Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Патентно-библиографический поиск

1.1 Патентный поиск

1.1.1 Общие данные об объекте исследований

Наименование: «Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором».

Сроки его выполнения: 11.01.2024 г. - 24.01.2024 г.

1.1.2 Основная (аналитическая) часть

Широкое внедрение гироскопических приборов в современную информационную среду привело к тому, что сегодня разрабатываются и используются десятки типов разнообразных навигационных приборов.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) относятся к наиболее перспективным из них. Уникальный набор свойств позволил им занять лидирующее положение в космической технике, обеспечивая информацией околоземные и межпланетные автоматические станции, непрерывно функционирующие в космосе в течение 15-20 лет. Как часто бывает при появлении и быстром развитии технических новшеств, значительная часть технической информации по ВТГ сосредотачивается в патентах и в многочисленных периодических изданиях, затрудняя инженерам ориентирование в нарастающем потоке информации.

В патенте RU 2 744 820 C1 [1] описывается способ, основанный на измерении зависимости электрических параметров резонатора от его вращения. Патент охватывает процесс измерения частоты резонансного пика резонатора при различных углах вращения, после чего вычисляются динамические параметры гироскопа, такие как чувствительность и разрешающая способность. Такой подход позволяет проводить точные измерения и оптимизировать работу волновых твердотельных гироскопов.

В патенте RU 2 622 238 C1 [2] описывается конструкция и принцип работы гироскопа, который использует металлический резонатор для измерения угловой скорости. Гироскоп включает в себя металлический резонатор, скрепленный с подставкой и подверженный воздействию угловой скорости. Резонатор возбуждается и регистрирует выходной сигнал, связанный с угловой скоростью вращения. Данный патент описывает также метод использования гироскопа для измерения угловой скорости и его применение в навигационных системах и автоматическом управлении.

В патенте RU 2 785 956 C1 [3] описывается метод создания и сборки множества слоев, которые составляют конструкцию гироскопа. Основные этапы описанного способа включают следующие:

1. Подготовка основы: Здесь производится подготовка базового материала, на котором будут наноситься слои. В данном случае речь идет о подготовке кремниевой основы.

2. Нанесение слоев: С помощью различных техник осуществляется нанесение различных слоев на основу. Эти слои могут содержать различные материалы, включая диэлектрики, металлы, полупроводники и так далее. Некоторые из слоев могут быть использованы для создания резонатора - структуры, которая будет реагировать на угловую скорость.

3. Формирование структуры: Следующий этап включает формирование слоев и создание нужной структуры для гироскопа. Важно достичь необходимой точности и размера, чтобы обеспечить правильное функционирование гироскопа.

4. Создание электрических контактов: На последнем этапе происходит создание электрических контактов для связи гироскопа с внешними компонентами. Это позволяет получить данные от гироскопа и управлять им. Патент RU 2 785 956 C1 содержит подробное описание и детали описанного метода изготовления многослойной конструкции гироскопа.

В патенте RU 2 544 308 C2 [4] описывается способ, который может быть использован при изготовлении и подготовке к работе волновых твердотельных гироскопов (ВТГ). Определение параметров ВТГ заключается в том, что измеряют амплитуды колебаний резонатора на частотах вблизи резонанса в стационарных режимах, по измеренным значениям амплитуд колебаний и частот формируют вектор и матрицу с линейными относительно амплитуд элементами. При этом увеличивают в два-три раза амплитуды колебаний, формируют матрицу с нелинейными относительно амплитуд элементами и вычисляют коэффициенты нелинейности колебаний резонатора одновременно с параметрами волнового твердотельного гироскопа. Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения параметров ВТГ в несколько раз.

В патенте RU 2 787 809 C1 [5] описывается датчик угла крена на базе волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором, содержащий металлический цилиндрический резонатор, на дне которого симметрично по окружности с равным шагом расположены восемь пьезоэлементов, причем диаметрально противоположные пьезоэлементы образуют четыре пары, пары пьезоэлементов I-I и II-II входят в первый контур, пары пьезоэлементов III-III и IV-IV входят во второй контур, блок электроники, демодулятор, отличающийся тем, что дополнительно в блок электроники введены интегрирующие усилители в первый и второй контуры, образующие обратную связь по угловой скорости, генератор синусоидальных сигналов, для возбуждения свободной волны в металлическом цилиндрическом резонаторе, для обеспечения запуска генератора синусоидальных сигналов в его электрическую цепь введен ключ, кроме того введен дополнительно ключ в электрическую цепь интегрирующего усилителя первого контура.

