Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
и сверхточное измерение положений железнодорожных путей и
нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.
7.5.1 Роторный гироскоп
Механический гироскоп состоит из массивного диска, свободно
поворачивающегося вокруг основной оси вращения, которая удерживается
рамкой, способной вращаться относительно одной или двух осей. Поэтому, в
зависимости от количества осей вращения гироскопы имеют одну или две
степени свободы. Следует отметить, что:
• основная ось вращения гироскопа не будет менять свое
пространственное положение,
при отсутствии внешних сил;
• под действием внешних сил появляется крутящий момент гироскопа,
обусловливающий появление выходного сигнала, пропорциональный
его угловой скорости движения вокруг оси, перпендикулярной
основной оси вращения.
При свободном вращении ротора он всегда стремится сохранить
положение. Если платформа гироскопа вращается вокруг входной оси, у
гироскопа появляется крутящий момент относительно
перпендикулярной
(выходной) оси. Это явление называется прецессией гироскопа. Его можно
объяснить с использованием законов Ньютона для вращательного движения:
Производная во времени от углового момента количества движения
относительно оси равна сумме моментов всех сил механической системы,
приложенной к данной оси. Прецессия всегда имеет направление, при
котором направления вращения ротора и приложенного
момента совпадают.
Рис. 7.10 Измерение скорости и направления перемещения с использованием
механического гироскопа с одной степенью свободы.
7.5.2 Монолитные кремниевые гироскопы
Хотя гироскопы с вращающимся ротором в течение многих лет были
практически единственными устройствами, применяемыми при построении
навигационных устройств, их размеры в настоящее время являются сильно
ограничивающим фактором. Принцип действия таких датчиков 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 роторы, 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 является идеальным
выбором, но она не работает в космосе, под водой, и ее невозможно
использовать там, где размеры и стоимость датчиков имеют решающее
значение.
Более перспективный метод построения гироскопов основан на
применении микротехнологий, позволяющих реализовать
миниатюрные
устройства, в которых вращающийся диск заменяется на вибрирующий
элемент. Все гироскопы вибрационного типа основаны на явлении ускорения
Кориолиса.
Суть его заключается в том, что при применении законов Ньютона к
телам, перемещающимся внутри вращающейся рамки, в уравнениях
движения необходимо учитывать силу инерции, направленную
перпендикулярно к их перемещению. В отличие от
роторных гироскопов, в
которых инерционная масса вращается по кругу, в вибрационных датчиках
подвешенная масса двигается линейно, совершая гармонические колебания.
Если тело движется линейно внутри опорной рамки, вращающейся вокруг
оси, перпендикулярной направлению движения, в нем возникает ускорение
Кориолиса. Это ускорение прямо пропорционально скорости вращения тела
относительно третьей оси, перпендикулярной плоскости, образованной
двумя другими осями.
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.
Рис. 7.11 Микроструктура монолитного кремниевого гироскопа с
вибрирующим кольцом и влияние ускорения на пространственно положение
кольца.
Существует несколько практических способов построения
вибрационных гироскопов, но все их можно разделить на три основные
группы:
• простые вибраторы (масса на пружине, балки);
• уравновешенные вибраторы (камертон);
• тонкостенные резонаторы (цилиндры, кольца, фужеры).
Рис. 7.12 Конструктивное исполнение вибрационного гироскопа.
Твердотельный волновой гироскоп предназначен для работы в
бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС)
гражданского назначения в качестве интегрирующего гироскопа. Принцип
действия основан на свойстве инерционности стоячей волны, возбуждаемой
в полусферическом резонаторе.
Характеризуется высокой точностью и малой потребляемой мощностью.
Ресурс – более 100 000 часов.
Технические характеристики.
Случайный дрейф 0,1
o
/ч
Систематический дрейф ±3,0
o
/ч
Потребляемая мощность 1,5 Вт
Габаритные размеры Ø65 х 92 мм
Масса 350 г
Малогабаритный динамически настраиваемый гироскоп ГВК-16
используется в качестве чувствительного элемента в малогабаритных
датчиках угловых скоростей средней точности многоцелевого межвидового
применения для подвижных объектов, а также в бесплатформенных ИНС и
системах стабилизации.
Достоинства:
• большой диапазон входных угловых скоростей;
• высокая ударная прочность (до 100 ед.)
