Гироскоп где применяется: ГИРОСКОП | Энциклопедия Кругосвет

Гироскоп. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Гироскоп – это устройство со свободной осью вращения, способное реагировать на изменение угла ориентирования тела, в котором оно закрепляется. Ключевая особенность прибора в сохранении неизменного положения, что позволяет его использовать как датчик для определения перемещения и поворота объекта, в котором он расположен.

В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.

Разновидности гироскопов по принципу действия

Конструкцию гироскопа принято разделять на две группы по принципу действия:

1. Механические.
2. Оптические.

Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.

Механические

Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве. Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил. При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.

Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. По данному принципу изготовляется спортивный кистевой гироскопический тренажер. Такой прибор представляет собой шар, внутри которого располагается гироскопический элемент со своей осью вращения.

Для его запуска применяется небольшой шнурок, который наматывается на центральную часть тренажера. При его выдергивании центральное тело начинает вращаться по своей оси, при этом внешняя оболочка тренажер раскручивается кистью по часовой стрелке. Вращающееся центральное тело начинает противодействовать оборотам корпуса, создавая значительную нагрузку. При этом такое воздействие лишь ускоряет обороты главного элемента, повышая противодействие. После запуска тренажер сложно удержать в руке, поскольку он постоянно норовит вырваться в разные стороны. Создается впечатление удержания живого объекта.

Оптические

Данная группа устройств представлена несколькими разновидностями. Все они работают на основании физического эффекта Саньяка. Согласно ему, скорость света является постоянной в инерциальной системе отсчетов. При этом если отправить луч в неинерциальной системе, то его скорость поменяется. Если траектория луча будет проходить через место вращения устройства, то произойдет задержка по времени достижения светом конечной точки. Получаемая оптическая разница напрямую зависит от величины углового поворота датчика.

Сфера использования гироскопов

Гироскоп широко используется в:

• Авиации.
• Автомобилестроении.
• Мобильных устройствах и прочая подобная техника.
• Системах стабилизации видеокамер.
• Навигации.

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

Наличие гироскопа обязательно для нормального функционирования навигационных систем. Такие датчики многократно увеличивают фактическую точность определения координат с погрешностью в несколько сантиметров. Дело в том, что навигация по спутниковому сигналу в определенных условиях работает хуже или полностью отказывает. В таком случае ориентация в пространстве возможна только с помощью гироскопа. Это в первую очередь наблюдается при нахождении под землей, под водой или в космосе. Комбинирование спутниковых и гироскопических систем дает возможность добиться максимальной точности определения местоположения движущихся объектов.

Гироскоп является не только полезным, но и интересным устройством, принцип работы которого был внедрен в производство нескольких видов детских игрушек. Примером этого является йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажер. В данном случае ценится качество устройства удерживаться в определенном положении благодаря вращению по главной оси. Что касается свойства гироскопа выступать в качестве датчика, то оно применяется при изготовлении вертолетов на радиоуправлении, квадрокоптеров.

Применение гироскопа в мобильных устройствах, планшетах и прочей портативной техники

В мобильной технике гироскоп применяется благодаря его свойству реагировать на изменение углов ориентации тела. Прибор выступает в качестве датчика, позволяющего определить, что мобильный телефон или планшет был повернут в ту или иную сторону. Наличие устройства позволяет получить информацию об изменении положения тела в 3 плоскостях. Внедренные в гаджеты гироскопы внешне напоминают миниатюрную микросхему.

Благодаря присутствию гироскопа в мобильном телефоне, в том удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным датчик является для реализации управления в играх, в частности гонках. При повороте экрана девайса осуществляется управление автотранспортом без необходимости нажатия на кнопки.

Отличие между гироскопом и акселерометром

Весьма похожим устройством на гироскоп является акселерометр. Последний позволяет определять повороты тела относительно его оси. При этом функционал гороскопа гораздо обширнее.

Он позволяет:

• Определить перемещение в пространстве.
• Указывать стороны света как компас.
• Дает информацию для расчета скорости движения.

Наличие гироскопа позволяет решать те задачи, которые мог бы выполнять акселерометр. При этом использование акселерометра никогда не позволит сделать все то, что возможно с помощью гироскопа. Несмотря на схожесть датчиков, они часто используются в паре, особенно в мобильной технике, смарт-часах, планшетах и т.д. Работая вместе, они позволяют значительно быстрее получать различную информацию по перемещению устройств, что увеличивает скорость ее обработки. Это важно для мобильных игр, квадрокоптеров, гироскутеров.

Похожие темы:

• Квантовый двигатель. Виды и устройство. Работа и применение
• Эффект Холла. Виды и применения. Работа и особенности

ГИРОСКОП • Большая российская энциклопедия

ГИРОСКО́П (от греч. γῦρος – круг, ок­руж­ность и σϰοπέω – на­блю­дать), уст­рой­ст­во, со­вер­шаю­щее бы­ст­рые цик­ли­че­ские (вра­ща­тель­ные или ко­ле­ба­тель­ные) дви­же­ния и чув­ст­ви­тель­ное вслед­ст­вие это­го к по­во­ро­ту в инер­ци­аль­ном про­стран­ст­ве. Тер­мин «Г.» пред­ло­жен в 1852 Ж. Б. Л. Фу­ко для изо­бре­тён­но­го им при­бо­ра, пред­на­зна­чен­но­го для де­мон­ст­ра­ции вра­ще­ния Зем­ли во­круг сво­ей оси. Дол­гое вре­мя тер­мин «Г.» ис­поль­зо­вал­ся для обо­зна­че­ния бы­ст­ров­ра­щаю­ще­го­ся сим­мет­рич­но­го твёр­до­го те­ла. В совр. тех­ни­ке Г. – осн. эле­мент все­воз­мож­ных ги­ро­ско­пич. уст­ройств или при­бо­ров, ши­ро­ко при­ме­няе­мых для ав­то­ма­тич. управ­ле­ния дви­же­ни­ем са­мо­лё­тов, су­дов, тор­пед, ра­кет, кос­мич. ап­па­ра­тов, мо­биль­ных ро­бо­тов, для це­лей на­ви­га­ции (ука­за­те­ли кур­са, по­во­ро­та, го­ри­зон­та, стран све­та), для из­ме­ре­ния уг­ло­вой ори­ен­та­ции под­виж­ных объ­ек­тов и во мно­гих др. слу­ча­ях (напр., при про­хо­ж­де­нии ство­лов што­лен, строи­тель­ст­ве мет­ро­по­ли­те­нов, при бу­ре­нии сква­жин).

Классический гироскоп

Со­глас­но за­ко­нам нью­то­нов­ской ме­ха­ни­ки ско­рость по­во­ро­та оси бы­ст­ров­ра­щаю­ще­го­ся сим­мет­рич­но­го твёр­до­го те­ла в про­стран­ст­ве об­рат­но про­пор­цио­наль­на его собств. уг­ло­вой ско­ро­сти и, сле­до­ва­тель­но, ось Г. по­во­ра­чи­ва­ет­ся столь мед­лен­но, что на не­ко­то­ром ин­тер­ва­ле вре­ме­ни её мож­но ис­поль­зо­вать в ка­че­ст­ве ука­за­те­ля не­из­мен­но­го на­прав­ле­ния в про­стран­ст­ве.

Рис. 1. Прецессия гироскопа. Угловая скорость прецессии 𝛚 направлена так, что вектор собственного кинетического момента H стремится к совмещению с вектором момента M пары сил {P, P’}, P’=–P, дей…

Рис. 2. Классический гироскоп в кардановом подвесе: 1 – внешнее кольцо; 2 – внутреннее кольцо; 3 – ротор.

