novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.19.777-787novtexmech-550Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTКонкурентоспособный волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонаторомCompetitive Coriolis Vibrating Gyroscope with a Metal ResonatorРаспоповА. В.RaspopovV. Ya.

Доктор технических наук, зав. кафедрой

tgupu@yandex.ruЛадонкинА. В.LadonkinA. V.

Кандидат технических наук, доцент

tlsandos@rambler.ruЛихошерстВ. В.LikhosherstV. V.

Кандидат технических наук, доцент

lvv_01@inbox.ruФедеральное государственное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет"РоссияFederal State Budgetary Educational Establishment of Higher EducationRussian Federation2018071220181912777787Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20182018Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/550

Рассмотрены конструкция и особенности изготовления волнового твердотельного гироскопа-датчика угловой скорости (ВТГ-ДУС) с металлическим резонатором, для возбуждения и детектирования колебаний которого применены пьезоэлементы.

Так как технические характеристики ВТГ в основном определяются резонатором, его конструкция является определяющей в составе ВТГ. Для изготовления высокодобротного металлического резонатора ВТГ с заданными свойствами хорошим выбором является прецизионный сплав 21НКМТ-ВИ. Устранение дефектов изготовления резонатора, которые приводят к разночастотности и разнодобротности, достигается балансировкой. Базовым методом является балансировка по 4-й форме распределения дефектов масс. Калибровка ВТГ с блоком электроники является завершающим этапом изготовления ВТГ, в результате которой достигается: обеспечение условия резонансной настройки чувствительного элемента, определение коэффициентов обратных связей контура удержания колебаний, определение метрологических характеристик ВТГ и получение функции коррекции выходного сигнала от различных параметров после проведения комплекса испытаний.

При определении функции коррекции учитывался тот факт, что сигналы подавления квадратурной и кориолисовой составляющих являются не абсолютно независимыми, а в какой-то мере смешанными. При демодуляции сигнала узла на квадратурную и кориолисовую составляющие приходится анализировать сигнал, прошедший через пьезоэлементы, усилители и АЦП. Каждый из этих элементов может вносить зависящий от температуры фазовый сдвиг в сигнал узла. Частично этот фазовый сдвиг может быть учтен, но не с абсолютной точностью. Поэтому выходной сигнал ВТГ необходимо рассматривать как линейную комбинацию сигналов квадратурной и кориолисовой составляющих сигнала компенсации. Для уменьшения амплитуды шумовых составляющих выходного сигнала возможно применение различных типов сглаживающих фильтров.

Результаты испытаний разработанного ВТГ-ДУС подтверждают его конкурентоспособность по сравнению с иностранным аналогом. Вся электроника управления может быть построена на отечественной элементной базе.

The article deals with the design and features of manufacturing a Coriolis vibrating gyroscope (CVG, angular rate sensor) with a metal resonator. Piezoelectric elements are used to excite and detect oscillations of the resonator.

The design of the resonator is very important, because the technical characteristics of the CVG mainly depend on the resonator. For the production of a high-quality metal resonator with predetermined properties, a good choice is the precision alloy of 21NKMT-VI. Elimination of defects in the manufacture of the resonator, which lead to a variety of frequencies and variability, is achieved by balancing. The basic method is balancing in the 4th form of the distribution of mass defects. Calibration of the CVG with the electronics unit is the final stage of the CVG manufacturing, which results in: providing a resonance tuning condition for the sensing element, determining the feedback coefficients of the oscillation retention loop, determining the metrological characteristics of the CVG, and obtaining the correction function of the output signal from various parameters after the test complex.

When determining the correction function, the fact was taken into account that the signals for suppressing the quadrature and coriolis components are not absolutely independent. When the node signal is demodulated to quadrature and coriolis components, it is necessary to analyze the signal passed through piezoelectric elements, amplifiers and ADC. Each of these elements adds a temperature-dependent phase shift to the node signal. This phase shift can be taken into account, but not with absolute accuracy. Therefore, the output signal of the CVG should be considered as a linear combination of signals of the quadrature and coriolis components of the compensation signal. To reduce the noise of the output signal, it is possible to use various types of noise suppressing filters

The results of tests of the CVG confirming its competitiveness in comparison with the commercial analogue. The electronic control module can be designed using the Russian element base.