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Случайный дрейф 0,1-1,0
o
/ч
Дрейф, не зависящий от ускорения ±50
o
/ч
Дрейф, пропорциональный ускорению ± 25
o
/ (ч g)
Крутизна датчиков момента 1000
o
/ (с*А)
Входная угловая скорость:
- постоянно 200
o
/сек
- кратковременно 700
o
/сек
Питание:
- двигатель 18(11) В, 480 Гц
- датчики угла 2,5 В, 19,2 кГц
- обогрев 36 В, 400 Гц
Габаритные размеры Ø32 х 31,5 мм
Масса 85 г
Малогабаритный динамически настраиваемый гироскоп МГ-4
используется в качестве чувствительного элемента в малогабаритных
датчиках угловых скоростей средней точности многоцелевого межвидового
применения для подвижных объектов, а также в бесплатформенных ИНС и
системах стабилизации. Имеет большой диапазон входных угловых
скоростей
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Случайный дрейф 0.2 º/ч
Дрейф, не зависящий от ускорения ±25 º/ч
Дрейф,пропорциональный ускорению ± 25 º/ (ч g)
Крутизна датчиков момента 400 º/ (сек А)
Время готовности:
- постоянно 60 º/сек
- кратковременно 300 º/сек
Случайная вибрация 4,5 g, 20 – 2000 Гц
Линейное ускорение 12 g
Механический удар 15 g (r =15 мсек)
Питание:
- двигатель 15(11) В, 360 Гц ±10%
- датчики угла 2,5 В, 19,2 кГц
- обогрев 115 В 400 Гц
Диапазон температур от – 60 º C до +60 ºC
Габаритные размеры 46 х 42 x 42 мм
Масса 200 г
Микромеханический гироскоп ММГ предназначен для использования в
качестве датчика угловой скорости в автомобилестроении, робототехнике,
спортивных тренажерах, медицинском оборудовании, системах виртуальной
реальности, бытовой технике, детских игрушках.
Микромеханический гироскоп состоит из кремниевого датчика и блока
электроники.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Диапазон измерения ±100 º/с
Погрешность масштабного коэффициента в диапазоне температур ± 3,0 %
Нелинейность масштабного коэффициента ± 1,0 %
Изменение постоянной составляющей в диапазоне температур ± 2,0 º/с
Постоянная составляющая дрейфа ± 0,3 º/с
Случайная составляющая дрейфа 0,1 º/с
Напряжение питания 5 В
Условия эксплуатации – 40ºС + 85ºС
Габаритные размеры:
- датчика Ø26 х 12 мм
- гироскопа 35 х 35 х 30 мм<
Масса гироскопа 40 г
7.5.3 Оптические гироскопы
Многие современные датчики, используемые в системах контроля и
управления, реализуются на основе эффекта Саньяка, проиллюстрированного
на рис.
Рис. 7.13 Эффект Саньяка.
Два лазерных луча света распространяются в противоположных
направлениях внутри оптического кольца радиуса ®, обладающего
коэффициентом преломления (n). Соответственно один луч перемещается по
часовой стрелке, а второй – против часовой стрелки. Разница между путями,
пройденными встречными лучами света составит:
. (7.1)
Для точного измерения частоты вращения необходимо корректно
определять разность хода лучей. Для этого используют три типа устройств:
• оптические резонаторы,
• интерферометры без обратных связей,
• интерферометры с обратными связями.
В кольцевом лазерном гироскопе для определения разности хода
используют 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 и частота излучения должны
изменяться:
. (7.2)
При вращении кольцевого лазера 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 когерентных волн. Отсюда можно найти разность частот между
световыми лучами. При смешивании двух лучей частот результирующего
сигнала определяется выражением:
, (7.3)
где А – площадь внутри кольца.
На практике оптические гироскопы строятся либо на основе
оптоволоконного кольцевого резонатора, либо на основе оптоволоконной
катушки, состоящей из многих витков оптоволокна.
Рис. 7.14 Устройство и принцип работы оптических гироскопов: А -
оптоволоконный кольцевой резонатор, Б – аналоговый гироскоп на основе
оптоволоконной катушки.
Такие оптические гироскопы сравнительно недороги, имеют
небольшие размеры. 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 датчиков является их способность работать в суровых
условиях окружающей среды, где не могут работать механические
гироскопы.
В 1962 году Брайан Джозефсон из университета Кэмбриджа
предположил, что электрический ток может проходить между
сверхпроводящими материалами, даже если их будет разделять тонкий слой
изолятора. На основе эффекта Джозефсона Ричардом Паккадром и его
коллегой
по Калифорнийскому университету был сделан прибор квантовый
гироскоп, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его
угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов,
атомных ядер или фотонов.
Квантовые гироскопы
Квантовый гироскоп, прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела
и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических
свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
Рис. 1 Квантовый гироскоп.
Лазерный (оптический) гироскоп.
Рис. 2. Схема лазерного гироскопа: 1, 2, 4 — непрозрачные зеркала; 3 —
полупрозрачное зеркало; 5 — фотодетектор.
Датчиком оптического гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий
две бегущие навстречу друг другу световые волны, которые
распространяются по общему световому каналу в виде узких
монохроматических световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 1)
состоит из трёх (или больше) зеркал 1, 2, 3, смонтированных на жёстком
основании и
образующих замкнутую систему. Часть света проходит через
полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны,
генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии
рабочего вещества), определяется условием, согласно которому бегущая
волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же
фазой, которую имела вначале. Если прибор неподвижен, то это
имеет место,
когда в периметре Р контура укладывается целое число n длин волн l0, т. е. Р