Про­стей­шим Г. яв­ля­ет­ся вол­чок, па­ра­док­саль­ность по­ве­де­ния ко­то­ро­го за­клю­ча­ет­ся в его со­про­тив­ле­нии из­ме­не­нию на­прав­ле­ния оси вра­ще­ния. Под воз­дей­ст­ви­ем внеш­ней си­лы ось волч­ка на­чи­на­ет дви­гать­ся в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном век­то­ру си­лы. Имен­но бла­го­да­ря это­му свой­ст­ву вра­щаю­щий­ся вол­чок не па­да­ет, а его ось опи­сы­ва­ет ко­нус во­круг вер­ти­ка­ли. Это дви­же­ние на­зы­ва­ет­ся пре­цес­си­ей Г. Ес­ли к оси бы­ст­ро вра­щаю­ще­го­ся сво­бод­но­го Г. при­ло­жить па­ру сил $\{\boldsymbol P, \boldsymbol P′\}, \boldsymbol P′=– \boldsymbol P$, с мо­мен­том $M=Ph$, где $h$ – пле­чо па­ры сил (рис. 1), то (про­тив ожи­да­ния) Г. нач­нёт до­пол­ни­тель­но по­во­ра­чи­вать­ся не во­круг оси $x$, пер­пен­ди­ку­ляр­ной к плос­ко­сти па­ры сил, а во­круг оси $y$, ле­жа­щей в этой плос­ко­сти и пер­пен­ди­ку­ляр­ной оси $z$ вра­ще­ния Г. Ес­ли в к.-л. мо­мент вре­ме­ни дей­ст­вие па­ры сил пре­кра­тит­ся, то од­но­вре­мен­но пре­кра­тит­ся пре­цес­сия, т. е. пре­цес­си­он­ное дви­же­ние Г. безы­нер­ци­он­но. Что­бы ось Г. мог­ла сво­бод­но по­во­ра­чи­вать­ся в про­стран­ст­ве, Г. обыч­но за­кре­п­ля­ют в коль­цах кар­да­но­во­го под­ве­са (рис. 2), ко­то­рый пред­став­ля­ет со­бой сис­те­му твёр­дых тел (ра­мок, ко­лец), по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нён­ных ме­ж­ду со­бой ци­лин­д­рич. шар­ни­ра­ми. Обыч­но при от­сут­ст­вии тех­но­ло­гич. по­греш­но­стей оси ра­мок кар­да­но­во­го под­ве­са пе­ре­се­ка­ют­ся в од­ной точ­ке – цен­тре под­ве­са. За­кре­п­лён­ное в та­ком под­ве­се сим­мет­рич­ное те­ло вра­ще­ния (ро­тор) име­ет три сте­пе­ни сво­бо­ды и мо­жет со­вер­шать лю­бой по­во­рот во­круг цен­тра под­ве­са. Г., у ко­то­ро­го центр масс сов­па­да­ет с цен­тром под­ве­са, на­зы­ва­ет­ся урав­но­ве­шен­ным, ас­та­ти­че­ским или сво­бод­ным. Изу­че­ние за­ко­нов дви­же­ния клас­сич. Г. – за­да­ча ди­на­ми­ки твёр­до­го те­ла.

Осн. ко­ли­че­ст­вен­ной ха­рак­те­ри­сти­кой ро­то­ра ме­ха­нич. Г. яв­ля­ет­ся его век­тор собств. ки­не­тич. мо­мен­та, на­зы­вае­мо­го так­же мо­мен­том ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния или мо­мен­том им­пуль­са, $$\boldsymbol H=I\boldsymbol{\Omega}, \,\,\,(1)$$где $I$ – мо­мент инер­ции ро­то­ра Г. от­но­си­тель­но оси собств. вра­ще­ния, $\boldsymbol \Omega$ – уг­ло­вая ско­рость собств. вра­ще­ния Г. от­но­си­тель­но оси сим­мет­рии.

Мед­лен­ное дви­же­ние век­то­ра собств. ки­не­тич. мо­мен­та Г. под дей­ст­ви­ем мо­мен­тов внеш­них сил, на­зы­вае­мое пре­цес­си­ей Г., опи­сы­ва­ет­ся урав­не­ни­ем$$\boldsymbol {\omega} × \boldsymbol H=\boldsymbol M,\,\,\,(2)$$где $\boldsymbol \omega$ – век­тор уг­ло­вой ско­ро­сти пре­цес­сии, $\boldsymbol H$ – век­тор собств. ки­не­тич. мо­мен­та Г., $\boldsymbol M$ – ор­то­го­наль­ная к $\boldsymbol H$ со­став­ляю­щая век­то­ра мо­мен­та внеш­них сил, при­ло­жен­ных к ги­ро­ско­пу.

Мо­мент сил, при­ло­жен­ных со сто­ро­ны ро­то­ра к под­шип­ни­кам оси собств. вра­ще­ния ро­то­ра, воз­ни­каю­щий при из­ме­не­нии на­прав­ле­ния оси и оп­ре­де­ляе­мый урав­не­ни­ем$$\boldsymbol {M}_g=–\boldsymbol{M}=\boldsymbol H×\boldsymbol \omega,\,\,\,(3)$$на­зы­ва­ет­ся ги­ро­ско­пич. мо­мен­том.

Кро­ме мед­лен­ных пре­цес­си­он­ных дви­же­ний ось Г. мо­жет со­вер­шать бы­ст­рые ко­ле­ба­ния с ма­лой ам­пли­ту­дой и вы­со­кой час­то­той – т. н. ну­та­ции. Для сво­бод­но­го Г. с ди­на­ми­че­ски сим­мет­рич­ным ро­то­ром в бе­зы­нер­ци­он­ном под­ве­се час­то­та ну­та­ци­он­ных ко­ле­ба­ний оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой $$ν=H/A,$$где $A$ – мо­мент инер­ции ро­то­ра от­но­си­тель­но оси, ор­то­го­наль­ной оси собств. вра­ще­ния и про­хо­дя­щей че­рез центр масс ро­то­ра. При на­ли­чии сил тре­ния ну­та­ци­он­ные ко­ле­ба­ния обыч­но дос­та­точ­но бы­ст­ро за­ту­ха­ют.

По­греш­ность Г. из­ме­ря­ет­ся ско­ро­стью ухо­да его оси от пер­во­на­чаль­но­го по­ло­же­ния. Со­глас­но урав­не­нию (2) ве­ли­чи­на ухо­да, на­зы­вае­мо­го так­же дрей­фом, про­пор­цио­наль­на мо­мен­ту сил $M$ от­но­си­тель­но цен­тра под­ве­са Г.:$$ω_{yx}=M/H.\,\,\,(4)$$Уход $ω_{yx}$ обыч­но из­ме­ря­ет­ся в уг­ло­вых гра­ду­сах в час. Из фор­му­лы (4) сле­ду­ет, что сво­бод­ный Г. функ­цио­ни­ру­ет иде­аль­но лишь в том слу­чае, ес­ли внеш­ний мо­мент $M$ ра­вен 0. При этом уг­ло­вая ско­рость пре­цес­сии об­ра­ща­ет­ся в нуль и ось собств. вра­ще­ния бу­дет в точ­но­сти сов­па­дать с не­из­мен­ным на­прав­ле­ни­ем в инер­ци­аль­ном про­стран­ст­ве.

Од­на­ко на прак­ти­ке лю­бые сред­ст­ва, ис­поль­зуе­мые для под­ве­са ро­то­ра Г., яв­ля­ют­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния не­же­ла­тель­ных внеш­них мо­мен­тов не­из­вест­ных ве­ли­чи­ны и на­прав­ле­ния. Форму­ла (4) оп­ре­де­ля­ет пу­ти по­вы­ше­ния точ­но­сти ме­ха­нич. Г.: на­до умень­шить «вред­ный» мо­мент сил $M$ и уве­ли­чить ки­не­тический мо­мент $H$. При вы­бо­ре уг­ло­вой ско­ро­сти Г. не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать од­но из главных ог­ра­ни­че­ний, свя­зан­ных с пре­де­ла­ми проч­но­сти ма­те­риа­ла ро­то­ра из-за воз­ни­каю­щих при вра­ще­нии цен­тро­беж­ных сил. При раз­го­не ро­то­ра вы­ше т. н. до­пус­кае­мой уг­ло­вой ско­ро­сти на­чи­на­ет­ся про­цесс его раз­ру­ше­ния.

Луч­шие совр. Г. име­ют слу­чай­ный уход по­ряд­ка 10^–4–10^–5 °/ч. Ось Г. с по­греш­но­стью 10^–5 °/ч со­вер­ша­ет пол­ный обо­рот на 360° за 4 тыс. лет! Точ­ность ба­лан­си­ров­ки Г. с по­греш­но­стью 10^–5 °/ч долж­на быть вы­ше од­ной де­ся­ти­ты­сяч­ной до­ли мик­ро­мет­ра (10^–10 м), т. е. сме­ще­ние цен­тра масс ро­то­ра из цен­тра под­ве­са не долж­но пре­вы­шать ве­ли­чи­ну по­ряд­ка диа­мет­ра ато­ма во­до­ро­да.

Гироскопические устройства

мож­но раз­де­лить на си­ло­вые и из­ме­ри­тель­ные. Си­ло­вые уст­рой­ст­ва слу­жат для соз­да­ния мо­мен­тов сил, при­ло­жен­ных к ос­но­ва­нию, на ко­то­ром ус­та­нов­лен ги­ро­ско­пич. при­бор; из­ме­ри­тель­ные пред­на­зна­че­ны для оп­ре­де­ле­ния па­ра­мет­ров дви­же­ния ос­но­ва­ния (из­ме­ряе­мы­ми па­ра­мет­ра­ми мо­гут быть уг­лы по­во­ро­та ос­но­ва­ния, про­ек­ции век­то­ра уг­ло­вой ско­ро­сти и т. п.).

