Гироскоп устройство – Гироскоп — Википедия

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.

dev.bigenc.ru

Как это устроено: Гироскопы | Журнал «Физика» № 15 за 2009 год

Материал к уроку

См. также № 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13/09

Гироскопы – это скрытый мозг, поддерживающий на курсе самолёты в воздухе, спутники на орбите и суда в океане. Первые гироскопы для практического применения начали выпускаться в 1910 г. фирмой Sperry Gyroscope Co. Это были судовые стабилизаторы и так называемый «искусственный горизонт», который показывал пилотам высоту полёта. После смерти изобретателя и основателя фирмы Элмера Сперри в 1930 г. многочисленные дочерние фирмы продолжили дело и воплотили 400 его патентов в автоматизированные системы навигации и наведения военного назначения, предназначенные для использования в самолётах, ракетах, бомбах, спутниках и космических аппаратах. Сегодня гироскопы, как неотъемлемая часть навигационной системы, устанавливаются на роботах, в антиблокировочных системах (предотвращающих пробуксовывание колёс автомобиля), на автомобильных приборных досках, в космических летательных аппаратах и космических телескопах, марсоходах и системах индивидуального передвижения космонавтов в открытом космосе. Работа гироскопа базируется на двух принципах: любая вращающаяся масса стремится сохранить положение своей оси вращения в пространстве. Вращающийся гироскоп поддерживает постоянной ориентацию спутника относительно Земли, что обеспечивает надёжную связь с ним. Вращающаяся масса сопротивляется действию силы, стремящейся изменить её положение. В середине 1900-х гг. на судах ставили гигантские гироскопы, массой несколько тонн, которые вращались с помощью двигателей. Эти устройства выравнивали положение судна на волнах, поддерживая его всё время «мачтами вверх». Свободно вращающийся гироскоп под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей – прецессирует. Прецессия возникает, например, если крыло самолёта, в котором установлен гироскоп, начинает крениться. Тогда пилот на приборной доске видит угол поперечного крена (wing angle), что очень важно, если нет никаких ориентиров. Кроме того, он видит продольный крен (pitch of the plane), от носа до хвоста. Если гироскоп связан с акселерометрами (приборами, измеряющими скорость самолёта), то может функционировать как автопилот, т.е. автоматически поддерживать самолёт на курсе. Механических гироскопов сейчас всё меньше и меньше. В 1980-х гг. появились кольцевые лазерные и световодные гироскопы, которые точнее отслеживают изменения параметров полёта по изменению интерференционной картины. Кроме того, они легче и компактнее. Стоит лазерный гироскоп 3–4 тыс. долл. Путём микромеханической обработки кварца или кремния делают также крошечные гироскопы, чувствующие параметры вибраций. Они не такие точные, но зато могут производиться в больших количествах, как интегральные схемы, и довольно дёшевы – примерно по 20 долл. за штуку. Применяются такие гироскопы в бытовых устройствах и, в частности, в автомобилях.

• В микромеханическом гироскопе кремниевое кольцо свободно подвешено на изогнутых кремниевых пружинках, которые одним концом крепятся к неподвижной центральной шайбе. Когда на управляющие электроды подаётся напряжение, то под действием электростатических сил кольцо начинает вибрировать, возникает стоячая волна, которую отслеживают считывающие электроды. Если кольцо под действием внешних сил поворачивается, стоячая волна искажается, и сигнал о направлении поворота поступает на считывающие электроды. По величине искажений можно судить о скорости поворота.

• В кольцевом лазерном гироскопе при подаче напряжения на два анода и катод газ возбуждается и генерируются две световые волны одной и той же частоты, распространяющиеся в противоположных направлениях. На детекторе возникает интерференционная картина. Если кольцо поворачивается под действием внешней силы, то одна волна распространяется немного быстрее другой, и по изменению интерференционной картины можно судить о скорости и направлении поворота. Чтобы частоты пучков слегка различались исходно, миниатюрный моторчик трясёт лазер.

• В гироскопе с динамической подстройкой железный ротор приводится во вращение двигателем постоянного тока и вращается в подшипниках с постоянной скоростью. Если гироскоп поворачивается под действием внешней силы, ротор начинает прецессировать, что вызывает изменение магнитного поля и появление сигнала, который несёт информацию о направлении и скорости поворота. Этот сигнал также воздействует на магниты подстройки, которые компенсируют прецессию, не допуская тем самым, чтобы ротор упёрся в кожух.

