. It is found that for the WSG of direct measurement, operating in the angular velocity sensor mode, an increase in the resonator quality factor increases its sensitivity to the angular velocity, but reduces the response time. Based on the vector diagram, the processes occurring in the WSG with the Coriolis acceleration compensation circuit are explained. A generalized mathematical model of the compensation-type WSG is presented, taking into account the processes of demodulation, modulation and the proportional-integral law of standing wave control. It is shown that the time constant of the compensation-type WSG is determined by the coefficient of the integral part of the controller.
View/
Collections
- Т. 16, № 4[12]