Рис. 3. Авиационный гироуказатель курса с воздушным приводом: 1 – основание; 2 – зубчатое колесо синхронизатора; 3 – ручка арретира; 4 – арретир; 5 – шкала азимута; 6 &nd…

Впер­вые урав­но­ве­шен­ный Г. на­шёл прак­тич. при­ме­не­ние в 1898 в при­бо­ре для ста­би­ли­за­ции кур­са тор­пе­ды, изо­бре­тён­ном австр. ин­же­не­ром Л. Об­ри. Ана­ло­гич­ные при­бо­ры в разл. ва­ри­ан­тах ис­пол­не­ния на­ча­ли ис­поль­зо­вать в 1920-х гг. на са­мо­лё­тах для ука­за­ния кур­са (Г. на­прав­ле­ния, ги­ро­по­лу­ком­па­сы), а позд­нее для управ­ле­ния дви­же­ни­ем ра­кет. На рис. 3 по­ка­зан при­мер при­ме­не­ния ги­ро­ско­па с тре­мя сте­пе­ня­ми сво­бо­ды в ави­ац. ука­за­те­ле кур­са (ги­ро­по­лу­ком­па­се). Вра­ще­ние ро­то­ра в ша­ри­ко­под­шип­ни­ках соз­да­ёт­ся и под­дер­жи­ва­ет­ся стру­ёй сжа­то­го воз­ду­ха, на­прав­лен­ной на риф­лё­ную по­верх­ность обо­да. По шка­ле ази­му­та, при­кре­п­лён­ной к на­руж­ной рам­ке, мож­но, ус­та­но­вив ось собств. вра­ще­ния ро­то­ра па­рал­лель­но плос­ко­сти ос­но­ва­ния при­бо­ра, вве­сти тре­буе­мое зна­че­ние ази­му­та. Тре­ние в под­шип­ни­ках не­зна­чи­тель­но, по­это­му ось вра­ще­ния ро­то­ра со­хра­ня­ет за­дан­ное по­ло­же­ние в про­стран­ст­ве. Поль­зу­ясь стрел­кой, скре­п­лён­ной с ос­но­ва­ни­ем, по шка­ле ази­му­та мож­но кон­тро­ли­ро­вать по­во­рот са­мо­лё­та.

Ги­ро­го­ри­зонт, или ис­кусств. го­ри­зонт, по­зво­ляю­щий пи­ло­ту под­дер­жи­вать свой са­мо­лёт в го­ри­зон­таль­ном по­ло­же­нии, ко­гда ес­теств. го­ри­зонт не ви­ден, ос­но­ван на ис­поль­зо­ва­нии Г. с вер­ти­каль­ной осью вра­ще­ния, со­хра­няю­щей своё на­прав­ле­ние при на­кло­нах са­мо­лё­та. В ав­то­пи­ло­тах при­ме­ня­ют­ся два Г. с го­ри­зон­таль­ной и вер­ти­каль­ной ося­ми вра­ще­ния; пер­вый слу­жит для со­хра­не­ния кур­са са­мо­лё­та и управ­ля­ет вер­ти­каль­ны­ми ру­ля­ми, вто­рой – для со­хра­не­ния го­ри­зон­таль­но­го по­ло­же­ния са­мо­лё­та и управ­ля­ет го­ри­зон­таль­ны­ми ру­ля­ми.

С по­мо­щью Г. соз­да­ны ав­то­ном­ные инер­ци­аль­ные на­ви­га­ци­он­ные сис­те­мы (ИНС), пред­на­зна­чен­ные для оп­ре­де­ле­ния ко­ор­ди­нат, ско­ро­сти и ори­ен­та­ции под­виж­но­го объ­ек­та (ко­раб­ля, са­мо­лёта, кос­мич. ап­па­ра­та и т. п.) без ис­поль­зо­ва­ния к.-л. внеш­ней ин­фор­ма­ции. В со­став ИНС кро­ме Г. вхо­дят ак­се­ле­ро­мет­ры, пред­на­зна­чен­ные для из­ме­ре­ния ус­ко­ре­ния (пе­ре­груз­ки) объ­ек­та, а так­же ком­пь­ю­тер, ин­тег­ри­рую­щий по вре­ме­ни вы­ход­ные сиг­на­лы ак­се­ле­ро­мет­ров и вы­даю­щий на­ви­га­ци­он­ную ин­фор­ма­цию с учё­том по­ка­за­ния Г. К нач. 21 в. соз­да­ны на­столь­ко точ­ные ИНС, что даль­ней­ше­го по­вы­ше­ния точ­но­стей для ре­ше­ния мн. за­дач уже не тре­бу­ет­ся.

Раз­ви­тие ги­ро­ско­пич. тех­ни­ки по­след­них де­ся­ти­ле­тий со­сре­до­то­чи­лось на по­ис­ке не­тра­диц. об­лас­тей при­ме­не­ния ги­ро­ско­пич. при­бо­ров – раз­вед­ка по­лез­ных ис­ко­пае­мых, пред­ска­за­ние зем­ле­тря­се­ний, сверх­точ­ное из­ме­ре­ние ко­ор­ди­нат ж. -д. пу­тей и неф­те­про­во­дов, мед. тех­ни­ка и мн. дру­гое.

Неклассические виды гироскопов

Вы­со­кие тре­бо­ва­ния к точ­но­сти и экс­плу­та­ци­он­ным ха­рак­те­ри­сти­кам ги­ро­ско­пич. при­бо­ров при­ве­ли не толь­ко к даль­ней­шим усо­вер­шен­ст­во­ва­ни­ям клас­сич. Г. с вра­щаю­щим­ся ро­то­ром, но и к по­ис­кам прин­ци­пи­аль­но но­вых идей, по­зво­ляю­щих ре­шить про­бле­му соз­да­ния чув­ст­вит. дат­чи­ков для ин­ди­ка­ции и из­ме­ре­ния уг­ло­вых дви­же­ний объ­ек­та в про­стран­ст­ве. Это­му спо­соб­ст­во­ва­ли ус­пе­хи кван­то­вой элек­тро­ни­ки, ядер­ной фи­зи­ки и др. об­лас­тей точ­ных на­ук.

В ги­ро­ско­пе с воз­душ­ной опо­рой ша­ри­ко­вые под­шип­ни­ки, ис­поль­зуе­мые в тра­диц. кар­да­но­вом под­ве­се, за­ме­не­ны «га­зо­вой по­душ­кой» (га­зо­ди­на­мич. опо­рой). Это пол­но­стью уст­ра­ни­ло из­нос ма­те­риа­ла опор во вре­мя ра­бо­ты и по­зво­ли­ло поч­ти не­ог­ра­ни­чен­но уве­ли­чить вре­мя служ­бы при­бо­ра. К не­дос­тат­кам га­зо­вых опор от­но­сят­ся до­воль­но боль­шие по­те­ри энер­гии и воз­мож­ность вне­зап­но­го от­ка­за при слу­чай­ном кон­так­те ро­то­ра с по­верх­но­стью опо­ры.

По­плав­ко­вый ги­ро­скоп пред­став­ля­ет со­бой ро­тор­ный Г., в ко­то­ром для раз­груз­ки под­шип­ни­ков под­ве­са все под­виж­ные эле­мен­ты взве­ши­ва­ют­ся в жид­ко­сти с боль­шой плот­но­стью так, что­бы вес ро­то­ра вме­сте с ко­жу­хом урав­но­ве­ши­вал­ся гид­ро­ста­тич. си­ла­ми. Бла­го­да­ря это­му на мно­го по­ряд­ков сни­жа­ет­ся су­хое тре­ние в осях под­ве­са и уве­ли­чи­ва­ет­ся удар­ная и виб­рац. стой­кость при­бо­ра. Гер­ме­тич­ный ко­жух, вы­пол­няю­щий роль внутр. рам­ки кар­да­но­во­го под­ве­са, на­зы­ва­ет­ся по­плав­ком. Ро­тор Г. внут­ри по­плав­ка вра­ща­ет­ся на возд. по­душ­ке в аэ­ро­ди­на­мич. под­шип­ни­ках со ско­ро­стью по­ряд­ка 30–60 тыс. обо­ро­тов в ми­ну­ту. Для по­вы­ше­ния точ­но­сти при­бо­ра не­об­хо­ди­мо ис­поль­зо­ва­ние сис­те­мы тер­мо­ста­би­ли­за­ции. По­плав­ко­вый Г. с боль­шим вяз­ким тре­ни­ем жид­ко­сти на­зы­ва­ет­ся так­же ин­тег­ри­рую­щим ги­ро­ско­пом.

