Теория гироскопов
Гироскоп – твердое симметричное тело, которое может вращаться вокруг оси симметрии с угловой скоростью, значительно превышающей скорость вращения самой оси симметрии. Гироскоп является основной частью таких гироскопических приборов летательных аппаратов, как гироскоп направления, гировертикаль, гирокомпас, гиротахометр, гиростабилизатор. На летательных аппаратах с помощью гироприборов определяют направление меридиана и истинной вертикали, измеряют угловые скорости и ускорения. Гироскопические компасы установлены на кораблях. Кинематическая схема трехстепенного гирпоскопа в кардановом подвесе показана на рис. 1. Рис. 1. Кинематическая схема трехстепенного гироскопа Главный конструктивный элемент гироскопа – ротор. Для обеспечения свободы вращения ротора вокруг неподвижной точки применяют карданов подвес, состоящий из двух рамок – внутренней и наружной. Ротор гироскопа с помощью осей карданова подвеса устанавливается в рамках. Ротор может совершать три независимых друг от друга вращения вокруг осей, пересекающихся в одной точке – центре ротора, которая при движении гироскопа остается неподвижной. Свободу вращения относительно трех осей x, y и z ротору обеспечивает карданов подвес. Ротор гироскопа вращается с большой угловой скоростью относительно внутренней рамки, которая может поворачиваться относительно внешней рамки, а последняя – относительно основания. В микромеханических гироскопах (ММГ) применяются кремниевые технологии. Колебания чувствительных масс в каждой из схем возбуждаются электростатическим гребенчатым виброприводом. В конструкциях приборов реализуется компенсационный (с обратной связью) режим работы. Резонансная кривая роторного ММГ в окрестности частоты собственных колебаний (~ 5 кГц) приведена на рис. 2 б). В этой схеме амплитуда вынужденных угловых колебаний ротора при резонансной настройке составляет ~ 3°. Следует отметить острый характер резонанса, объясняющийся высокой добротностью кремниевого осциллятора. Указанное обстоятельство требует применения точной резонансной настройки, заключающейся в обеспечении и поддержании в процессе работы строгого совпадения частоты вибровозбуждения с собственной частотой осциллятора. В этом состоит одна из основных проблем, возникающих при разработке ММГ. В конструкциях разрабатываемых ММГ предусмотрены контуры подстройки частот. Добротность определяет ширину резонанса. Также ММГ могут работать в режиме прямого преобразования. Рис. 2. Резонансные кривые роторного ММГ ММГ являются электромеханическими системами, в которых энергия вынужденных (первичных) колебаний инерционной массы на упругом подвесе (резонатор) при воздействии переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие влияния на резонатор сил (или моментов) инерции Кориолиса при вращении резонатора с переносной угловой скоростью, вектор которой перпендикулярен вектору мгновенной скорости инерционной массы резонатора. При изготовлении ММГ применяют высокодобротные материалы, такие как кремний, кварц и др. Для возбуждения первичных колебаний, создания сил и моментов компенсации, измерения параметров вторичных колебаний применяют электростатические, магнитоэлектрические, электромагнитные, а с резонаторами из пьезокерамики также пьезоэлектрические преобразователи.