гироскопволновойтвердотельныйрезонаторбалансировкакалибровкаизготовлениеиспытанияgyroscopeCoriolisvibratingresonatorbalancingcalibrationmakingtestingТулГУTula State UniversityReferencesBryan G. H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell // Proc. of Cambridge Phil. Soc. 1890, Nov. 24. Vol. VII. Part. III. P. 101—111.Bryan G. H. On the Beats in the Vibrations of a Revolving Cylinder or Bell, Proc. of Cambridge Phil. Soc., 1890, Nov. 24, vol. VII, part. III, pp. 101—111.Coriolis G. G. Mémoire sur les quations du movement relative des systms de corps (On the Equation of Relative Motion of a Systems of Bodies) // J. Ec. Polytech. 1835. N. 15. P. 142—154.Coriolis G. G., Mmoire sur les quations du movement relative des systms de corps (On the Equation of Relative Motion of a Systems of Bodies), J. Ec. Polytech, 1835, no. 15, pp. 142—154.Lynch D. D. Vibration-induced drift in the hemi-spherical resonator gyro // Proc. Annual Meeting of the Institute of Navigation. 23—25 June, 1987, Dayton, Ohio. P. 34—37.Lynch D. D. Vibration-induced drift in the hemi-spherical resonator gyro, Proc. Annual Meeting of the Institute of Navigation, 23—25 June, 1987, Dayton, Ohio, pp. 34—37.Журавлев В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М.: Наука, 1985. 125 с.Zhuravlev V. F., Klimov D. M. Volnovoi tverdotelniy giroskop (Wave solid-state gyroscope), Moscow, Nauka, 1985, 125 p. (in Russian)Пешехонов В. Г. Гироскопы начала XXI века // Гироскопия и навигация. 2003. № 4. С. 5—18.Peshehonov V. G. Giroskopi nachala XXI veka (Gyroscopes of the beginning of the XXI century), Giroskopiya i Navigaciya, 2003, no. 4, pp. 5—18 (in Russian)Линч Д. Взгляд компании "НОРТРОП ГРУММАН" на развитие инерциальных технологий // Гироскопия и навигация. 2008. № 3. C. 102—106.Lynch D. Vzglyad kompanii "NORTROPGRUMMAN" na razvitie inercialnih tehnologiy ( The view of NORTHROP GUMMAN on the development of inertial technologies), Giroskopiya i Navigaciya, 2008, no. 3, pp. 102—106 (in Russian)Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технология. М.: Радиотехника, 2014. 176 с.Lunin B. S., Matveev V. A., Basarab M. A. Volnovoy tverdotelniy giroskop. Teoriya i tehnologia (Wave solid-state gyroscope. Theory and technology), Moscow, Radiotehnika, 2014, 176 p. (in Russian)Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М.: Издво МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 165 с.Matveev V. A., Lipatnikov V. I., Alehin A. V. Proektirovanie volnovogo tverdotelnogo giroskopa (Designing of a wave solid-state gyroscope), Moscow, Publishing house of MGTU im. N. E. Baumana, 1997, 165 p. (in Russian)Лунин Б. С. Физико-химические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов. М.: МАИ, 2005. 224 с.Lunin B. S. Fiziko-himicheskie osnovi razrabotki polusfericheskih resonatorov volnovih tverdotelnih giriscopov (Physicochemical bases of development of hemispherical resonators of wave solid-state gyroscopes), Moscow, Publishing house of MAI, 2005, 244 p. (in Russian).Басараб М. А., Кравченко В. Ф., Матвеев В. А. Математическое моделирование физических процессов в гироскопии. М.: Радиотехника, 2005. 176 с.Basarab M. A., Kravchenko V. F., Matveev V. A. Matematicheskoe modelirovanie fizicheskih processov v giroscopii (Mathematical modeling of physical processes in gyroscopy), Moscow, Radiotehnika, 2005, 176 p. (in Russian)Chikovani V. V., Yatsenko Yu. A., Kovalenko V. A., Scherban V. I. Digitally controlled High Accuracy Metallic Resonator CVG // Proc. Symposium Gyro Technology. Stuttgart. 2006. P. 4.0—4.7.Chikovani V. V., Yatsenko Yu. A., Kovalenko V. A., Scherban V. I. Digitally controlled High Accuracy Metallic Resonator CVG, Proc/ Symposium Gyro Technology, Stuttgart, 2006, pp. 4.0—4.7.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Barbashov A. S., Kovalenko V. A., Scherban V. I., Marusyk P. I. Metallic Resonator CVG Thermophysical Parameter Optimization and Temperature Test Results // Proc. Of XIV International Conference on Integreted Navigation Systems (28—30 May 2007. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2007. P. 74—77.