Вибрационные гироскопы

Гироскопы с вращающейся массой (ротором) давно известны. Их главное свойство - сохранять неизменным положение оси вращения в пространстве - широко используется как для стабилизации положения различных платформ, так и косвенно, для получения исходной информации для реализации такой стабилизации. Присущие им недостатки связаны с необходимостью иметь достаточно большую инертную массу и износом опор. Практически их невозможно сделать миниатюрными.

В 1950г. для замены гироскопов с вращающейся массой был предложен вибрационный. Гироскоп предназначен для измерения угловых ускорений. Он сложнее обычных линейных акселерометры, т.к. принципиально требует для работы опорного движения. В обычном гироскопе таким опорным движением является вращение ротора. В вибрационном гироскопе вращение заменено возбуждением опорной вибрации.

Принцип работы чувствительного элемента (ЧЭ) вибрационного гироскопа иллюстрирует рис. 36.

Рис. 36. Принцип работы чувствительного элемента вибрационного гироскопа: а - возбуждаемые колебания; б - вынужденные колебания.

ЧЭ представляет собой миниатюрный камертон, выполненный из монокристалла. Обе его пластины - ветви приводятся в противофазное колебательное движение в плоскости ZY (плоскость листа). Это возбуждение производится внутренним генератором. Каждый элемент ветви массой dm перемещается с линейной скоростью V. Если теперь основание, на котором закреплен камерон, будет вращаться со скоростью Ω (которую нужно измерить) вокруг оси Z, для каждого элемента массы возникает ускорение Кориолиса ak=2VΩ и соответствующая сила инерции Fk=2VΩdm.

Силы Кориолиса суммируются по каждой из ветвей и приводят к их изгибу в плоскости XZ. При вращении основания в другую сторону изменится и направление изгиба. Таким образом, колебания (отклонения) ветвей в плоскости XZ содержат информацию об угловой скорости вращения основания.

Линейные ускорения, вибрации корпуса прибора являются помехой для полезного сигнала. Теория работы и извлечения полезной информации с таких датчиков достаточно сложна.

Такие простые конструкции ЧЭ выполнялись из кварца, обладающего пьезоэффектом. Датчики имели габариты 63×47×35, а измеряли скорость вращения до 75о /С.

Обычно гироскопы имеют более сложную конструкцию.

На рис. 37 представлена структура вибрационного гироскопа, выполненного по планарной технологии на кремниевой пластине.

Рис. 37. Конструктивная схема вибрационного гироскопа

Гироскоп имеет две подвижные массы, каждая площадью 4мм2, подвешенные на гибких опорах (рамках) относительно базового элемента (основания), выполненного из стекла. Массы с помощью трех (левый, центральный, правый) электростатических двигателей гребенчатой структуры приводятся в вибрационное движение со скоростью V параллельно плоскости базы. Векторы скоростей находятся в противофазе друг к другу. Если возникает угловая скорость Ω вокруг входной оси, появляется сила Кориолиса F1 и F2, под их действием одна масса будет подниматься, другая опускаться по отношению к плоскости вибрации.

Емкости датчика перемещения, расположенные на подвижных массах (снизу) и на основании зафиксирует перемещение и сформирует выходной сигнал гироскопа. Имеются также емкости для формирования контура электростатической обратной связи.

Наиболее распространена конструкция гироскопа с двумя рамками и торсионным подвесом (рис. 38).

Интересное из раздела

Проект кабельной линии автоматики, телемеханики и связи на участке железной дороги Красноярск – Саянская – Абакан
Главная задача, поставленная перед железнодорожным транспортом, обеспечение всевозрастающей потребности народного хозяйства в перевозках, повышение скоросте ...

Автоматическая система управления
В настоящее время широко используются микропроцессорные устройства и системы. Их назначение и область применения очень велика. Так, различного рода микропроцессорные сист ...

Проектирование автомата подачи звонков
Разработанный автомат подачи звонков удовлетворяет всем требованиям, предъявленным в задании. Настройка автомата производится с помощью трех кнопок: «вверх» ...