Рис. 4. Динамически настраиваемый гироскоп с внутренним кардановым подвесом: 1 – ротор; 2 – внутреннее кольцо; 3 и 4 – торсионы; 5 – электродвигатель.

Ди­на­ми­че­ски на­страи­вае­мый ги­ро­скоп (ДНГ) при­над­ле­жит к клас­су Г. с уп­ру­гим под­ве­сом ро­то­ра, в ко­то­рых сво­бо­да уг­ло­вых дви­же­ний оси собств. вра­ще­ния обес­пе­чи­ва­ет­ся за счёт уп­ру­гой по­дат­ли­во­сти кон­ст­рук­тив­ных эле­мен­тов (напр., тор­сио­нов). В ДНГ, в от­ли­чие от клас­сич. Г., ис­поль­зу­ет­ся т. н. внутр. кар­да­нов под­вес (рис. 4), об­ра­зо­ван­ный внутр. коль­цом 2, ко­то­рое из­нут­ри кре­пит­ся тор­сио­на­ми 4 к ва­лу элек­тро­дви­га­те­ля 5, а сна­ру­жи – тор­сио­на­ми 3 к ро­то­ру 1. Мо­мент тре­ния в под­ве­се про­яв­ля­ет­ся толь­ко в ре­зуль­та­те внутр. тре­ния в ма­те­риа­ле уп­ру­гих тор­сио­нов. В ДНГ за счёт под­бо­ра мо­мен­тов инер­ции ра­мок под­ве­са и уг­ло­вой ско­ро­сти вра­ще­ния ро­то­ра осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ком­пен­са­ция уп­ру­гих мо­мен­тов под­ве­са, при­ло­жен­ных к ро­то­ру. К дос­то­ин­ст­вам ДНГ от­но­сят­ся их ми­ниа­тюр­ность, от­сут­ст­вие под­шип­ни­ков со спе­ци­фич. мо­мен­та­ми тре­ния, при­сут­ст­вую­щи­ми в клас­сич. кар­да­но­вом под­ве­се, вы­со­кая ста­биль­ность по­ка­за­ний, от­но­си­тель­но не­вы­со­кая стои­мость.

Коль­це­вой ла­зер­ный ги­ро­скоп (КЛГ), на­зы­вае­мый так­же кван­то­вым ги­ро­ско­пом, соз­дан на ос­но­ве ла­зе­ра с коль­це­вым ре­зо­на­то­ром, в ко­то­ром по замк­ну­то­му оп­тич. кон­ту­ру од­но­вре­мен­но рас­про­стра­ня­ют­ся встреч­ные элек­тро­маг­нит­ные вол­ны. К дос­то­ин­ст­вам КЛГ от­но­сят­ся от­сут­ст­вие вра­щаю­ще­го­ся ро­то­ра, под­шип­ни­ков, под­вер­жен­ных дей­ст­вию сил тре­ния, вы­со­кая точ­ность.

Во­ло­кон­но-оп­ти­че­ский ги­ро­скоп (ВОГ) пред­став­ля­ет со­бой во­ло­кон­но-оп­ти­че­ский ин­тер­фе­ро­метр, в ко­то­ром рас­про­стра­ня­ют­ся встреч­ные элек­тро­маг­нит­ные вол­ны. ВОГ яв­ля­ет­ся ана­ло­го­вым пре­об­ра­зо­ва­те­лем уг­ло­вой ско­ро­сти вра­ще­ния ос­но­ва­ния, на ко­то­ром он ус­та­нов­лен, в вы­ход­ной элек­трич. сиг­нал.

Вол­но­вой твер­до­тель­ный ги­ро­скоп (ВТГ) ос­но­ван на ис­поль­зо­ва­нии инерт­ных свойств уп­ру­гих волн в твёр­дом те­ле. Уп­ру­гая вол­на мо­жет рас­про­стра­нять­ся в сплош­ной сре­де, не из­ме­няя сво­ей кон­фи­гу­ра­ции. Ес­ли воз­бу­дить стоя­чие вол­ны уп­ру­гих ко­ле­ба­ний в осе­сим­мет­рич­ном ре­зо­на­то­ре, то вра­ще­ние ос­но­ва­ния, на ко­то­ром ус­та­нов­лен ре­зо­на­тор, вы­зы­ва­ет по­во­рот стоя­чей вол­ны на мень­ший, но из­вест­ный угол. Со­от­вет­ст­вую­щее дви­же­ние вол­ны как це­ло­го на­зы­ва­ет­ся пре­цес­си­ей. Ско­рость пре­цес­сии стоя­чей вол­ны про­пор­цио­наль­на про­ек­ции уг­ло­вой ско­ро­сти вра­ще­ния ос­но­ва­ния на ось сим­мет­рии ре­зо­на­то­ра. К дос­то­ин­ст­вам ВТГ от­но­сят­ся: вы­со­кое от­но­ше­ние точ­ность/це­на; спо­соб­ность пе­ре­но­сить боль­шие пе­ре­груз­ки, ком­пакт­ность и не­боль­шая мас­са, низ­кая энер­го­ём­кость, ма­лое вре­мя го­тов­но­сти, сла­бая за­ви­си­мость от темп-ры ок­ру­жаю­щей сре­ды.

Виб­ра­ци­он­ный ги­ро­скоп (ВГ) ос­но­ван на свой­ст­ве ка­мер­то­на со­хра­нять плос­кость ко­ле­ба­ний сво­их но­жек. В нож­ке ко­леб­лю­ще­го­ся ка­мер­то­на, ус­та­нов­лен­но­го на плат­фор­ме, вра­щаю­щей­ся во­круг оси сим­мет­рии ка­мер­то­на, воз­ни­ка­ет пе­рио­дич. мо­мент сил, час­то­та ко­то­ро­го рав­на час­то­те ко­ле­ба­ния но­жек, а ам­пли­ту­да про­пор­цио­наль­на уг­ло­вой ско­ро­сти вра­ще­ния плат­фор­мы. По­это­му, из­ме­ряя ам­пли­ту­ду уг­ла за­крут­ки нож­ки ка­мер­то­на, мож­но су­дить об уг­ло­вой ско­ро­сти плат­фор­мы. К не­дос­тат­кам ВГ от­но­сит­ся не­ста­биль­ность по­ка­за­ний из-за слож­но­стей вы­со­ко­точ­но­го из­ме­ре­ния ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний но­жек, а так­же то, что они не ра­бо­та­ют в ус­ло­ви­ях виб­ра­ции, ко­то­рая прак­ти­че­ски все­гда со­про­во­ж­да­ет мес­та ус­та­нов­ки при­бо­ров на дви­жу­щих­ся объ­ек­тах. Идея ка­мер­тон­но­го Г. сти­му­ли­ро­ва­ла це­лое на­прав­ле­ние по­ис­ков но­вых ти­пов Г., ис­поль­зую­щих пье­зо­элек­трич. эф­фект ли­бо виб­ра­цию жид­ко­стей или га­зов в спе­ци­аль­но изо­гну­тых труб­ках и т. п.

Мик­ро­ме­ха­ни­че­ский ги­ро­скоп (ММГ) от­но­сит­ся к Г. низ­ких точ­но­стей (ни­же 10^–1 °/ч). Эта об­ласть тра­ди­ци­он­но счи­та­лась ма­ло­пер­спек­тив­ной для за­дач управ­ле­ния дви­жу­щи­ми­ся объ­ек­та­ми и на­ви­га­ции. Но в кон. 20 в. раз­ра­бот­ка ММГ ста­ла од­ним из наи­бо­лее ин­тен­сив­но раз­ра­ба­ты­вае­мых на­прав­ле­ний ги­ро­ско­пич. тех­ни­ки, тес­но свя­зан­ным с совр. крем­ние­вы­ми тех­но­ло­гия­ми. ММГ пред­став­ля­ет со­бой свое­об­раз­ный элек­трон­ный чип с квар­це­вой под­лож­кой пло­ща­дью в неск. квад­рат­ных мил­ли­мет­ров, на ко­то­рую ме­то­дом фо­то­ли­то­гра­фии на­но­сит­ся пло­ский виб­ра­тор ти­па ка­мер­то­на. Точ­ность совр. ММГ не­ве­ли­ка и дос­ти­га­ет 10¹–10² °/ч, од­на­ко ре­шаю­щее зна­че­ние име­ет ис­клю­чи­тель­но низ­кая стои­мость мик­ро­ме­ха­нич. чув­ст­вит. эле­мен­тов. Бла­го­да­ря ис­поль­зо­ва­нию хо­ро­шо от­ра­бо­тан­ных совр. тех­но­ло­гий мас­со­во­го про­из­вод­ст­ва мик­ро­элек­тро­ни­ки от­кры­ва­ет­ся воз­мож­ность при­ме­не­ния ММГ в со­вер­шен­но но­вых об­лас­тях: ав­то­мо­би­ли и би­нок­ли, те­ле­ско­пы и ви­део­ка­ме­ры, мы­ши и джой­сти­ки пер­со­наль­ных ком­пь­ю­те­ров, мо­биль­ные ро­бо­то­тех­нич. уст­рой­ст­ва и да­же дет­ские иг­руш­ки.

