|
|
|
ГИРОСКОПЫТаким образом, в зависимости от количества осей вращения гироскопы имеют одну или две степени свободы. рекомендуется отметить, что: 1. Основная ось вращения свободного гироскопа не будет менять свое пространственное положение, при отсутствии внешних сил, действующих не нее 2. При соответствующем изготовлении крутящий момент гироскопа (его выходной сигнал) пропорционален его угловой скорости движения вокруг оси, перпендикулярной основной оси вращения. При свободном вращении диска (ротора) он всегда стремится сохранить свое осевое положение. Если платформа гироскопа вращается вокруг входной оси, у гироскопа появляется крутящий момент относительно перпендикулярной (выходной) оси, заставляющий основную ось вращения поворачиваться вокруг выходной оси. Это явление называется прецессией гироскопа. Его можно объяснить при помощи закона Ньютона для вращательного движения: Производная во времени от углового момента количества движения относительно любой заданной оси равна сумме моментов всех сил механической системы, приложенных к данной оси. Это означает, что когда к входной оси приложен момент Г и скорость ft) диска поддерживается постоянной, угловой момент ротора может быть изменен только путем поворота проекции оси вращения относительно входной оси.Для определения направления прецессии можно воспользоваться следующим правилом: Прецессия всегда имеет направление, при котором направления вращения ротора и приложенного механического момента совпадают. Точность механических гироскопов сильно зависит от воздействия внешних нежелательных сил, вызывающих дополнительные моменты вращения, что приводит к дрейфу характеристик. 
Рис. 8.10. Механический гироскоп с одной степенью свободы
Источниками возникновения этих сил являются: трение, несбалансированность ротора, магнитные поля и т.д. Для уменьшения сил трения стремятся избавиться от подвесной системы крепления, для чего ротор и управляющий двигатель иногда помещают в вязкую жидкость, обладающую высокой плотностью, к примеру, во фторуглеводород. В этом методе требуется строго контролировать температуру жидкости. К тому же такое устройство становится повышенно подверженным старению. Другой способ уменьшения трения — использование, так называемой, газовой опоры, это когда ось ротора удерживается газом под высоким давлением. В качестве газа может использоваться гелий, водород или просто воздух. Еще более интересным решением является поддержка ротора в вакууме при помощи электрического поля (речь идет об электростатических гироскопах). Существуют также магнитные гироскопы, в которых ротор удерживается магнитным полем. При изготовлении такие устройства охлаждаются криогенным способом до температур, при которых ротор становится сверхпроводящим. После чего при помощи внешнего магнитного поля внутри ротора формируется достаточно сильное противодействующее поле, позволяющее ротору свободно вращаться в вакууме. Такие магнитные гироскопы часто называются криогенными. Монолитные кремниевые гироскопы Хотя гироскопы с вращающимся ротором в течение многих лет были практически единственным устройствами применяемыми при построении навигационных устройств, их размеры в настоящее время являются сильно ограничивающим фактором. Однако принцип действия таких сенсоров не позволяет реализовать их в виде миниатюрных монолитных устройств. К тому же все части традиционных механических гироскопов: рамки, подвесные конструкции, моторы и роторы, требуют высокой точности при изготовлении и сборке, что обуславливает их высокую стоимость. Наличие в датчиках таких элементов как моторы и подвесы, приводит к тому, что вследствие их повышенного износа, гироскопы удовлетворяют объявленным характеристикам в течение только ограниченного количества рабочих часов. Поэтому и возникла потребность в разработке альтернативных устройств для определения направления и скорости движения объектов. В ряде случаев глобальная система навигации (GPS) является идеальным выбором, но она не работает в космосе, под водой, и ее невозможно использовать там, где размеры и стоимость сенсоров имеют решающее значение. Более перспективный метод построения гироскопов основан на применении микротехнологий, позволяющих реализовать миниатюрные устройства, в которых вращающийся диск заменяется на вибрирующий элемент. Такой подход дает возможность использовать технологии, применяемые в электронной промышленности для налаживания серийного выпуска монолитных сенсоров ускорений. В дополнение к этому гироскопы вибрационного типа имеют более прочную конструкцию и могут работать в довольно суровых окружающих условиях, поэтому они нашли широкое применение в военных и аэрокосмических приборах. Все гироскопы вибрационного типа основаны на явлении ускорения Кориолиса. Эффект Кориолиса, объясняемый силой инерции, был описан французским инженером-математиком Густавом-Гаспаром Кориолисом в 1835 году. Гироскоп является самым популярным навигационным датчиком (пожалуй, он уступает первенство только компасу). Во многих ситуациях, когда геомагнитное поле либо отсутствует (как в космосе), либо по каким-либо причинам сильно нарушено, гироскоп является необходимым устройством для определения положения транспортных средств. Гироскоп в переводе означает «хранитель направления», также как маятник в часах является «хранителем времени». Принцип действия гироскопов основан на фундаментальном законе сохранения угловых моментов: «В произвольной замкнутой системе (в той отсутствуют внешние силы) сумма угловых моментов всех ее частей относительно любой неподвижной точки пространства всегда остается постоянной» Роторный гироскоп Механический гироскоп состоит из массивного диска, свободно поворачивающегося вокруг основной оси вращения (рис. 8.10), которая удерживается рамкой, способной вращаться относительно одной или двух осей. Кориолис показал, что при применении законов Ньютона к телам, перемещающимся внутри вращающейся рамки, в уравнениях движения необходимо учитывать силу инерции, направленную вправо от направления движения тела, при вращении рамки против часовой стрелки, и влево — при вращении по часовой стрелке Если тело движется линейно внутри опорной рамки, вращающейся вокруг оси, перпендику лярной направлению движения, в нем возникает ускорение Кориолиса. 
