Сегодня читали статью (1)
Немагнитное измерение азимута с использованием мет электрохимических датчиковИЗОБРЕТЕНИЕ
|
Таблица 1. Сравнение характеристик MET углового акселерометра с другими имеющимися в продаже угловыми датчиками. | |||||
Параметр | Продвинутый MEMS гироскоп (Analog Devices ADXRS610) | Продвинутый proof mass угловой акселерометр (Columbia Research Lab SR-107RFR) | Кварцевый датчик скорости (Systron-Donner QRS-11) | MET угловой акселерометр | |
Собственные шумы | 0.05°/сек2/![]() |
2 мВ RMS (от DC до 400 Гц) | <0.0°/сек2/![]() |
5*10 -3°/сек2/![]() |
|
Размер | >400 мм3>400 мм3 | ||||
Ударопрочность | 2000 G | 1000 G | 200 G | По меньшей мере 20,000 G, в проекте до 50,000 G | |
Накопленная погрешность | 20°/час | 50°/час | 0.01°/час | Эквивалент 3°/час | |
Динамический диапазон | 64 dB | - | 80 dB | 105 dB | |
Потребляемая мощность | 6 мА | 20 мА | ![]() |
1.3 мА |
Имеющиеся в настоящее время MET угловые датчики не позволяют измерять скорость до DC (до постоянного тока) и таким образом не позволяют непосредственно измерять скорость вращения Земли. Однако проведенный эксперимент показал, что MET датчик скорости позволяет измерять (находить) истинный Север с использованием модуляции (аналогично гирокомпасу), как это описано далее более подробно.
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются MET датчики, которые позволяют немагнитно с высокой точностью обнаруживать азимут. MET датчики угловой скорости (диаметром 50 мм) были установлены на вращающейся платформе так, что их ось чувствительности была расположена перпендикулярно оси платформы. Ось вращения Земли имеет проекцию на плоскость тороидального канала углового датчика. В процессе вращения платформы эта проекция вектора вращения Земли изменяется синусоидально в соответствии с частотой вращения платформы. Амплитуда измеренного сигнала дает одну горизонтальную проекцию скорости вращения Земли при местной широте. Фаза сигнала несет информацию относительно направления истинного Севера. Идеально в случае датчика угловой скорости максимум наблюдаемого выходного сигнала соответствует направлению на Север. На практике, имеется некоторая фазовая погрешность выходного сигнала датчика, которая может быть скомпенсирована с использованием заданной фазовой характеристики датчика. Другим путем коррекции фазовых погрешностей является проведение двух последовательных тестов: сначала с вращением датчика по часовой стрелке, а затем против часовой стрелки. Истинный Север будет точно посредине между максимальными пиками выходного сигнала при вращениях по часовой стрелке и против часовой стрелки.
Имитатор движения вдоль одной оси, установленный в термостабилизированной камере, был использован для создания и контроля движения вращения. Экспериментальная конфигурация показана на фиг.3.
Различные эксперименты были проведены при различных скоростях платформы с использованием нескольких разных датчиков. На фиг.4 показан сигнал от датчика в функции времени во время вращения платформы. На фиг.5 показан график спектра сигнала в полярной форме (фаза, амплитуда). Сигнал имеет период, соответствующий частоте вращения платформы, причем горизонтальная проекция скорости вращения Земли при местной широте может быть вычислена из амплитуды сигнала с использованием калиброванного коэффициента чувствительности датчика. Для нахождения направления на Север определяют фазовый сдвиг между максимумом выходного сигнала и нулевым показанием углового положения вращения платформы в направлениях по часовой стрелке и против часовой стрелки. Истинное направление на Север относительно нуля углового датчика может быть найдено как половина разности между фазовыми сдвигами в этих двух экспериментах.
Анализ измеренных значений угла между осью чувствительности датчика и направлением на географический Север показал, что они имеют девиацию не больше чем 0.10 градуса (1.8 мил) от фактического значения при всех частотах вращения с наилучшим совпадением (0.02 градуса, или ~0.4 мил) при самой низкой частоте. Эти результаты были подтверждены независимыми измерениями, проведенными третьей стороной. Эти данные показывают, что MET датчик угловой скорости может быть использован для измерения истинного Севера с очень высокой точностью, если использовать модуляцию. Таким образом, устройство для измерения азимута может быть сконструировано с использованием датчика скорости, установленного на вращающейся платформе, что позволяет создать точный датчик азимута. Однако фирма MET Tech разработала истинный гироскоп на базе MET преобразователя, который имеет еще более высокие характеристики при меньших размерах, как это описано далее более подробно.
