Микромеханические системы и элементы
Шрифт:
Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил называется прецессией гироскопа и описывается векторным уравнением
w x H = M.
Здесь w – вектор угловой скорости прецессии, H – вектор собственного кинетического момента гироскопа, M – ортогональная к H составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу. Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси, называют гироскопическим моментом. Погрешность гироскопа измеряется скоростью ухода его оси от первоначального положения. Свободный гироскоп функционирует идеально лишь в том случае, если внешний момент M равен нулю.
1.1.2.
Высокоточный гироскоп может уверенно (с погрешностью 5 %) измерять скорость вращения Земли, однако если бы этот гироскоп оказался на Луне, то ему не удалось бы обнаружить вращение Луны, происходящее в 28 раз медленнее вращения Земли. Во времена Фуко не существовало средств для раскрутки ротора гироскопа до скоростей тысячи оборотов в минуту. Только в конце XIX века было предложено использовать для разгона и поддержания вращения ротора гироскопа электрический мотор, тем самым обеспечив возможность получения больших значений кинетического момента гироскопа H и его постоянства в течение неограниченного промежутка времени.
Впервые уравновешенный гироскоп нашел практическое применение в устройстве для стабилизации курса торпеды, изобретенном в 80-х годах XIX века инженером Обри. Гироскоп Обри устанавливался в кардановом подвесе так, чтобы его ось вращения была параллельна продольной оси торпеды. Ротор гироскопа приводился во вращение за несколько секунд до выстрела, когда ось торпеды была уже направлена на цель. При движении торпеды гироскоп продолжал сохранять исходное направление и при возникновении отклонений торпеды поворачивал ее рули таким образом, чтобы обеспечить неизменность курса. Аналогичные устройства в различных вариантах исполнения и под разными наименованиями позднее стали применять на самолетах для указания курса (гироскопы направления, гирополукомпасы) и для управления движением ракет. Наземные маркшейдерские гирокомпасы применяют при выяснении формы буровых скважин (инклинометры), в качестве компасов сухопутной артиллерии при стабилизации стволов танковых орудий и в орудийных прицелах зенитной артиллерии. При первом практическом применении прицелов типа («Сперри-14») во время Второй мировой войны зенитные пушки сбили 32 самолета противника в одном только бою. В стабилизацию вертикального положения велосипеда основной вклад вносят гироскопические моменты колес, гироскопический эффект у винтовых самолетов и вертолетов оказывает существенное влияние на их угловое движение.
Но не все технические приложения гироскопов оказались удачными. Нерациональными оказались изобретенные в начале XX века гироскопические успокоители качки кораблей из-за неблагоприятных силовых воздействий, которые они оказывали на корпус, и однорельсовые гироскопические железные дороги из-за сложности и дороговизны. Известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. К примеру, кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. Длины этих волн определяются условиями генерации, согласно которым на длине периметра резонатора должно уложиться целое число волн, поэтому на неподвижном основании частоты этих волн совпадают. При вращении резонатора лазерного гироскопа путь, проходимый лучами по контуру, становится разным, и частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Волновые фронты лучей интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы. Вращение резонатора лазерного гироскопа приводит к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться со скоростью, пропорциональной скорости вращения гироскопа. Интегрирование по времени выходного сигнала лазерного гироскопа, пропорционального угловой скорости, позволяет определить угол поворота объекта, на котором установлен гироскоп.
К достоинствам лазерных гироскопов следует отнести отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения. Или волоконно-оптические гироскопы, определившие достижения в области разработки и промышленного выпуска световодов с минимальным значением погонного затухания и интегральных оптических компонентов привели к началу работ над волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), представляющим собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. Наиболее распространенный вариант ВОГ – многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности КЛГ. ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов.
Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) зарекомендовали себя в качестве датчиков средней точности. В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих
Аналогия в некоторых явлениях простирается и дальше. 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. Резонатор ВТГ представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, сделанную из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Форма оболочки – полусфера с отверстием в полюсе, поэтому ВТГ называется в литературе полусферическим резонаторным гироскопом. Один край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к основанию (ножке). Другой край, называемый рабочим, свободен. На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, которые образуют вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожуха, конденсаторы. Часть конденсаторов служит для силового воздействия на резонатор. Вместе с соответствующими электронными схемами они образуют систему возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. Вторая группа конденсаторов служит датчиками положения пучностей на резонаторе. Соответствующая (весьма сложная) обработка сигналов этих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движении основания резонатора.
К достоинствам ВТГ относятся высокое отношение точность/ цена, способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшой вес, низкая энергоемкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.
Вибрационные гироскопы основаны на свойстве камертона, заключающегося в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Первые разработчики вибрационных гироскопов предрекали близкую смерть классическим гироскопам с вращающимся ротором. Однако более глубокий анализ показал, что вибрационные гироскопы отказываются работать в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Непреодолимой оказалась и проблема нестабильности показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек. Поэтому идея чистого камертонного гироскопа так и не была доведена до прецизионного прибора, однако она стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих либо пьезоэлектрический эффект, либо вибрацию жидкостей или газов в хитро изогнутых трубках и т. п.
Микромеханические гироскопы (ММГ) относятся к области низких точностей. Эта область длительное время не разрабатывалась, однако сегодня она имеет перспективы: одноосные гироскопы вибрационного типа, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий, представляют собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа описанного выше камертона. Решающее значение имеет исключительно низкая стоимость микромеханических чувствительных элементов. Автомобили и бинокли, телескопы и видеокамеры, манипуляторы-мыши для ПК и «джойстики», в том числе как элементы управления электронно-механической коробки передач в автомобилях, мобильные робототехнические устройства и детские игрушки – вот лишь некоторые области применения МГГ. Конечно, ММГ можно использовать и при совершенствовании военной техники (прицелы, самонаводящиеся бомбы, тактическое оружие), но не эти приложения являются определяющими в экономическом плане.
Неконтактные гироскопы
В отличие от ММГ, неконтактные гироскопы находятся на другом полюсе среди гироскопических чувствительных элементов, так как с их помощью удалось достичь сверхвысоких точностей. Неконтактные гироскопы имеют резервы повышения точности; в обозримом будущем именно они останутся лидерами массового производства в своей сфере. Среди гироскопов с неконтактными подвесами можно выделить гироскопы с электростатическим и магнитным подвесами ротора.
В электростатическом гироскопе (ЭСГ) проводящий сферический ротор подвешен в условиях вакуума в регулируемом электрическом поле, создаваемом системой электродов. Если поверхность ротора близка к идеальной сфере, то силы электрического поля, действующие по нормали к проводящей поверхности ротора, не могут создать момента относительно его центра, и возникает возможность создания идеального гироскопа. Ротором электростатического гироскопа может служить бериллиевый шар диаметром 1 см, раскрученный до скорости порядка 180 000 оборотов в минуту.