(В)
Рис. 8.11. А — ускорение Кориолиса, Б — микроструктура с
вибрирующим кольцом, В — влияние ускорения на режимы вибрации кольца
Это ускорение прямо пропорционально скорости вращения тела относительно третьей оси, перпендикулярной плоскости, образованной двумя другими осями (рис. 8.11А). В микрогироскопах вращение заменено на вибрацию, а по величине возникающего ускорения можно судить о скорости движения. В отличие от роторных гироскопов, в которых инерционная масса вращается по кругу, в вибрационных датчиках подвешенная масса двигается линейно, совершая гармонические колебания. Существует несколько практических способов построения вибрационных гироскопов, но все их можно разделить на три основные подгруппы: 1. Простые вибраторы (масса на пружине, балки), 2. Уравновешенные вибраторы (камертон), 3. Тонкостенные резонаторы (фужеры, цилиндры, кольца) На практике были реализованы гироскопы всех трех перечисленных типов. Самый первый вибраторный гироскоп состоял из двухрамочной структуры, подвешенной на двух вращающихся изгибных элементах (рис. 8.12). Структура имеет внутренние прорези, обеспечивающие свободное движение подвижных частей в активной области. Во время работы на внешнюю рамку («мотор») действует крутящий момент, возникающий из-за электростатических сил, появляющихся при подаче на электроды соответствующего управляющего напряжения, в результате чего она совершает колебательные движения с постоянной амплитудой. Эти вибрации передаются на внутреннюю рамку через внутренний изгибной элемент, вследствие чего инерционная масса также начинает колебаться. Если при этом гироскопический элемент будет совершать движение с угловой скоростью Ј2 вокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости устройства, сила Кориолиса заставит внутреннюю рамку вибрировать относительно выходной оси с частотой, равной управляющей частоте, и амплитудой, пропорциональной входной скорости Q. Максимальная разрешающая способность достигается тогда, когда управляющая частота, поданная на внешнюю рамку, совпадает с резонансной частотой внутренней рамки. О величине входной угловой скорости судят по изменению емкости между внутренней рамкой и парой электродов. При работе по схеме без ОС угловое перемещение внутренней рамки относительно выходной оси пропорционально входной угловой скорости. Это значит, что выходной угол в прямо пропорционален отношению моментов инерции, механической добротности Q, управляющему углу ф0 и входной скорости Q, и обратно пропорционален управляющей скорости о)п: 
При работе по схеме с ОС внутренняя рамка балансируется так,
чтобы достигался ноль по фазе и квадратуре. Более подробное описание данного
гироскопа приведено в [7].
Рис. 8.12. Принципиальная схема вибрационного гироскопа
Одна из последних разработок — гироскоп, относящийся к
третьей группе, разработанный British Aerospace Systems and Equipment и ее
партнером Sumitomo Precision Products Company Ltd.. Это монолитное кремниевое
микроустройство реализовано на основе кольцевого резонатора. Кремний обладает
отличными механическими свойствами. к примеру, кремний в кристаллическом
состоянии обладает пределом прочности 7 ГПа, что выше, чем для многих видов
стали. Если принять во внимание низкую плотность кремния (2330 кг/м3), можно
убедиться, что для своего веса кремниевые кристаллы являются очень прочным
материалом. Чтобы гироскоп обладал стабильными характеристиками на протяжение
всего срока службы вне зависимости от условий окружающей среды, его резонатор
изготавливается из кристаллического кремния методом травления. Плоская форма
вибрирующего кольца гарантирует концентрацию всей мощности колебаний внутри
одной плоскости. Поэтому в данной конструкции не возникает паразитных связей
между плоскостями, что гарантирует стабильность параметров колебаний в широком
температурном диапазоне. Для корректной работы резонатора подвесная конструкция
должна обеспечивать ему, как можно, более свободное движение. На рис. 8.11Б
отображен чувствительный элемент такого гироскопа. Резонатор состоит из 6-мм
кремниевого кольца, подвешенного на восьми радиальных гибких перекладинах,
прикрепленных к опорной рамке 10x10 мм. Токопроводящие дорожки нанесены только
на верхнюю поверхность устройства, а контактные площадки для подсоединения
проводов расположены на внешней части опорной рамки. Кристалл методом анодного
сплавления соединяется со стеклянной пластиной, при этом температурные
коэффициенты пластины и кремния должны совпадать. В полученной конструкции
существует восемь идентичных проводящих контуров, каждый из которых состоит: из
контактной площадки, опорного ответвления, 1/8 части кольца, следующего
опорного ответвления и следующей контактной площадки. Каждое опорное
ответвление состоит из двух проводников, принадлежащих двум соседним контурам,
и третьего вспомогательного проводника, расположенного между первыми двумя,