MET гироскоп
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается MET гироскоп. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения признают, что для создания MET гироскопа необходима конструкция MET устройства с вращающейся инерциальной массой. Одна примерная конструкция MET гироскопа в соответствии с настоящим изобретением показана схематично на фиг.6. Инструмент содержит два флюидных канала, которые пересекаются под прямым углом. Роторный канал (1) создает вращение электролита, который содержится в магнетогидродинамических (MHD) ячейках (2). Канал 2 содержит молекулярный электронный преобразователь (3) и служит как канал измерения. На фиг.6 видна одна часть канала измерения, а другая его часть расположена позади роторного канала. В предпочтительных вариантах осуществления каждая MHD ячейка содержит два электрода (4), которые расположены в магнитном поле, возбуждаемом при помощи постоянных магнитов (5).
Устройство, показанное на фиг.6, работает следующим образом. Когда корпус вращается вокруг оси перпендикулярно к роторному каналу с угловой скоростью О, падение давления (ДР) возникает вокруг преобразователей в измерительном канале за счет силы Кориолиса, воздействующей на жидкость в роторном канале:
Р=4
V
L,
где представляет собой плотность электролита, V представляет собой скорость жидкости в роторном канале, a L представляет собой ширину роторного канала по оси X. Это выражение показывает, что этот инструмент работает как типичный гироскоп и вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный угловой скорости, до постоянного тока. Расчеты характеристик MET гироскопа, выполненного на базе этой конструкции, показали, что стабильность смещения может быть непосредственно связана со скоростью жидкости в роторном канале, причем при скорости жидкости в диапазоне 1-26 см/сек (в зависимости от размеров устройства) получают погрешность гироскопа
гироскоп, составляющую всего 1.2×10 -5 радиан (6.8×10-4 градусов).
В предпочтительных конструктивных вариантах поток жидкости в роторном канале является постоянным или почти постоянным. Чтобы исключить флуктуации этого потока, полезно иметь средства измерения расхода и механизм обратной связи для регулировки скорости нагнетания. Это может быть осуществлено при помощи различных средств, одним из которых может быть установка дополнительного MET преобразователя в роторном канале для этой цели.
В предпочтительных конструктивных вариантах гироскоп в соответствии с настоящим изобретением также имеет объединенные с ним электронику управления для регулировки нагнетания жидкости в роторный канал, для подачи питания на преобразователи, для корректировки сигнала с учетом колебаний температуры и для осуществления других стандартных функций обработки сигнала, чтобы получать линейный сигнал.
Собственные шумы MET датчиков в MET гироскопе
Анализ характеристик гироскопа показал, что имеются следующие основные источники шума (и, таким образом, источники погрешностей).
Тепловые гидродинамические собственные шумы. В существующих MET ячейках тепловые гидродинамические собственные шумы являются доминирующими при низких частотах и являются источником долговременных стохастических ошибок, которые в случае гироскопа называют нестабильностью смещения. Тепловые гидродинамические собственные шумы являются результатом флуктуации разности давлений на обеих сторонах MET преобразователя.
Наиболее важным выводом из анализа тепловых гидродинамических собственных шумов является то, что чем выше будет скорость вращения жидкого ротора, тем ниже будет погрешность гироскопа. Если произвести количественную оценку, то при данной скорости вращения жидкого ротора 20 см/сек получают погрешность гироскопа
гироскоп=0,0023 градуса, что достаточно для навигационного гироскопа.
Собственные шумы. вызванные конвекцией. Вызванные конвекцией собственные шумы являются результатом естественной конвекции жидкости. Даже если жидкость в целом является стабильной, небольшие местные отклонения плотности жидкости создают вертикальные потоки. Эти потоки создают дополнительную погрешность выходного сигнала MET ячейки. Вызванные конвекцией собственные шумы становятся более значимым фактором при повышении концентрации (и, таким образом, плотности) электролита. Это означает, что не следует без необходимости повышать концентрацию электролита (например, в попытке повышения скорости в MHD ячейке). Однако расчеты показывают, что вызванные конвекцией собственные шумы не создают значительных проблем при полезном диапазоне концентраций электролита.