Не­кон­такт­ный ги­ро­скоп от­но­сит­ся к ги­ро­ско­пич. уст­рой­ст­вам сверх­вы­со­ких точ­но­стей (10^–6–5· 10^–4 H /ч). Раз­ра­бот­ка Г. с не­кон­такт­ны­ми под­ве­са­ми на­ча­лась в сер. 20 в. В не­кон­такт­ных под­ве­сах реа­ли­зу­ет­ся со­стоя­ние ле­ви­та­ции, т. е. со­стоя­ние, при ко­то­ром ро­тор Г. «па­рит» в си­ло­вом по­ле под­ве­са без к.-л. ме­ха­нич. кон­так­та с ок­ру­жаю­щи­ми те­ла­ми. Сре­ди не­кон­такт­ных Г. вы­де­ля­ют Г. с элек­тро­ста­тич., маг­нит­ным и крио­ген­ным под­ве­са­ми ро­то­ра. В элек­тро­ста­тич. Г. про­во­дя­щий бе­рил­лие­вый сфе­рич. ро­тор под­ве­шен в ва­куу­ми­ро­ван­ной по­лос­ти в ре­гу­ли­руе­мом элек­трич. по­ле, соз­да­вае­мом сис­те­мой элек­тро­дов. В крио­ген­ном Г. сверх­про­во­дя­щий нио­бие­вый сфе­рич. ро­тор под­ве­шен в маг­нит­ном по­ле; ра­бо­чий объ­ём Г. ох­ла­ж­да­ет­ся до сверх­низ­ких темп-р, так, что­бы ро­тор пе­ре­шёл в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние. Г. с маг­ни­то­ре­зо­нанс­ным под­ве­сом ро­то­ра яв­ля­ет­ся ана­ло­гом Г. с элек­тро­ста­тич. под­ве­сом ро­то­ра, в ко­то­ром элек­трич. по­ле за­ме­не­но маг­нит­ным, а бе­рил­лие­вый ро­тор – фер­ри­то­вым. Совр. Г. с не­кон­такт­ны­ми под­ве­са­ми – это слож­ней­шие при­бо­ры, ко­то­рые во­бра­ли в се­бя но­вей­шие дос­ти­же­ния тех­ни­ки.

Кро­ме пе­ре­чис­лен­ных вы­ше ти­пов Г. про­во­ди­лись и про­во­дят­ся ра­бо­ты над эк­зо­тич. ти­па­ми Г., та­ки­ми, как ион­ный Г., ядер­ный ги­ро­скоп и др.

Математические задачи в теории гироскопа

Ма­те­ма­тич. ос­но­вы тео­рии Г. за­ло­же­ны Л. Эй­ле­ром в 1765 в его ра­бо­те «Theoria motus corporum solidorum sue rigidorum». Дви­же­ние клас­си­че­ско­го Г. опи­сы­ва­ет­ся сис­те­мой диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний 6-го по­ряд­ка, ре­ше­ние ко­то­рой ста­ло од­ной из са­мых зна­ме­ни­тых ма­те­ма­тич. за­дач. Эта за­да­ча от­но­сит­ся к раз­де­лу тео­рии вра­ща­тель­но­го дви­же­ния твёр­до­го те­ла и яв­ля­ет­ся обоб­ще­ни­ем за­дач, ре­шае­мых до кон­ца про­сты­ми сред­ст­ва­ми клас­сич. ана­ли­за. Од­на­ко при этом она на­столь­ко труд­на, что ещё да­ле­ка от за­вер­ше­ния, не­смот­ря на ре­зуль­та­ты, по­лу­чен­ные круп­ней­ши­ми ма­те­ма­ти­ка­ми 18–20 вв. Совр. ги­ро­ско­пич. при­бо­ры по­тре­бо­ва­ли ре­ше­ния но­вых ма­те­ма­тич. за­дач. Дви­же­ние не­кон­такт­ных Г. с вы­со­кой точ­но­стью под­чи­ня­ет­ся за­ко­нам ме­ха­ни­ки, по­это­му, ре­шая урав­не­ния дви­же­ния Г. с по­мо­щью ком­пь­ю­те­ра, мож­но точ­но пред­ска­зы­вать по­ло­же­ние оси Г. в про­стран­ст­ве. Бла­го­да­ря это­му раз­ра­бот­чи­кам не­кон­такт­ных Г. не при­хо­дит­ся ба­лан­си­ро­вать ро­тор с точ­но­стью 10^–10 м, ко­то­рую не­воз­мож­но дос­тичь при совр. уров­не тех­но­ло­гии. Дос­та­точ­но точ­но из­ме­рять по­греш­но­сти из­го­тов­ле­ния ро­то­ра дан­но­го Г. и вво­дить со­от­вет­ст­вую­щие по­прав­ки в про­грам­мы об­ра­бот­ки сиг­на­лов Г. По­лу­чаю­щие­ся с учё­том этих по­пра­вок урав­не­ния дви­же­ния Г. ока­зы­ва­ют­ся очень слож­ны­ми, и для их ре­ше­ния при­хо­дит­ся при­ме­нять весь­ма мощ­ные ком­пью­те­ры, ис­поль­зую­щие ал­го­рит­мы, ос­но­ван­ные на по­след­них дос­ти­же­ни­ях ма­те­ма­ти­ки. Раз­ра­бот­ка про­грамм рас­чё­та дви­же­ния Г. с не­кон­такт­ны­ми под­ве­са­ми по­зво­ля­ет су­ще­ст­вен­но по­вы­сить точ­ность Г., а сле­до­ва­тель­но, и точ­ность оп­ре­де­ле­ния ме­сто­по­ло­же­ния объ­ек­та, на ко­то­ром ус­та­нов­ле­ны эти ги­ро­ско­пы.

2.1 Применение гироскопов в технике. Механические гироскопы

Механические гироскопы

курсовая работа

Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы. Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае — статическими гироскопами. Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы. Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента. Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться маятником, так как из за суточного вращения земли и ухода гироскопа, происходит отклонение от истиной вертикали. Кроме того, в механических гироскопах может использоваться смещение его центра масс, которое эквивалентно непосредственному воздействию маятника на гироскоп.

Рисунок 2.1. – Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Большое применение находят гироскопические приборы для автоматического управления движением самолетов и кораблей. Для поддержания заданного курса корабля служит «авторулевой», а самолета – «автопилот». .В приборе «авторулевой» применен свободный гироскоп с большим собственным моментом импульса и малой силой трения в местах карданова подвеса. Направление движения корабля задается направлением оси свободного гироскопа. При любых отклонениях корабля от курса, ось гироскопа сохраняет свое прежнее пространственное направление, а карданов подвес поворачивается относительно корпуса корабля. Поворот рамы карданова подвеса отслеживается при помощи специальных устройств которые выдают команды автоматам на поворот руля и возвращение корабля на заданный курс.

«Автопилот» снабжен двумя гироскопами. У одного из них ось располагают вертикально и в таком положении раскручивают гироскоп. Вертикально расположенная ось гироскопа задает горизонтальную плоскость. Ось второго гироскопа располагают горизонтально, ориентируя ее вдоль оси самолета. Этот гироскоп постоянно “знает” курс самолета. Оба гироскопа дают соответствующие команды механизмам управления, поддерживающим полет самолета по заданному курсу.В настоящее время автопилотами оборудованы все современные самолеты, предназначенные для длительных полетов. Гироскоп служит важной составной частью в системах управления космических аппаратов.

Гироскопы применяют так же в системах навигации. Инерциальная навигация относится к такому способу определения местоположения в пространстве, при котором не используются данные каких-либо внешних источников. Все чувствительные элементы находятся непосредственно на борту транспортного средства. Инерциальные измерители линейных ускорений – акселерометры установлены на так называемой гиростабилизированной платформе. Эта платформа, используя свойства гироскопа – сохранять неизменной ориентацию своей оси в пространстве, обеспечивает строго горизонтальное положение осей чувствительности акселерометров. Измеренные ускорения дважды интегрируются, и, таким образом, получается информация о приращении местоположения подвижного объекта. Объединенные общей задачей определения координат подвижного объекта, гироскопы и акселерометры образуют инерциальную навигационную систему . Помимо этой задачи она поставляет информацию об угловой ориентации объекта: углах крена, тангажа и рыскания и о скорости объекта.