Знаете ли вы, что?..

• Стабильность показаний (уход) гироскопа зависит от трения в подшипниках и температуры. Наилучший пока результат – 0,01 град/ч, что позволяет навести снаряд на цель с точностью 1 морская миля (1,6 км) после часа полёта. Во время афганской войны бомбы наводились гироскопами с уходом 1 град/ч. Гироскопы в антиблокировочных автомобильных устройствах имеют уход 3600 град/ч, но вполне удовлетворяют потребителя, поскольку они задействованы очень короткое время, всего несколько секунд.

• В 1914 г. на аэрошоу в Париже Лоуренс Сперри, сын изобретателя гироскопа, продемонстрировал действие этого устройства: он провёл свой биплан на бреющем полёте, убрав руки с ручек управления, а его механик в это время прогуливался по крылу. Позднее отец и сын изобрели устройство, названное ими автоматическим пилотом, которое позволило Вилли Посту осуществить в 1933 г. первый кругосветный полёт. Автопилоты на судах часто называют «Железный Майк» (Metal Mike), признавая его невидимым членом экипажа.

• Законы США запрещают экспорт высокоточных гироскопов. В 1999 г. был арестован китайский бизнесмен, который пытался приобрести световодный гироскоп, предназначенный для наведения «умных» бомб. В 1995 г. ныряльщики подняли такой гироскоп со дна Тигра вблизи Багдада и передали его СССР, где в то время разрабатывались системы наведения баллистических ракет.

Продолжение следует

Scientific American, 2002, June, p. 96–97.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.Козловой

fiz.1sept.ru

Гироскопические приборы и устройства — КиберПедия

Гироскопические приборы бывают механические, вибрационные, волновые твердотельные, шаровые, электростатические, магнитодинамические, гидродинамические, лазерные и волоконно-оптические. Наиболее распространенными являются механические гироскопические приборы, а наиболее перспективными и быстроразвивающимися в последнее время – волоконно-оптические устройства.

Ориентация предмета в пространстве невозможна без устройства, обеспечивающего начало отсчета от какой-то постоянно существующей системы координат. Роль такого устройства при измерении углов и угловых скоростей выполняют гироскопические чувствительные элементы, а именно трехстепенные или двухстепенные гироскопы [28,29].

 

Трехстепенные гироскопы

 

2.9.1.1. Общие сведения. Гироскоп – массивный точно сбалансированный маховик (ротор гироскопа), вращающийся с большой угловой скоростью и представляющий собой симметричное тело с одной неподвижной точкой, являющейся его центром тяжести. Такое закрепление гироскопа осуществляется при помощи карданова подвеса (рис. 2.36), т.е. крепление ротора во внутренней 2 и внешней 3 рамках, оси вращения которых взаимноперпендикулярны и одновременно перпендикулярны оси ротора гироскопа 1.

Если центр масс гироскопа совпадает с точкой опоры, то такой гироскоп называют уравновешенным или астатическим с тремя степенями свободы. Обозначим ось симметрии ротора гироскопа z-z, ось внутренней рамки х-х, ось внешней рамки у-у. Как видно из рис. 2.36, трехстепенной гироскоп может вращаться вокруг всех трех осей. Однако частоты вращения ω_х и ω_у ничтожны по величине в сравнении с ω_z=Ω, где Ω – частота вращения ротора, поэтому главный момент количества движения гироскопа практически совпадает с моментом количества ротора гироскопа как по величине, так и по направлению, т.е. М=JΩ=Н, где Н – кинетический момент ротора гироскопа; J – момент инерции ротора относительно оси у-у.

Направление вектора кинетического момента гироскопа совпадает с направлением вектора угловой скорости Ω ротора, т.е. совпадает с осью
z-z.

Для трехстепенного гироскопа характерно следующее явление: при приложении по оси у-у внешнего момента М_ВН возникает вращение вектора Н кинетического момента вокруг оси х-х. Вследствие этого внутренняя рамка 2 гироскопа поворачивается относительно внешней рамки 3. То же самое происходит при приложении внешнего момента по оси х-х, только вращение вектора Н будет происходить вокруг оси у-у. Это явление называется прецессией гироскопа.