Шумы, связанные с турбулентной пульсацией. Как уже было указано здесь выше, чувствительность молекулярно-электронного гироскопа прямо зависит от скорости электролита в роторном канале.
Однако при повышении скорости электролита в роторном канале может возникать турбулентность. Это потенциально может способствовать появлению дополнительных шумов в измерительном канале и приводить к увеличению собственных шумов инструмента, если не принять соответствующие меры для создания нетурбулентного течения. Таким образом, повышение скорости течения в роторном канале приводит к снижению тепловых гидродинамических шумов, но одновременно потенциально увеличивает шумы, связанные с турбулентной пульсацией. Из этого следует, что оптимальным течением, с точки зрения отношения, сигнал-шум является течение с самой высокой скоростью, которое может быть достигнуто до перехода в режим турбулентного течения. Моделирующие расчеты показали, что для некоторых конструктивных вариантов режим течения в роторном канале будет ламинарным при скоростях течения 20 см/сек и выше, так что связанные с турбулентной пульсацией шумы не будут оказывать вредного влияния на характеристики гироскопа.
Дробовой шум представляет собой тип электронного шума, который возникает тогда, когда конечное число частиц, которые переносят энергию, таких как электроны в электронной цепи или фотоны в оптическом устройстве, является достаточно малым для того, чтобы возникали обнаруживаемые статистические флуктуации в измерении. Дробовой шум является существенным фактором для MET гироскопа только в том случае, когда коэффициент преобразования преобразователя является очень низким, что может быть, если площадь преобразователя является малой и/или концентрация активных разновидностей (трехйодистых соединений) в электролите является малой. Так что дробовой шум не вносит существенный вклад в шумы MET гироскопа.
Электронные собственные шумы. Электроника для формирования сигнала для MET ячеек содержит преобразователь тока в напряжение и фильтры. Фильтры имеют единичное усиление в полосе пропускания инструмента и практически не создают электронные собственные шумы.
Для снижения электронных собственных шумов преобразователь должен иметь высокий импеданс и высокий коэффициент преобразования. Кроме того, следует использовать операционные усилители с низким уровнем шума. Во всех MET ячейках электронные собственные шумы начинают оказывать влияние при относительно высоких частотах (обычно свыше 40-50 Гц), если вообще оказывают влияние, так что можно ожидать, что в случае гироскопа они являются только второстепенным источником полных собственных шумов.
Пример 1: Измерительный эксперимент по поиску Севера с использованием MET датчика угловой скорости
В этом примере приведены результаты экспериментов, проведенных с использованием существующего MET датчика угловой скорости, установленного на вращающейся платформе, который позволяет обнаруживать вращение Земли при помощи модуляции аналогично гирокомпасу. Проведенные эксперименты показали возможность обнаружения истинного Севера с отклонением не более 0.1 градуса (1.8 мил). Это показывает, что MET технология имеет параметры чувствительности и шума, требуемые для обнаружения азимута с уровнем точности, который требуется для применений локализации цели.
Пример 2: Экспериментальное исследование жидкого ротора для определения уровня шума
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения было обнаружено, что существенной характеристикой, влияющей на работу магнетогидродинамического (MHD) насоса, является падение давления, созданное за счет силы Лоренца, воздействующей на движущийся свободный заряд. Как правило, соответствующее падение давления зависит от MHD геометрии, величины магнитного поля и электрического тока через ячейку.
Для того чтобы определить способна ли MHD накачка создавать скорость жидкого ротора, которая требуется для того, чтобы получить вычисленную здесь выше погрешность гироскопа, были проведены некоторые предварительные эксперименты для измерения скорости жидкости, которая может быть достигнута в роторном канале. Эля этого был изготовлен макет жидкого роторного канала, аналогичный показанному на чертежах. В этом эксперименте была достигнута скорость 20 см/сек в таком же электролите, который используют в MET ячейках. Таким образом, представленная здесь оценка достижимой погрешности гироскопа согласуется с моделью, которая учитывает в основном тепловой гидродинамический шум.