Конструкция современной инерциальной навигационной системе вобрала в себя последние достижения точной механики, теории автоматического управления, электроники и вычислительной техники. Конструктивно инерциальную навигационную систему можно разделить на два класса: платформенные и бескарданные. В первых гиростабилизированная платформа реализована физически в виде рамы трехстепенного карданного подвеса. В таких системах используются традиционные гироскопы с вращающимся ротором. Эти системы входят в состав бортового навигационного оборудования тяжелых самолетов.

Другой класс – бесплатформенные отличаются тем, что плоскость горизонта в них реализована математически, используя данные гироскопов и акселерометров. В этих системах могут быть использованы лазерные и волоконно-оптические гироскопы. Здесь нет вращающихся частей, а об угловой скорости судят по фазовой задержке лазерного луча пробегающего по замкнутому контуру. Они существенно конструктивно проще и дешевле платформенных.Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.

Делись добром 😉

Исследование текстильных материалов к действию светопогоды

2.2. ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ТЕХНИКЕ В ЛАБОРАТОРИИ

1. Во избежание несчастных случаев в лаборатории студент должен знать следующее: а) вращающиеся детали испытательных машин могут нанести ушибы, переломы и другие травмы; б) действие электрического тока может вызвать ожог…

Механические гироскопы

2.4 Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором…

Проект отделения РМЗ по ремонту автомобильных рам. Годовая программа РМЗ 2000 капитальных ремонтов автомобилей ЗИЛ-131

4.1 Мероприятия по технике безопасности

Организация работ, устройство, размещение и эксплуатация оборудования должны соответствовать правилам техники безопасности и производственной санитарии в отделении по ремонту рам. ..

Проектирование и расчет лесопильного цеха

6. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ТЕХНИКЕ

Под техникой безопасности подразумевается комплекс мероприятий технического и организационного характера, направленных на создание безопасных условий труда и предотвращение несчастных случаев на производстве…

Проектирование одноступенчатого редуктора

7. Требования по технике безопасности

Для предотвращения преждевременного выхода из строя и безопасности рабочих необходимо: 1.заземлить электродвигатель. 2.использовать защитный кожух для муфты…

Разработка технологии и режимов сварки

8. Мероприятия по технике безопасности

Сварщики могут быть допущены только к тем работам, которые указаны в удостоверении. К выполнению сварочных работ допускаются сварщики…

Разработка технологии и режимов сварки изделия “Грязевик вертикальный”

8. Мероприятия по технике безопасности

Сварщики могут быть допущены только к тем работам, которые указаны в удостоверении. К выполнению сварочных работ допускаются сварщики…

Разработка технологического процесса изготовления отливки “Опора” 8ТС 043051 из стали 25Л ГОСТ 977-88

8. Основные мероприятия по технике безопасности, противопожарной технике и охране окружающей среды

Основными вредными производственными факторами в литейных цехах являются пыль, выделяющиеся пары и газы, электромагнитное излучение, избыточная теплота, повышенный уровень шума и вибрации, движущиеся машины и механизмы…

Разработка технологического процесса механической обработки деталей узла “Парораспределения 112-Б-0474”

3.2 Мероприятия по технике безопасности, противопожарной технике на участке, охране окружающей среды, природоохранительные меры

Основные значения техники безопасности – обеспечение безопасности и безвредности труда без снижения его производительности. Осуществление этих требований сводится к проведению комплекса мероприятий…

Расчет устойчивости башенного крана

6.

Мероприятия по технике безопасности

Перед началом работы на башенном кране машинист обязан ознакомиться с записями о состоянии крана, сделанными его сменщиком в журнале приема и сдачи смены, а затем и лично убедиться в полной исправности крана…

Сегнетоэлектрики – структура свойства и применение

6.4 Применение в вычислительной технике

В адресных регистрах вычислительных машин многократно используются переключатели, с помощью которых производится выбор требуемой ячейки памяти…

Структура и особенности деятельности государственного унитарного дорожного предприятия “Асфальт-2”

1. Инструктаж по технике безопасности

…

Фасовочно-упаковочный автомат, аналогичный модели АРМ-18,5

6. Мероприятия по технике безопасности

К работе на автомате допускаются лица, прошедшие обучение по его эксплуатации. Необходимо соблюдать следующие правила: – содержать в чистоте рабочее место, наружную поверхность автомата и его рабочие органы…

Череповецкий металлургический комбинат в России

3.1 Описание основных мероприятий по технике безопасности и противопожарной технике на участке при эксплуатации реконструируемого механизма и ремонте оборудования

Порядок обеспечения требований охраны труда, пожарной и промышленной безопасности, установленных законодательством России…

Электронно-лучевая сварка деталей гироскопа

2.2 Классификация гироскопов

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы: 2-степенные, 3-степенные на рис. 2.2 . Основные два типа гироскопов по принципу действия: механические гироскопы, оптические гироскопы…

Для чего используются гироскопы?

Гироскоп, который часто называют просто гироскопом (не путать с греческой пищевой пленкой), не получает широкого распространения в прессе. Но без этого чуда инженерной мысли мир — и особенно исследование человечеством других миров — был бы принципиально другим. Гироскопы незаменимы в ракетостроении и воздухоплавании, а в качестве бонуса простой гироскоп может стать отличной детской игрушкой.

Гироскоп, хотя и машина с большим количеством движущихся частей, на самом деле является датчиком. Его цель состоит в том, чтобы поддерживать устойчивое движение вращающейся части в центре гироскопа перед лицом изменений сил, накладываемых внешней средой гироскопа. Они устроены так, что эти внешние смещения уравновешиваются движениями частей гироскопа, которые всегда противодействуют наложенному сдвигу. Это мало чем отличается от того, как подпружиненная дверь или мышеловка будут сопротивляться вашим попыткам открыть ее, тем сильнее, чем больше будут ваши собственные усилия. Однако гироскоп гораздо сложнее пружины.

Почему вы наклоняетесь влево, когда машина поворачивает направо?

Что значит испытать «внешнюю силу», то есть подвергнуться действию новой силы, когда на самом деле тебя не касается ничего нового? Подумайте, что происходит, когда вы находитесь на пассажирском сиденье автомобиля, который движется по прямой с постоянной скоростью. Поскольку автомобиль не ускоряется и не замедляется, ваше тело не испытывает линейного ускорения, а поскольку автомобиль не поворачивает, вы не испытываете углового ускорения. Поскольку сила является произведением массы и ускорения, в этих условиях вы не испытываете результирующей силы, даже если движетесь со скоростью 200 миль в час. Это соответствует первому закону движения Ньютона, который гласит, что объект, находящийся в состоянии покоя, останется в покое, если на него не подействуют внешние силы, а также что объект, движущийся с постоянной скоростью в том же направлении, будет продолжать двигаться точно по своей траектории, если только подвергается внешней силе.

Однако, когда автомобиль поворачивает направо, если вы не приложите физических усилий, чтобы противодействовать внезапному введению углового ускорения в вашу поездку, вы опрокинетесь на водителя слева от вас. Вы перешли от отсутствия результирующей силы к испытанию силы, направленной прямо из центра круга, который машина только начала очерчивать. Поскольку более короткие повороты приводят к большему угловому ускорению при заданной линейной скорости, ваша склонность к наклону влево более выражена, когда ваш водитель делает крутой поворот.

Ваша собственная, социально укоренившаяся практика применения достаточного усилия против наклона, чтобы оставаться в том же положении на своем месте, аналогична тому, что делают гироскопы, хотя и гораздо более сложным и эффективным способом.

Происхождение гироскопа

Формально гироскоп восходит к середине 19 века и французскому физику Леону Фуко. Фуко, возможно, более известен благодаря маятнику, названному его именем и проделавшему большую часть его работы в области оптики, но он придумал устройство, которое он использовал для демонстрации вращения Земли, найдя способ фактически компенсировать или изолировать воздействие гравитации на самые внутренние части устройства. Это означало, что любое изменение оси вращения колеса гироскопа во время его вращения должно было быть вызвано вращением Земли. Так развернулось первое формальное использование гироскопа.

Что такое гироскопы?

Основной принцип работы гироскопа можно проиллюстрировать на отдельном вращающемся велосипедном колесе. Если бы вы удерживали колесо с каждой стороны за короткую ось, проходящую через середину колеса (например, ручку), и кто-то вращал колесо, пока вы его держали, вы бы заметили, что если вы попытаетесь наклонить колесо в одну сторону , он не двигался бы в этом направлении так легко, как если бы не вращался. Это верно для любого направления по вашему выбору и независимо от того, насколько внезапно вводится движение.