используемого для снижения емкостной связи. Сюда же для формирования плоскости
заземления подсоединена и кремниевая подложка. Резонатор возбуждается при
помощи любого подходящего преобразователя, который может быть и оптическим, и
электростатическим, и пьезоэлектрическим, и электромагнитным, и тепловым. Сигнал возбуждения подается либо на поддерживающую структуру, либо на сам
резонатор. Основная частота колебаний составляет 14.5 кГц. На рис. 8.11 В-Е
проиллюстрировано влияние линейного и углового ускорения на резонатор. На рис. 8.11В
отображен вид резонатора сбоку при отсутствии ускорений, на рис. 8.11Г — влияние
линейного ускорения вдоль оси z, на рис. 8.11Д — влияние углового ускорения
относительно оси х, а на рис. 8.1 IE — влияние углового ускорения относительно
оси у. Поскольку положение кольца меняется по отношению к рамке, в конструкцию
устройства должен входить датчик перемещений, детектирующий движения
резонатора: электромагнитный, емкостной, оптический, пьезоэлектрический или
тензочувствительный. В рассматриваемом гироскопе используется магнитный принцип
преобразований, для чего внутри устройства при помощи магнита из самариевого
кобальта формируется магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости
кольца. Вся конструкция размещается в стандартном герметичном металлическом
корпусе для ИС.
Оптические гироскопы Многие современные датчики, используемые в системах контроля и управления, реализуются на основе эффекта Саньяка, проиллюстрированного на рис. 8.13. Два лазерных луча света распространяются в противоположных направлениях внутри оптического кольца радиуса R, обладающего коэффициентом преломления п. Соответственно один луч перемещается по часовой стрелке (CW), а второй — против часовой стрелки (CCW). Следовательно, разница между путями составит: 
Очевидно, что для точного измерения Q, необходимо корректно
определять А1. Для этого разработаны три типа устройств: оптические резонаторы,
интерферометры без ОС, интерферометры с ОС.
В кольцевом лазерном гироскопе для определения Al
используются свойства когерентности лазерного излучения. Для возбуждения
лазерного излучения в замкнутой оптической полости вдоль длины кольца должно
укладываться целое количество длин волн. Световые лучи, не удовлетворяющие
этому условию, последовательно проходя оптический путь, интерферируют сами с
собой. Для компенсации изменения длины пути, вызванные вращением кольца, длина
волны Я и частота излучения v должны также меняться:
Выражение является фундаментальным уравнением, связывающим
частоту, длину волны и путь излучения в кольцевом лазере. При вращении
кольцевого лазера со скоростью из уравнения вытекает, что световые волны должны
растягиваться в одном направлении и сжиматься в другом; это необходимо для
получения целого числа длин волн вдоль длины кольца для выполнения критерия
возбуждения коггерентных волн. Отсюда можно найти разность частот между
световыми лучами. При смешивании двух лучей частота результирующего сигнала
определяется выражением:
Рис. 8.13. Эффект Саньяка
где А — площадь внутри кольца.
На практике оптические гироскопы стоятся либо на основе оптоволоконного кольцевого резонатора, либо на основе оптоволоконной катушки, состоящей из многих витков оптоволокна. На рис. 8.14А отображен оптический кольцевой резонатор. Он состоит из оптоволоконной петли, образованной на основе оптоволоконного светоделителя, имеющего очень низкий коэффициент перекрестных связей. Когда частота входящего луча совпадает с резонансной частотой оптоволоконного кольца, большая часть света остается в нем, а интенсивность излучения, дошедшего до детектора, резко падает. 
Рис. 8.14. А — оптоволоконный кольцевой резонатор, Б — аналоговый
гироскоп на основе оптоволоконной катушки
Гироскоп, реализованный на основе оптоволоконной катушки (рис. 8.14Б), состоит из источника света и детектора, связанных оптоволоконными световодами. Между детектором и вторым разветвите -лем размещается поляризатор. Он служит для обеспечения того, чтобы оба встречно направленных луча проходили одинаковый маршрут вдоль катушки [11]. Оба луча смешиваются и направляются на детектор, который регистрирует косинусои-дальные изменения интенсивности излучения, вызванные меняющимся сдвигом фаз между лучами, возникающим из-за вращения катушки. Такие оптические гироскопы сравнительно недороги, имеют небольшие размеры и позволяют реализо-вывать датчики вращения с динамическим диапазоном до 10000. Оптические гироскопы используются для измерения отклонений от заданного направления движения, угла наклона, в системах стабилизации углового положения и также в системах навигации. Основным достоинством таких сенсоров является их способность работать в суровых условиях окружающей среды, где не могут работать механические гироскопы. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
