Общие сведения о гироскопах

3.Классификация гироскопов

По принципу действия различают два основных типа гироскопов:

• механические гироскопы,
• квантовые гироскопы.

Механические гироскопы.

Среди механических гироскопов различают роторные и вибрационные гироскопы.

• Роторный гироскоп — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.
• Вибрационный гироскоп - прибор для определения угловой скорости объекта, содержащий реагирующие на вращение объекта вибрирующие детали. Различают вибрационные гироскопы стержневого и роторного типа. У вибрационного гироскопа стержневого типа чувствительным элементом являются некоторые вибрирующие массы, например стержни, подобные ветвям камертона.

Один из вибрационных гироскопов стержневого типа, получивший практическое применение, называется гиротроном. Его чувствительным элементом (рис. 8) является вибратор, состоящий из стержней 1, упругого торсиона 2, связывающего стержни с основанием 3 вибратора, пластинки 4, жестко скрепленной с торсионом и перемещающейся в поле катушек 5, укрепленных на основании 3. Ветви вибратора-камертона с помощью специальной электрической схемы приводятся в колебательное движение. Если при этом объект вместе с основанием 3 вибратора поворачивается вокруг оси Οζ с угловой скоростью ως, то возникает момент Кориолиса сил инерции, вызывающий крутильные колебания вибратора вокруг оси Οζ. При этом пластинка 4 колеблется между катушками 5; амплитуда колебаний пропорциональна угловой скорости ως. Значение ως снимают с катушек 5 с помощью радиотехнических методов. Прибор обладает рядом достоинств: отсутствие карданова подвеса, вращающихся и трущихся частей; наличие одной оси чувствительности; линейность показаний; высокая надёжность и др.

Принцип работы роторного вибрационного гироскопа аналогичен, но вместо стержней и пластин вибрирующим элементом является вращающийся ротор с упругим подвесом. Однако создание вибрационного гироскопа сопряжено с рядом технических трудностей. Возможности применения вибрационных гироскопов весьма разнообразны. Наиболее просто прибор используется в качестве измерителя угловой скорости объекта. Вибрационные гироскопы могут также найти применение в системах гироскопической стабилизации, в инерциальных навигационных системах и др. областях гироскопической техники.

Квантовые гироскопы.

Квантовый гироскоп – прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов. Квантовые гироскопы делятся на:

• Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком оптического гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, которые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 9) состоит из трёх (или больше) зеркал 1, 2, 3,смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества), определяется условием, согласно которому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой, которую имела вначале. Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре Р контура укладывается целое число n длин волн λ0, т. е. Р = nλ0. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых одинаковы и равны:

 ,

Если же весь прибор вращается с угловой скоростью Ω вокруг направления, составляющего угол θ с перпендикуляром к его плоскости (рис. 10), то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на некоторый угол. В зависимости от направления распространения волны путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р. В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Можно показать, что эти частоты v– и v+ не зависят от формы контура и связаны с частотой Ω вращения прибора соотношением:

 ,

Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор, чувствительный к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует биения с разностной частотой:

 ,

где , а . Например, для квадратного гелий-неонового квантового гироскопа стороной 25 см λ0 = 6×10–5см, откуда k = 2,5×106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью Ω = 15 град/ч, на широте θ = 60° должно приводить к частоте биений Δv = 15 гц. Если ось квантового гироскопа направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость Ω вращения Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту θ места, на которой расположен квантовый гироскоп.

Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (которое может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптических квантовых гироскопов теоретически определяется спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений Δv = 1 гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел точности квантового гироскопа равен 10–3град/ч. В существующих оптических квантовых гироскопах этот предел ещё не достигнут.

• Ядерные и электронные гироскопы. В ядерных квантовых гироскопах используются вещества с ядерным парамагнетизмом (вода, органические жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, например при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др. магнитных полей (например, земного) возникший суммарный магнитный момент М будет некоторое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический квантовый гироскоп позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.

Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для квантового выбирают вещества с большими временами релаксации, например некоторые органические жидкости, для которых время релаксации t составляет несколько минут, жидкий 3He (около 1 ч) или раствор жидкого 3He (10—3%) в 4He (около года).