Пожалуй, проще всего описать части гироскопа от самых внутренних до самых внешних. Во-первых, в центре находится вращающийся вал или диск (а если подумать, с геометрической точки зрения диск — это не что иное, как очень короткий и очень широкий вал). Это самая тяжелая часть аранжировки. Ось, проходящая через центр диска, прикреплена шарикоподшипниками почти без трения к круглому обручу, называемому карданом. Здесь история становится странной и очень интересной. Сам этот карданный вал прикреплен аналогичными шарикоподшипниками к другому карданный вал, который чуть шире, так что внутренний карданный вал может просто свободно вращаться в пределах внешнего. Точки крепления карданов друг к другу расположены по линии, перпендикулярной оси вращения центрального диска. Наконец, внешний карданный вал прикреплен еще более плавно скользящими шарикоподшипниками к третьему кольцу, которое служит рамой гироскопа.

(Вам следует обратиться к схеме гироскопа или просмотреть короткие видеоролики в Ресурсах, если вы еще этого не сделали; иначе все это почти невозможно визуализировать!)

Ключ к функции гироскопа заключается в том, что три взаимосвязанных, но независимо вращающихся шарнира позволяют двигаться в трех плоскостях или измерениях. Если бы что-то потенциально могло нарушить ось вращения внутреннего вала, этому возмущению можно было бы противостоять одновременно во всех трех измерениях, потому что кардан «поглощает» силу скоординированным образом. По сути, происходит то, что когда два внутренних кольца вращаются в ответ на любое возмущение, которое испытал гироскоп, их соответствующие оси вращения лежат в плоскости, которая остается перпендикулярной оси вращения вала. Если эта плоскость не меняется, то и направление вала не меняется.

Физика гироскопа

Крутящий момент — это сила, приложенная вокруг оси вращения, а не прямо. Таким образом, он влияет на вращательное движение, а не на линейное движение. В стандартных единицах это сила, умноженная на «плечо рычага» (расстояние от реального или гипотетического центра вращения; подумайте о «радиусе»). Поэтому он имеет единицы Н⋅м.

Гироскоп в действии перераспределяет любые приложенные крутящие моменты таким образом, чтобы они не влияли на движение центрального вала. Здесь важно отметить, что гироскоп не предназначен для того, чтобы что-то двигалось по прямой; это предназначено для того, чтобы что-то двигалось с постоянной скоростью вращения . Если подумать, вы, вероятно, можете себе представить, что космические корабли, летящие на Луну или в более отдаленные места назначения, не идут из точки в точку; скорее, они используют гравитацию, создаваемую различными телами, и движутся по траекториям или кривым. Хитрость заключается в том, чтобы параметры этой кривой оставались постоянными.

Выше было отмечено, что вал или диск, образующие центр гироскопа, имеют тенденцию быть тяжелыми. Он также имеет тенденцию вращаться с необычайной скоростью — гироскопы на телескопе Хаббл, например, вращаются со скоростью 19200 оборотов в минуту или 320 в секунду. На первый взгляд кажется абсурдным, что ученые оснастили такой чувствительный инструмент безрассудно вращающимся (буквально) компонентом посередине. Вместо этого, конечно, это стратегическое. Импульс в физике — это просто произведение массы на скорость. Соответственно, угловой момент равен инерции (величина, включающая массу, как вы увидите ниже) умноженной на угловую скорость. В результате, чем быстрее вращается колесо и чем больше его инерция за счет большей массы, тем большим угловым моментом обладает вал. В результате кардан и внешние компоненты гироскопа обладают высокой способностью подавлять воздействие внешнего крутящего момента до того, как этот крутящий момент достигнет уровней, достаточных для нарушения ориентации вала в пространстве.

Пример элитных гироскопов: телескоп «Хаббл»

Знаменитый телескоп «Хаббл» содержит шесть различных гироскопов для навигации, которые периодически необходимо заменять. Ошеломляющая скорость вращения его ротора означает, что шариковые подшипники непрактичны или невозможны для гироскопа такого калибра. Вместо этого Хаббл использует гироскопы, содержащие газовые подшипники, которые обеспечивают настолько близкое к настоящему вращению без трения, что может похвастаться что-либо, созданное людьми.

Почему первый закон Ньютона иногда называют «законом инерции»

Инерция — это сопротивление изменениям скорости и направления, какими бы они ни были. Это непрофессиональная версия официальной декларации, изложенной Исааком Ньютоном столетия назад.

В повседневном языке «инерция» обычно означает нежелание двигаться, например: «Я собирался косить газон, но инерция прижала меня к дивану». Однако было бы странно видеть, как кто-то, только что достигший конца 26,2-мильного марафона, отказывается остановиться из-за эффектов инерции, хотя с точки зрения физики использование термина здесь было бы в равной степени допустимо — если бы бегун продолжал бежать в том же направлении и с той же скоростью, технически это было бы действием инерции. И вы можете представить ситуации, в которых люди действительно говорят, что не смогли прекратить что-то делать из-за инерции, например: «Я собирался уйти из казино, но по инерции я ходил от стола к столу». (В этом случае «импульс» может быть лучше, но только если игрок выигрывает!)

Является ли инерция силой?

Уравнение для углового момента:

L = Iω

Где L измеряется в кг ⋅ м ² /с. Поскольку единицами измерения угловой скорости ω являются обратные секунды, или с-1, I, инерция, измеряется в кг ⋅ м ² . Стандартная единица силы, ньютон, делится на кг ⋅ м/с ² . Таким образом, инерция не является силой. Это не помешало фразе «сила инерции» войти в обиход, как это происходит с другими вещами, которые «ощущаются» как силы (хорошим примером является давление).

Примечание: Хотя масса не является силой, вес является силой, несмотря на то, что эти два термина взаимозаменяемы в повседневной жизни. Это связано с тем, что вес является функцией гравитации, и поскольку мало кто покидает Землю надолго, вес объектов на Земле фактически постоянен, так же как их массы буквально постоянны.

Что измеряет акселерометр?

Акселерометр, как следует из названия, измеряет ускорение, но только линейное ускорение. Это означает, что эти устройства не особенно полезны во многих приложениях трехмерных гироскопов, хотя они удобны в ситуациях, когда направление движения может быть принято только в одном измерении (например, типичный лифт).

Акселерометр — это один из типов инерциальных датчиков. Гироскоп — это другое, за исключением того, что гироскоп измеряет угловое ускорение. И хотя это выходит за рамки этой темы, магнитометр — это третий тип инерциального датчика, который используется для магнитных полей. Продукты виртуальной реальности (VR) включают в себя эти инерциальные датчики в сочетании, чтобы создавать более надежные и реалистичные впечатления для пользователей.

Гироскопы и навигация

 

Напечатать эту страницу || Главная || Часто задаваемые вопросы || Карта сайта || Юридический || Обещание конфиденциальности || Контакты

В поисках пути Спонсоры Бесплатный отчет Покупка аккумуляторов в Китае   Woodbank не отслеживает и не записывает эти электронные письма Другие спонсоры	Силы, действующие через центр тяжести гироскопа, известны как поступательные силы и не изменяют угол плоскости вращения, а перемещают гироскоп как единое целое. Таким образом, вращающийся гироскоп может свободно перемещаться в пространстве с помощью несущей рамы, не нарушая плоскости вращения ротора.   Ось гироскопа, как и у волчка, будет стремиться оставаться неподвижной в пространстве, но если ее возмущает внешняя сила, она будет двигаться или прецессировать под прямым углом к ​​приложенной силе. Сопротивление прецессии прямо пропорционально угловому моменту гироскопа , что является произведением его массы и скорости вращения.     Гирокомпас   В гирокомпасе используется вращающийся гироскоп, предварительно настроенный на север (или любой другой желаемый пеленг), и он будет поддерживать этот опорный пеленг независимо от того, какие маневры может совершать транспортное средство, на котором он установлен. В отличие от магнитного компаса гирокомпас невосприимчив к воздействию близлежащих магнитных (железных) конструкций, которые могут вызвать неточности пеленгов, указываемых стрелкой магнитного компаса.     Акселерометры   Разработано множество устройств для измерения ускорения. Показанное здесь механическое устройство использует гироскопические силы для определения ускорения. Изображение общественного достояния – изменено Устройство PIGA, по сути, представляет собой гироскоп скорости, управляемый электрическим моментным двигателем, используемый для измерения ускорения и скорости путем интегрирования ускорения во времени. Он также используется для измерения пройденного расстояния путем интегрирования скорости во времени. Эта вторая интеграция первоначально выполнялась механическими интеграторами, но теперь выполняется электронным способом.   Стабилизированная платформа и инерциальная навигация   Инерциальные навигационные системы основаны на стабилизированной опорной платформе, состоящей из трех ортогональных гироскопов, поддерживающих фиксированную опорную ориентацию в пространстве независимо от любого движения транспортного средства, на котором они установлены. Используя акселерометры, такие как датчик PIGA, описанный выше, или электронные датчики в сочетании с интеграторами, можно определить положение в пространстве и ориентацию транспортного средства.   Основное преимущество инерциальной навигационной системы в том, что она работает независимо от сигналов с земли. Однако это система счисления пути с накапливающимися ошибками, которые увеличиваются по мере увеличения продолжительности или расстояния путешествия.