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Barbashov A. S., Kovalenko V. A., Scherban V. I., Marusyk P. I. Metallic Resonator CVG Thermophysical Parameter Optimization and Temperature Test Results, Proc. Of XIV International Conference on Integreted Navigation Systems (28—30 May 2007. St-Petersburg), St-Petersburg, "Electropribor", 2007, pp. 74—77.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Barbashov A. S. et al. Improved accuracy metallic resonator CVG // Proc. of XV International Conference on Integreted Navigation Systems (26—28 May 2008. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2008. P. 28—31.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Barbashov A. S. et al. Improved accuracy metallic resonator CVG, Proc. of XV International Conference on Integreted Navigation Systems (26—28 May 2008. St-Petersburg), St-Petersburg, Publishing house of "Electropribor", 2008, pp. 28—31.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Mikoloshin I. T. Shock and vibration sensistivity test result for metallic resonator CVG // Proc. of XVI International Conference on Integreted Navigation Systems (25—27 May 2008. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2009. P. 88—92.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A., Mikoloshin I. T. Shock and vibration sensistivity test result for metallic resonator CVG, Proc. of XVI International Conference on Integreted Navigation Systems (25—27 May 2008. St-Petersburg), St-Petersburg, Publishing house of "Electropribor", 2009, pp. 88—92.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A. Investtigation of azimuth accuracy measurement with metallic resonator Coriolis vibratory gyroscope // Proc. of XVII International Conference on Integreted Navigation Systems (31 May — 2 June 2010. St-Petersburg). St-Petersburg: Electropribor. 2010. P. 25—30.Chikovani V. V., Yatzenko Yu. A. Investtigation of azimuth accuracy measurement with metallic resonator Coriolis vibratory gyroscope, Proc. of XVII International Conference on Integreted Navigation Systems (31 May — 2 June 2010. St-Petersburg). St-Petersburg, Publishing house of "Electropribor", 2010, pp. 25—30.Чуманкин Е. А. Результаты проектирования и испытаний датчика угловой скорости на основе волнового твердотельного гироскопа // Гироскопия и навигация. 2013. № 2 (81). C. 104—111.Chumankin E. A. Resultati proektirovaniya i ispitaniy datchika uglovoi skorosti na osnove volnovogo tverdotelnogo giroskopa (Results of designing and testing the angular rate sensor based on the wave solid-state gyro), Giroskopiya i Navigaciya, 2013, no. 2 (81), pp. 104—111 (in Russian)Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1983. 359 с.Lahtin Yu. M. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. Izdanie 3-e, pererabotannoe I dopolnennoe (Metallurgy and heat treatment of metals. Third edition, revised and enlarged), Moscow, Metallurgiya, 1983, 359 p. (in Russian)Молотилов Б. В. Прецизионные сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1974. 448 с.Molotilov B. V. Precizionnie splavi. Spravochnik (Precision alloys. Handbook), Moscow, Metallurgiya, 1974, 448 p. (in Russian)Арзамасов Б. Н., Соловьева Т. В., Герасимов С. А. Справочник по конструкционным материалам. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 640 с.Arzamasov B. N., Soloviev T. V., Gerasimov S. A. Spravochnik po konstrukchionim materialam: Spravochnik (Handbook of Structural Materials: Handbook), Moscow, Publishing house of MGTU im. N. E. Baumana, 2006, 640 p. (in Russian)Егармин Н. Е., Юрин В. Е. Введение в теорию вибрационных гироскопов. М.: БИНОМ, 1993. 111 с.Egarin N. E., Yurin V. E. Vvedenie v teoriyu vibracionnih giroscopov (Introduction to the theory of vibrational gyroscopes), Moscow, Binom, 1993, 111 p. (in Russian).Жбанов Ю. К., Журавлев В. Ф. О балансировке волнового твердотельного гироскопа // Изв. РАН. МТТ. № 4.Zhbanov Yu. K., Zhuravlev V. F. O balansirovke volnovogo tverdotelnogo giroskopa (On balancing a wave solid-state gyroscope, Izv. RAN. MTT, no. 4. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.