В патенте RU 2 783 189 C1[6] описывается способ контроля физических параметров резонатора твердотельного волнового гироскопа, имеющим систему управления коррекции собственных осей жесткости. При производстве возникает задача контроля и оценки его физических параметров: добротность, разнодобротность, ось наименьшей добротности, ось наибольшей жесткости, разночастотность. Контроль параметров на всех этап производственного цикла позволят прогнозировать качество продукции и своевременно выявлять факторы брака. Что приводит к сокращению затрат при производстве.

В патенте RU 2 521 783 C2 [7] описываются возможные варианты чувствительного элемента твердотельного волнового гироскопа. Фактором, определяющим широкое внедрение ТВГ, является соотношение цена/качество при его производстве. Наибольшее затруднение при производстве ТВГ вызывает резонатор из кварцевого стекла. Себестоимость изготовления таких резонаторов ТВГ высока, что связано с использованием ряда прецизионных технологических операций, а также с высоким процентом брака резонаторов (до 90%). Поэтому второй важной проблемой является существенное снижение себестоимости резонатора. Эта проблема может быть решена за счет рациональной конструкции резонатора ТВГ. В рыночных условиях экономики наиболее оправданным по соотношению цена/качество (цена/ТТХ) является ТВГ средней точности с металлическим резонатором в виде цилиндра. Техническим результатом изобретения является устранение указанных выше недостатков. Это достигается за счет предложенной конструкции резонатора.

В патенте RU 2 357 214 C1 [8] описывается изобретение, которое относится к конструкции резонаторов волновых твердотельных гироскопов, которые используются для определения угловых перемещений в навигационных устройствах самолетов, космических аппаратов, управляемых бурильных головок. Целью изобретения является получение более высокой добротности, что приводит к уменьшению систематического дрейфа твердотельного волнового гироскопа в 3 раза. Предложенный резонатор работает следующим образом. Резонатор скрепляется с другими частями чувствительного элемента посредством дна. При работе возбуждают изгибные колебания рабочей кромки резонатора.

В патенте RU 2 7543 94С1 [9] описываются способы балансировки металлического резонатора твердотельного волнового гироскопа. Изобретение относится к балансировке металлических резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве различных навигационных приборов. Резонатор является главной деталью ВТГ, его характеристики в основном определяют точность гироскопа. Задачей и техническим результатом предлагаемого способа является устранение недостатков прототипа и аналога, а именно повышение точности балансировки беззубцовых металлических цилиндрических резонаторов по первым четырем формам массового дефекта и повышение безопасности персонала, выполняющего балансировку резонаторов. Результат достигается за счет гальванического осаждения на обрабатываемые участки поверхности резонатора компенсирующих дисбаланс масс металла и использования электролитов с низкой концентрацией кислоты.

В патенте RU 2 738 824 С1 [10] описывается способ измерения угловой скорости с помощью волнового твердотельного гироскопа. Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для повышения точности измерения угловой скорости с помощью волнового твердотельного гироскопа в составе инерциальных систем ориентации и навигации. Отмеченные в данном патенте положительные качества, появляющиеся при реализации предлагаемого способа, расширяют область применения волнового твердотельного гироскопа, например, возникает возможность его использования в инерциальных системах ориентации и навигации среднего и высокого класса точности на высокоманевренных авиационных, морских, космических и наземных объектах.

1.1.3 Задание на проведение патентных исследований

Наименование работы (темы): «Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором»

Задачи патентных исследований:

Таблица 1.1

Календарный план

1.1.4 Регламент поиска № 1

Дата составления регламента: 11.01.2024.

Наименование работы (темы): «Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором».

Номер и дата утверждения задания: № 5529ст от «27 » декабря 2022 г.

Этап работы: выполняется в один этап

Цель поиска информации (в зависимости от задач патентных исследований, указанных в задании): Исследовать перечисленные направления и определить уровень новизны

Обоснование регламента поиска: Широкое внедрение гироскопических приборов в современную информационную среду привело к тому, что сегодня разрабатываются и используются десятки типов разнообразных навигационных приборов.