Угловая скорость прецессии

(2.36)

Если внешнее воздействие имеет импульсный характер, то в трехстепенном гироскопе внутренняя рамка начинает совершать периодические колебательные движения, причем амплитуда этих колебаний обратно пропорциональна скорости вращения ротора. Такие колебания называются нутационными. Частота нутационных колебаний определяется выражением

(2.37)

Чем выше величина Ω, тем больше частота нутационных колебаний и меньше их амплитуда.

При отсутствии трения в осях подвеса гироскопа эти колебания будут незатухающими, а при наличии трения колебательный процесс будет затухать.

В инженерной практике используется только прецессионное движение гироскопа.

Из приведенных формул видно, что прецессия будет совершаться только при наличии внешнего момента М_ВН (если М_ВН=0, то ω=0). Из (2.36) следует, что скорость прецессии мала, так как кинетический момент гироскопа Н, как правило, велик (велика частота вращения ротора).

Быстро вращающийся ротор придает трехстепенному гироскопу свойство большой инерционности, т.е. стремление сохранять неизменным направление оси вращения ротора в пространстве.

Итак, с точностью до инструментальных погрешностей ось собственного вращения ротора гироскопа сохраняет заданное направление в инерциальном пространстве и служит «базой» для определения углового положения объекта (летательного аппарата, стабилизированной платформы, пеленгатора и т.п.) в принятой системе координат.

Каждый трехстепенный гироскоп позволяет определить две угловые координаты, а с помощью двух гироскопов можно получить все три координаты объекта. Имея избыточные данные об одной из них.

Свободные гироскопы широко применяются в системах ориентации летательных аппаратов кратковременного (без коррекции) и долговременного (с введением коррекции) действия и в качестве чувствительных элементов гидростабилизатора.

Для изменения углов поворота основания относительно осей подвеса гироскопа используются различного типа датчики угла (потенциометрические, индуктивные, трансформаторные и др.), установленные на осях подвеса гироскопа.

В гироскопах с коррекцией используются моментные датчики (обратные преобразователи величины постоянного тока во вращающийся момент), позволяющие создавать необходимые корректирующие или ориентирующие моменты на осях рамок.

В конструкции гироскопа также предусматривается арретирующее устройство, позволяющее осуществлять начальную выставку оси ротора прибора относительно корпуса и предохранить подвижную систему (собственно гироскоп) от ударов по упорам при транспортировании.

Приведем краткое описание гироскопических приборов (измерителей угловых перемещений), выполненных на основе трехстепенного гироскопа.

2.9.1.2. Свободный гироскоп с одним датчиком угла. Данный гироскоп выполнен в классическом варианте и представляет собой некорректируемый трехстепенной астатический гироскоп в кардановом подвесе.

В его конструкции предусмотрено многоразовое арретирующее устройство, позволяющее выполнить начальную выставку оси ротора прибора относительно корпуса, и имеется один датчик угла.

Этот прибор может быть эффективно использован в качестве курсового гироскопа в простейшей системе ориентации при перемещении объекта на небольшие расстояния.

2.9.1.3. Блок свободных гироскопов. Прибор состоит из основания, на котором смонтированы два свободных гироскопа так, что оси их собственного вращения взаимноперпендикулярны. Каждый гироскоп снабжен своим арретирующим устройством, позволяющим производить начальную выставку осей собственного вращения гироскопа относительно корпуса, и двумя датчиками угла.

Этот прибор может служить в качестве системы ориентации кратковременного действия и позволяет определять все тир угла отклонения объекта относительно базовой системы координат.

Гироскопы данного прибора выполнены в классическом варианте, то есть представляют собой трехстепенные некорректируемые астатические гироскопы в кардановом подвесе.

2.9.1.4. Гироскоп трехстепенной управляющий. Этот гироскоп выполнен в классическом варианте, т.е. трехстепенной астатический гироскоп в кардановом подвесе.

В его конструкции имеются два индуктивных датчика угла для измерения углов поворота основания прибора относительно осей подвеса гироскопа, и, кроме того, для коррекции измеряемых углов вводятся два магнитоэлектрических моментных датчика, которые также позволяют выполнять начальную выставку оси собственного вращения гироскопа относительно корпуса прибора (по сигналам с датчиков угла) или относительно базовой системы координат (по сигналам от внешних датчиков рассогласования направления оси ротора прибора и соответствующей оси базовой системы координат).

Этот прибор эффективно используется в качестве датчика углов крена и тангажа без коррекции в системах ориентации кратковременного действия, или с введением коррекции от ЭВМ в системах коррекции долговременного действия, а также в качестве чувствительного элемента гиростабилизаторов.