Какие бывают датчики гироскопа и как работают гироскопы?

Различные типы гироскопических датчиков (MEMS, кольцевой лазерный гироскоп, оптический и механический гироскоп) имеют разные сценарии применения. В этой статье рассматриваются различные типы гироскопических датчиков, их работа и применение.

Содержание

• Что такое гироскоп?
• Типы гироскопов
• Применение гироскопов

Что такое гироскоп?

A Гироскоп — это устройство, которое измеряет или поддерживает ориентацию и угловую скорость вращающегося тела за счет использования сил гравитации Земли.

У них есть приложения в навигационных устройствах. В этой статье мы обсудим различные типы гироскопов, как работают гироскопы? и их применения. Мы предлагаем вам также прочитать эту статью о различных типах датчиков и их применении.

Типы гироскопов

Следующие типы гироскопов используются в различных изделиях для измерения или управления вращательным движением тела:

1. Механические гироскопы
2. МЭМС-гироскопы
3. Кольцевые лазерные гироскопы
4. Оптические гироскопы

Мы подробно обсудим работу и применение рассмотренных выше гироскопов.

1. Механический гироскоп

Механические гироскопы  являются старейшим типом гироскопов. Они используют гравитационное притяжение, чтобы получить необходимую стабильность и движение в теле. Нажмите здесь, чтобы купить механический гироскоп на Amazon.

Что такое механический гироскоп?

Конструкция гироскопа

Как показано на изображении выше, Механический гироскоп состоит из свободно вращающегося диска, установленного на карданном подвесе.

Этот вращающийся диск создает гироскопические силы, препятствующие любому изменению оси вращающегося диска. Эти гироскопические силы в механическом гироскопе обеспечивают стабильность и сохраняют направление движущихся объектов.

Как работает механический гироскоп?

Вращающийся диск в гироскопе создает гироскопические силы в направлении оси вращения. Эти силы сопротивляются любому изменению оси.

Как показано на анимации выше, независимо от движения внешней рамки гироскопа, вращающиеся диски продолжают вращаться вокруг одной и той же оси. Это гироскопическое явление находит применение в стабилизации больших движущихся объектов.

Для стабилизации внешнего каркаса гироскопа крепится к движущемуся объекту. И диск вращается в соответствии с необходимыми стабилизирующими силами.

Мы можем больше узнать о работе механических гироскопов , связав их с явлением, известным как Прецессия . И чтобы понять Прецессия, , давайте сначала поймем Что такое правило большого пальца правой руки?

Правило большого пальца правой руки

Правило большого пальца правой руки  определяет направление угловой скорости и углового момента вращающегося диска вокруг своей оси. Согласно правилу правой руки, когда мы сгибаем пальцы в направлении вращения диска, направление большого пальца определяет направление угловой скорости и углового момента.

Например, угловая скорость действует в направлении вверх, когда диск вращается против часовой стрелки. Давайте воспользуемся этим правилом большого пальца правой руки, чтобы понять, что такое прецессия?

Что такое прецессия?

Прецессия — изменение ориентации свободно вращающегося колеса под действием гироскопических сил, действующих на вращающееся колесо при приложении внешней силы.

Попробуем разобраться в явлении прецессии и как оно связано с гироскопическими силами на примере прялки?

Крутящий момент, действующий на вращающийся диск из-за прецессии

Вращающееся колесо создает крутящий момент, перпендикулярный приложенной силе и оси вращения, когда внешняя сила прикладывается к валу вращающегося колеса перпендикулярно оси вращения колеса.

Из-за этого крутящего момента начинает меняться ориентация вращающегося колеса. Это явление изменения ориентации вращающегося колеса известно как прецессия. Поэтому прецессия происходит за счет гироскопической силы, противодействующей любому изменению оси прялки.

Мы можем использовать правило правой руки, чтобы определить направление и ось изменения ориентации вращающегося колеса или прецессии. Это свойство гироскопа находит применение в стабилизации летательных аппаратов.

2. Гироскоп MEMS

Гироскопы MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) — это гироскопические датчики очень миниатюрного размера, широко используемые в электронных устройствах. Они используют вибрирующий элемент для определения угловой скорости вращающегося тела.

По сравнению с механическими гироскопами , МЭМС-гироскопы не стабилизируют движущиеся тела. Эти датчики гироскопа MEMS рассчитывают угловую скорость в любом из трех направлений.

Гироскопические датчики МЭМС-типа применяются только для расчета небольшого числа оборотов, таких как рысканье и тангаж свободно движущегося тела. Вы не можете использовать их для определения угловой скорости вращающихся валов

Как работает МЭМС-гироскоп?

Конструкция МЭМС-гироскопов

МЭМС-гироскопы состоят из резонирующей структуры или системы пружины и массы небольшого размера ((100 микрон). Она состоит из пружины, демпфера и резонирующей массы.

При вращении гироскопа резонирует

После этого микроконтроллер или процессор обрабатывает этот ток для измерения движения, поэтому чувствительность МЭМС-гироскопа прямо пропорциональна движению резонирующей массы. к колеблющейся массе

3. Кольцевой лазерный гироскоп

Аналогично оптическому гироскопу, кольцевой лазерный гироскоп вычисляет вращательное движение с использованием Кольцевые лазерные гироскопы работают, перемещая световые импульсы по часовой стрелке и против часовой стрелки внутри катушек оптического волокна.

Разница в частоте света в двух направлениях измеряется с помощью подсчета интерференционных полос для расчета вращения.

4. Оптические гироскопы

Гироскопы MEMS (микроэлектромеханические системы) — это очень миниатюрные гироскопические датчики, широко используемые в электронных устройствах. Они используют вибрирующий элемент для определения угловой скорости вращающегося тела.

По сравнению с механическими гироскопами , МЭМС-гироскопы не стабилизируют движущиеся тела. Эти датчики гироскопа MEMS рассчитывают угловую скорость в любом из трех направлений.

Гироскопические датчики МЭМС-типа применяются только для расчета небольшого числа оборотов, таких как рысканье и тангаж свободно движущегося тела. Их нельзя использовать для определения угловой скорости вращающихся валов.

Гироскопы применяются для расчета и контроля положения тела относительно тела. опорная плоскость в трехмерном пространстве. Ниже приведены применения гироскопа в различных отраслях промышленности:

1. Навигационные компасы

Механические гироскопические компасы широко используются на больших кораблях для определения фактического северного положения. Гирокомпас определяет направление на север, учитывая ось вращения Земли. А ферромагнитные материалы не влияют на их функцию. Поэтому гирокомпасы более точны и надежны, чем магнитные компасы.

2. Помощь в стабилизации

Механические гироскопы могут стабилизировать большие свободно движущиеся тела с помощью гироскопических сил. Например, гироскопы помогают стабилизировать

• Самолеты во время турбулентности
• Беспилотные велосипеды.
• Большие здания
• Ховерборд (самобалансирующийся скутер)
• Сохраняйте равновесие большого корабля во время грозы.

3. В Локализации

МЭМС-гироскопы с другими датчиками (GPS, датчик давления и акселерометр) имеют приложение для определения фактического положения и ориентации твердого тела в свободном пространстве.

4. Определение ориентации продукта

МЭМС-гироскопы используются для определения ориентации тела в свободном пространстве. Например, гироскопические датчики применяются в следующих продуктах:

• Квадрокоптер, самолеты и фактическое положение робота.
• Используется в смартфонах для определения ориентации и поворота смартфона.
• Виртуальная реальность, очки дополненной реальности и другие товары.

5. В смартфонах

МЭМС-гироскоп имеет следующие приложения в смартфонах.

• Когда мы поворачиваем смартфон, видео на YouTube также поворачивается само, если включен автоповорот. Мы реализуем эту функцию, потому что гироскопический датчик смартфона передает информацию о вращении смартфона процессору смартфона. Мы не можем получить эту функцию поворота экрана без датчика гироскопа.
• GPS вместе с гироскопом и акселерометром используется в смартфонах для определения точного местоположения.
• В некоторых играх для смартфонов в качестве управляющего датчика используется гироскоп.
• Google Fit использует акселерометр вместе с гироскопом для отслеживания действий пользователя.

Список продуктов, в которых используются гироскопы

Ниже приведены примеры продуктов, в которых используются гироскопы для определения углового положения или стабилизации.