Таблица 1.2

Регламент поиска

1.1.5 Отчет о поиске

1) Поиск проведен в соответствии с заданием на проведение патентных исследований

2) Этап работы: выполняется в один этап

3) Начало поиска: 11.01.2024 г. Окончание поиска: 24.01.2024 г.

4) Сведения о выполнении регламента поиска: Степень выполнения регламента поиска полная.

5) Предложения по дальнейшему проведению поиска и патентных исследований: Проводить дополнительные исследования при оформлении заявок на объекты промышленной собственности.

6) Материалы, отобранные для последующего анализа: Российские патенты и патенты зарубежных стран.

Таблица 1.3

Патентная документация, объект исследования: волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором.

1.2 Библиографический поиск

1. В научной статье [11] Рассматриваются особенности построения волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) с металлическим резонатором. Теоретически и экспериментально показана нелинейная зависимость колебаний пучности и узла стоячей волны резонатора от угловой скорости основания ВТГ прямого измерения. Предложен способ формирования выходного сигнала разомкнутого ВТГ, позволяющий расширить линейную зону характеристики. Приведена структурная схема ВТГ для огибающих колебаний узла и пучности, позволяющая анализировать характеристики ВТГ без учета высокочастотной несущей колебаний резонатора. Проанализированы кривые затуханий колебаний резонатора при работе ВТГ в режиме интегрирующего гироскопа.

2. В научной статье по физике [12] отмечены тенденции развития гироскопических датчиков угловой скорости, описан принцип работы волновых твердотельных гироскопов. Описаны системы управления волнового твердотельного гироскопа в режимах датчика угловой скорости и угла. Рассмотрены особенности конструкции резонаторов.

3. В учебном пособии [13] представлен обзор публикаций, посвященных разработке волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) с металлическим резонатором, описана типовая конструкция с пьезоэлементами, используемыми в режимах возбуждения и чувствительности. Получены передаточные функции датчика угловых скоростей на базе ВТГ (ВТГ-ДУС) и интегрирующего гироскопа (ВТГ-ИГ). Дано краткое описание основных технологических особенностей производства резонатора. Приведены числовые значения параметров колебаний кромки одного из неотбалансированных резонаторов. Рассмотрены конструкция ВТГ и структурная схема электронного модуля для работы ВТГ-ДУС в компенсационном режиме. Указаны цели и особенности настройки и калибровки. Приведены температурные зависимости характеристик точности ВТГ-ДУС для заданных диапазонов изменения угловых скоростей и температуры. Проанализированы отклонения Аллана, в том числе для различных температур. Представлены результаты испытаний на воздействие вращения, температуры, вибрации и удара, а также достигнутая точность ВТГ-ДУС.

4. В учебном пособии [14] систематизирован материал по гироскопическим системам стабилизации и управления, а так же по гироскопическим системам ориентации. В книге раскрывается назначение, области применения, и состояния теории гиростабилизаторов и гироскопических систем ориентации, особенности их динамики, условий эксплуатации и расчета.

гироскоп резонатор твердотельный прибор

1.3 Разработка облика волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором

Конструкция ВТГ приведена на рис. 2. Резонатор 1 с пьезоэлементами, наклеенными на донышко, образует чувствительный элемент, который с помощью узла крепления 2 смонтирован на корпусе 5 и закрыт кожухом 6. Герметичность внутренней полости достигается шовной сваркой по периметру стыка между корпусом и кожухом, а также применением гермовыводов 4, обеспечивающих связь пьезоэлементов с блоками электроники (рис. 2, а). Резонатор (рис. 2, б) состоит из двух сопряженных цилиндров, один из которых - с большей толщиной - является его рабочей зоной, а тонкостенный цилиндр, сопряженный с донышком, выполняет роль подвеса. Вместе с донной частью изготовлена часть узла крепления. Возбуждение колебаний резонатора и измерение перемещений кромки резонатора в узлах происходят с помощью восьми пьезоэлементов, наклеенных на донышко.

Рисунок 2 Конструкция волнового твердотельного гироскопа.

Конструкция ВТГ-ДУС аналогична приведенной на рис. 2, сборочные единицы которой показаны на рис. 7. Структурная схема электронного модуля ВТГ-ДУС представлена на рис. 8. В схеме выделены два основных блока: аналоговый и цифровой вычислители (области, отмеченные пунктирной линией на рис. 8). Цифровой вычислитель состоит из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и контроллера и может управлять работой от одного до трех резонаторов.

Размещено на Allbest.ru