Таблица 2 | |||
Проектные критические параметры MET гироскопа на различных стадиях разработки | |||
Параметр | Лабораторный макет (Макрошкала) | Фаза II Средняя шкала | Фаза III Миниатюрная шкала |
Стабильность дрейфа смещения | |||
Стабильность коэффициента масштабирования | |||
Угловой случайный дрейф (ARW) | |||
Диапазон полной шкалы | >50°/s | >100°/s | >300°/s |
Ширина полосы пропускания | DC-10 Гц | DC-150 Гц | DC-300 Гц |
Энергопотребление | 60 мВт | 7 мВт | |
Диапазон рабочих температур | от -55°С до +75°С | от -55°Сдо +850C | от -55°С до +85°С |
Размеры (без электроники управления) | 40×40×30 мм | 20×20×15 мм | 15×15×15 мм |
На базе этого нового гироскопа фирма MET Tech разработала конструкцию системы обнаружения азимута с точностью лучше чем 1 мил. Были продемонстрированы компоненты нового гироскопа, в том числе конструкция флюидного ротора со скоростью нагнетания, достаточной для достижения указанного выше уровня погрешности. Моделирующие расчеты позволили получить характеристики, показанные в Таблице 2 для MET гироскопа на различных стадиях разработки.
Фирма MET Tech разработала семейство инерциальных датчиков на базе электрохимического механизма определения направления с привлекательной комбинацией высоких характеристик, прочности, низкого энергопотребления, малых размеров и потенциально низкой стоимости. Разработанные устройства показали характеристики, сравнимые с характеристиками серийных датчиков, имеющих намного большие размеры и более высокую стоимость. Проведенные эксперименты показали, что MET датчики угловой скорости могут быть использованы для измерения направления на истинный Север с точностью лучше чем 2 мил, если использовать модуляцию. Новый MET истинный гироскоп позволяет обнаруживать азимут с еще большей точностью.
Формула изобретения
1. Гироскоп, который содержит:
два пересекающихся флюидных канала,
при этом первый флюидный канал образует первый замкнутый контур, а второй канал образует второй замкнутый контур;
причем первый канал сконфигурирован для создания циркуляции жидкого электролита через первый замкнутый контур, а второй канал содержит молекулярный электронный преобразователь, предназначенный для измерения электрического тока во втором замкнутом контуре.
2. Гироскоп по п.1, в котором циркуляция жидкого электролита в первом флюидном канале поддерживается за счет магнетогидродинамических сил.
3. Гироскоп по п.2, в котором магнетогидродинамические силы созданы за счет магнетогидродинамической ячейки, содержащей постоянные магниты.
4. Гироскоп по п.3, в котором магнетогидродинамическая ячейка дополнительно содержит множество электродов внутри магнитного поля, возбужденного при помощи постоянных магнитов.
Имя изобретателя: АГАФОНОВ Вадим М. (RU), ЕГОРОВ Иван (RU), РАЙС Кэтерин (US)
Имя патентообладателя: МЕТ ТЕК ИНК. (US)
Почтовый адрес для переписки: 119019, Москва, Гоголевский бульвар, 11, этаж 3, "Гоулингз Интернэшнл Инк.", Дементьеву Владимиру Николаевичу
Дата начала отсчета действия патента: 06.08.2010
Разместил статью: miha111
Дата публикации: 21-01-2015, 09:37
html-cсылка на публикацию |
⇩ Разместил статью ⇩
![]() Имя не указано |
|
BB-cсылка на публикацию | ||
Прямая ссылка на публикацию |
![]() | miha111 Публикаций: 1481 Комментариев: 0 |
![]() | pi31453_53 Публикаций: 9 Комментариев: 0 |
![]() | vikremlev Публикаций: 1 Комментариев: 0 |
![]() | АНАТОЛИЙ Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | Patriothhv Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | agrohimwqn Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | agrohimxjp Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | Patriotzqe Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | kapriolvyd Публикаций: 0 Комментариев: 0 |
![]() | agrohimcbl Публикаций: 0 Комментариев: 0 |