В квантовом гироскопе, работающем по методу ядерной индукции, вращение с угловой скоростью Ω датчика, который содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью , где γя — гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер вокруг направления поля Н приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей рабочее вещество квантового гироскопа (рис. 11). Определение частоты Ω вращения тела, связанного с датчиком, сводится к измерению частоты электрического сигнала, которая пропорциональна Ω.

В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н, жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с угловой скоростью Ω приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента М, приблизительно равному проекции вектора Ω на Н. Это изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля Н. Например, для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы ΔН/Н ≤ 10–9. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники. Например, если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3×10–9э.

Электронные квантовые гироскопы аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы которых содержат неспаренные электроны (например, устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные квантовые гироскопы перспективны, так как гиромагнитное отношение γэл для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.

Несмотря на то что квантовые гироскопы, особенно оптические, непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё уступают лучшим образцам механических гироскопов. Однако квантовые гироскопы обладают рядом существенных преимуществ перед механическими гироскопами: они не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования, обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение короткого промежутка времени, могут выдержать значительные ускорения и работать при низких температурах.

4.Применение гироскопов в технике

Применяемые в технике гироскопы выполняют обычно в виде маховичка с утолщённым ободом, весом от нескольких Г до десятков кГ, закрепленного в кардановом подвесе. Чтобы сообщить гироскопу быстрое вращение, его делают ротором быстроходного электромотора постоянного или переменного тока. В авиации применяются гироскопы с ротором в виде воздушной турбинки, приводимой в движение струей воздуха. Иногда гироскоп выполняют в форме шара (шар-гироскоп) с подвесом на воздушной плёнке, образуемой подачей сжатого воздуха. В ряде конструкций применяют поплавковый гироскоп, ротор которого заключён в кожух, плавающий в жидкости; этим разгружаются подшипники кожуха и значительно уменьшается момент трения в них.

Устройство конкретных гироскопических приборов основывается на тех или иных свойствах гироскопов с тремя или двумя степенями свободы. Свойство гироскопа с тремя степенями свободы неизменно сохранять направление своей оси в пространстве используется при конструировании приборов для автоматического управления движением самолётов (например, автопилота), ракет, морских судов, торпед и т.п. Гироскоп в этих приборах играет роль чувствительного элемента, регистрирующего отклонение движущегося объекта от заданного курса. Одновременно прибор содержит следящую систему, улавливающую сигнал об отклонении, усиливающую его и передающую силовому устройству (мотору), которое и возвращает объект на заданный курс, обычно с помощью рулей. Второе свойство гироскопа с тремя степенями свободы — свойство прецессировать под действием приложенной силы — положено в основу гироскопа направления (курсового гироскопа) и важных навигационных приборов: гирокомпаса — прибора, определяющего направление географического меридиана, и гировертикали (или гирогоризонта) — прибора, определяющего направление истинной вертикали (горизонта).

При запуске ракеты необходимо с высокой степенью точности знать скорость её вертикального взлёта. С этой, казалось бы, очень трудной задачей, тоже легко справляется прецессирующий гироскоп.

В гироскопических приборах часто используют и свойства гироскопов с двумя степенями свободы. К таким приборам относятся авиационный указатель поворота, а также некоторые виды гиростабилизаторов, в частности устройства для пространственной стабилизации объекта (например, искусственного спутника Земли).

Современная техника требует от многих гироскопических приборов очень высокой точности, что вызывает большие технологические трудности при их изготовлении. Например, у некоторых приборов при весе ротора порядка 1 кГ для обеспечения нужной точности смещение центра тяжести от центра подвеса не должно превышать долей микрона, иначе момент силы тяжести вызовет нежелательную прецессию (уход) оси гироскопа. Кроме того, на точность показаний приборов с гироскопом в кардановом подвесе влияет трение в осях. Всё это привело к разработке гироскопов, основанных не на чисто механических, а на других физических принципах.

5.Заключение 

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации (в пределах зоны покрытия спутниковой навигационной системы (СНС), то есть в пределах планеты). В настоящее время СНС системы по параметрам массы, габаритов и стоимости превосходят гироскопические. Однако решение углового положения аппарата в пространстве с использованием СНС систем (многоантенных) хоть и возможно, но весьма затруднено и имеет ряд значимых ограничений, в отличие от гироскопических систем.

В настоящее время разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приёмников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолёта вокруг вертикальной оси.