2.9.1.5. Гироскоп поплавковый астатический. Основной причиной возникновения ошибок в гироскопических приборах является наличие моментов трения в осях подвеса. В данном приборе для уменьшения моментов трения используется выталкивающая сила жидкости и газа.

Гироузел данного гироскопа представляет собой ротор, установленный при помощи газового универсального подшипника в герметичном корпусе, заполненном гелием. При раскручивании ротора газ увлекается поверхностью внутренней сферы (ротора) и нагнетается в зазор между шариком подшипника и сферой. Давление в зазоре повышается и отделяет сферу от шарика, что значительно снижает момент трения.

Гироузел при помощи подшипника из полудрагоценных камней (часового типа) подвешен в кардановом кольце, которое установлено в сферическом корпусе. Все пространство между гироузлом и корпусом заполнено жидкостью с такой плотностью, что гироузел находиться в ней в состоянии безразличного равновесия. В таких условиях элементы карданова подвеса практически не нагружают подшипники осей, т.е. функция подшипника сводиться к центровке поплавкового гироузла. Кроме того, выбор материала подшипника (агат, рубин, корунд) обусловлены тем, что трущаяся пара стальной керн – каменный подшипник (искусственный рубин, агат) имеет при прочих равных условиях наименьший момент трения, чем любая другая пара материалов. Момент трения в осях подвеса в таком приборе безусловно малы.

Наличие жидкости в конструкции гироскопа приводит к необходимости введения в прибор системы термостабилизации (обогрева) для обеспечения равномерного прогрева жидкости и сильфона, предназначенного для компенсации ее температурного расширения. Равномерность температуры и давления жидкости, а также их неизменность необходимы для точной работы прибора.

Для измерения углов поворота основания относительно осей подвеса гироскопа используется индуктивные датчики угла.

Для создания корректирующих или ориентирующих моментов относительно осей подвеса в гироскопе устанавливаются магнитоэлектрические датчики момента.

Наличие двух датчиков угла и двух моментных датчиков позволяет использовать этот прибор в качестве гировертикали, курсового гироскопа или в качестве гироорбитанта при введении соответствующей коррекции.

В некоторых поплавковых гироскопах имеется также система стабилизации оси гироузла. Такие приборы чаще всего используются в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов.

2.9.1.6. Вибрационный гироскоп. Принцип действия данного гироскопа основан на способности вращающегося упругого диска посредством гироскопического момента, возникающего из-за переносной угловой скорости вращения основания, отклоняться от плоскости своего первоначального вращения (при ω_осн=0), т.е. плоскости, перпендикулярной валу, вращающему диск, на угол, пропорциональный величине угловой скорости вращения основания.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 2.37. Ротор 1 данного гироскопа представляет собой металлическое кольцо, соединенное с вращающим его валом 4 синхронного гистерезисного двигателя 3 упругим подвесом, выполненным в виде кардана Гука. Кардан Гука представляет собой внутренний кардановый подвес, состоящий из двух одинаковых рамок 2 и упругих элементов – торсионов 5, посредством которых рамки соединяются с валом двигателя и ротором. Особенностью торсионов являет

ся то, что они обладают большим упругим сопротивлением на изгиб и малым упругим сопротивлением на скручивание. Оси соединения отдельной рамки с валом двигателя и ротором взаимноперпендикулярны.

Для эффективной работы таких гироскопов элементы его конструкции (ротор, торсионы и рамки), а также угловая скорость вращения двигателя подбираются таким образом, чтобы был реализован принцип динамической настройки, т.е. чтобы собственная нутационная частота гироскопа совпадала с частотой вращения ротора.

При отклонении ротора гироскопа от плоскости, перпендикулярной валу, со стороны кардана Гука на ротор начинают действовать два противоположно направленных пропорциональных углу отклонения ротора момента: упругий момент сопротивления отклонению и динамический опрокидывающий момент. Условие взаимной компенсации этих моментов и представляет собой условие динамической настройки.

При динамической настройке кардан Гука приобретает свойства, близкие к свойствам безмоментного шарнира, что обуславливает очень малые погрешности измерения углов.

В конструкцию прибора входят также два индуктивных датчика углов 6 и два магнитоэлектрических датчика момента 7, а также система термостатирования, включающая термочувствительную катушку и обмотку обогрева, расположенные на корпусе прибора.

Такие гироскопы широко применяются в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов и могут применяться как датчики угловых отклонений объекта относительно заданной системы координат в системах ориентации.

 

Двухстепенные гироскопы

 

2.9.2.1. Двухстепенной скоростной гироскоп. Принципиальная схема устройства двухстепенного гироскопа приведена на рис. 2.38.

Двухстепенной гироскоп предназначен для измерения угловой скорости. Измерительной осью гироскопа является ось Ох, подшипники рамки 2 гироскопа жестко связаны с изделием, угловую скорость поворота которого относительно оси Ох необходимо измерить. При ω_кор=0 ось Ох перпендикулярна оси рамки Оу и оси Оz ротора 1.

При ω_кор≠0 на ось рамки будут действовать силы реакции подшипников F₁ и F₂. Направление вектора момента этих сил L₁ совпадает с направлением вектора угловой скорости поворота корпуса ω_кор.

Под действием внешнего момента L₁ рамка гироскопа будет поворачиваться относительно оси у-у в результате прецессии гироскопа в направлении совмещения вектора кинетического момента Н ротора гироскопа с вектором внешнего момента L₁.

В результате возникает натяжение возвратной пружины 3, вследствие чего момент пружины L_пр, направленный по оси у-у, вызывает прецессию гироскопа ω_пр. Это прецессионное движение возникает вокруг оси Ох и совпадает с направлением поворота изделия.

Рамка будет поворачиваться вокруг оси Ох до тех пор, пока под воздействием момента пружины L_пр не создастся скорость прецессии ω_пр, равная угловой скорости вращения корпуса ω_кор. В этом случае силы реакции F₁ и F₂ исчезнут, и вращение рамки вокруг оси Оу будет происходить за счет момента пружины L_пр без участия корпуса прибора. Демпфер 5 обеспечивает упокоение колебаний рамки при переходе от одного установившегося положения к другому.

Так как угловая скорость прецессии ω_пр пропорциональна моменту пружины L_пр, она оказывается пропорциональна и углу поворота рамки относительно оси Оу. Так как в установившемся движении ω_кор=ω_прец, угол поворота рамки пропорционален угловой скорости объекта. Направление поворота рамки определяется направлением вращения объекта. Угол поворота рамки оси ОУ проектируют не превышающим 10…15°, при этом погрешность измерения невелика.

Выходной сигнал снимается с потенциометра 4. Могут применяться емкостные или индуктивные преобразователи, для визуального наблюдения может быть использована стрелка.

На объектах, как правило, необходимо измерять угловые скорости в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Поэтому применяться три скоростных гироскопа, установленных так, чтобы оси чувствительности их располагались в трех взаимноперпендикулярных направлениях. Однако иногда используется один измеритель, объединяющий в одном корпусе три скоростных гироскопа с осями, заранее сориентированными в трех взаимоперпендикулярных направлениях.

2.9.2.2. Скоростной гироскоп с электрической пружиной. Основной величиной, определяющей точность измерителя угловых скоростей, является скорость дрейфа, которая возникает вследствие влияния различных случайных моментов. Одним из источников возникновения скорости дрейфа является старение возвратной пружины и наличие в ней внутренне

го трения. Заменив упругую пружину электрической, можно исключить скорость дрейфа.

На рис. 2.39 приведена принципиальная схема гироскопа с электрической пружиной. Сигнал с потенциометрического преобразователя подается через усилитель на устройство, создающее момент, действующий на ось рамки. Величина момента пропорциональна сигналу, а, следовательно, пропорциональна углу отклонения рамки, который в свою очередь, пропорционален угловой скорости.

2.9.2.3. Поплавковый гироскоп. Для уменьшения дрейфа за счет уменьшения момента трения в осях рамки применяется взвешивание гироузла в жидкости (поплавковый гироскоп). Принципиальная схема поплавкового гироскопа приведена на рис. 2.40. В нем ротор гироскопа 1 подвешен в рамке 2, имеющей форму герметического цилиндра. Объем цилиндра рамки подбирается таким, чтобы было обеспечено полное взвешивание рамки. Этим снимается нагрузка с осей рамки 3 и момент трения в подшипниках. Правильный выбор зазоров между цилиндром и корпусом 4 обеспечивает требуемую величину степени успокоения.

Применение гофрированной коробки 5 обеспечивает компенсацию изменения объема и удельного веса жидкости с изменением температуры.

ГЛАВА 3. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

cyberpedia.su