Vibrerande gyroskop

Gyroskop med vibrerande struktur är gyroskopiska enheter som bibehåller riktningen för sina svängningar när basenroteras . Denna typ av gyroskop är mycket enklare och billigare med jämförbar noggrannhet jämfört med roterande gyroskop. Den engelska litteraturen använder också termen "Coriolis vibratory gyroscopes" ( engelska Coriolis vibratory gyroscope , CVG ) [1] [2] , som tar hänsyn till funktionsprincipen baserad på effekten av Corioliskraften , som i roterande gyroskop.

Hur det fungerar

Låt två hängande vikter vibrera på ett plan i ett MEMS-gyroskop med en frekvens . Sedan, när gyroskopet roteras, sker en Coriolis-acceleration lika med $\omega_r$

${\vec {a}}_{c}=-2(({\vec {v}}\times {\vec {\Omega }}})$ ,

var är hastigheten och är gyroskopets vinkelfrekvens. $\vec{v}$ ${\vec {\Omega ))$

Den horisontella hastigheten för den oscillerande vikten erhålls som , och viktens position i planet är . $X_{ip}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)$ $X_{ip}\sin(\omega _{r}t)$

Som ett resultat beskrivs rörelsen utanför planet som orsakas av gyroskopets rotation av uttrycket: $y_{op}$

y_{{op}}={\frac {F_{c}}{k_{{op}}}}={\frac {2m\Omega X_{{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)}{k_{{op}}}}

, var

m

är massan av den oscillerande vikten,

k_{op}

är fjäderkonstanten i riktningen vinkelrät mot planet,

\Omega

- graden av rotation i planet vinkelrätt mot den oscillerande viktens rörelse.

I det allmänna fallet utförs utvecklingen av störande influenser i proportion till vinkelhastigheten eller rotationsvinkeln för basen (integrerande gyroskop).

Sorter

Piezoelektriska gyroskop.
Våg halvledargyroskop (SHG) [3] [4] [5] . Arbetet med en av varianterna av WTGs har utvecklats sedan 80-talet. av GE Marconi, GE Ferranti (WB), Watson Industires Inc. (USA), Inertial Engineering Inc. (USA) Innalabs och andra är baserade på kontroll av två stående vågor i en fysisk kropp - en resonator, som kan vara både axisymmetrisk och cykliskt symmetrisk. Samtidigt gör den axisymmetriska formen på resonatorn det möjligt att uppnå egenskaperna hos ett gyroskop, nämligen: att avsevärt öka gyroskopets livslängd och dess stötmotstånd, vilket är avgörande för många stabiliseringssystem. Resonatorer som CVG vibrerar i det andra läget (som i HRG). Stående vågor är således oscillationer av en elliptisk form med fyra antinoder och fyra noder placerade längs omkretsen av kanten av resonatorn. Vinkeln mellan intilliggande noder/antinoder är 45 grader. Den elliptiska formen av vibrationer exciteras upp till en viss amplitud. När gyroskopet roteras kring känslighetsaxeln, exciterar de resulterande Coriolis-krafterna som verkar på elementen i resonatorns vibrerande massa ett parat oscillationssätt. Vinkeln mellan huvudaxlarna för de två lägena är 45 grader. En sluten styrslinga (kompensationsåterkoppling - CBS) dämpar den parade oscillationsformen till noll. Amplituden av kraften (det vill säga en signal proportionell mot strömmen eller elektrisk spänning i CBS-kretsen) som krävs för detta är proportionell mot sensorns rotationshastighet. Motsvarande system för en sluten styrslinga kallas ett kompensationssystem, liknande KOS för pendelaccelerometrar och klassiska roterande ACS (vinkelhastighetssensorer). Piezoelektriska element monterade på resonatorn används för att generera kompensationskraften och avläsa de framkallade rörelserna. Detta elektromekaniska system är mycket effektivt och ger det låga utgående brus och breda mätområde som behövs för många "taktiska" applikationer (även om det minskar sensorns känslighet i proportion till ökningen av dess mätområde). De nämnda gyroskopen använder moderna legeringar av Invar-typ med lödda piezoelektriska ingångs-utgångselement eller piezokeramiska resonatorer med elektrodavfyrning. I vilket fall som helst är deras kvalitetsfaktor teoretiskt begränsad till värden i storleksordningen 100 tusen (i praktiken vanligtvis inte högre än 20 tusen), vilket är flera storleksordningar lägre än den många miljondels kvalitetsfaktorn för CVG-resonatorer som tillverkats av kvartsglas eller enkristaller som används för "strategiska" tillämpningar.
Stämgaffel gyroskop.
Vibrerande roterande gyroskop (inklusive dynamiskt avstämda gyroskop) [6] .
MEMS- gyroskop [6] .

Applikation

Mikromekaniska vibrationsgyroskop används i lutningsmätsystemet på Segways elskoter . Systemet består av fem vibrationsgyroskop, vars data bearbetas av två mikroprocessorer.

Liknande typer av mikrogyroskop används i mobila enheter , i synnerhet i multikoptrar, kameror och videokameror (för att kontrollera bildstabilisering), smartphones, etc. [7] .

CVG:er har blivit utbredda i tröghetsnavigeringssystem, såväl som plattformsstabilisering och fjärrstyrda torn av pansarfordon [2] .

Se även

Anteckningar

↑ IEEE Std 1431–2004 Coriolis vibrationsgyroskop.
↑ 1 2 Slyusar V.I. Elektronik i utländska vapen och militär utrustning. Arkiverad 11 januari 2021 på Wayback Machine - 2020. - Nr 3. - S. 95 - 96.
↑ Klimov, Zhuravlev, Zhbanov, 2017 .
↑ Lynch DD HRG-utveckling vid Delco, Litton och Northrop Grumman // Årsdagen Workshop om Solid-State Gyroscopy (19-21 maj, 2008. Jalta, Ukraina). — Kiev-Charkiv. ATS i Ukraina. 2009. - ISBN 978-966-02-5248-6 .
↑ Sarapuloff SA 15 år av solid-state gyrodynamics utveckling i USSR och Ukraina: Resultat och perspektiv av tillämpad teori // Proc. från det nationella tekniska mötet vid US Institute of Navigation (ION) (Santa Monica, Kalifornien, USA. 14-16 januari 1997). - S.151-164.
↑ 1 2 Matveev V. V., Raspopov V. Ya. Grunderna i konstruktionen av tröghetsnavigeringssystem. 2:a upplagan / Ed. V. Ya Raspopova. - St Petersburg. : Centrala forskningsinstitutet "Elektropribor", 2009. - 62-64 sid. - ISBN 978-5-900780-73-3 .
↑ Första MEMS gyro-smartphone som skickas i juni; det kommer inte att vara den sista Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // EETimes, 5/11/2010

Litteratur

Merkuriev I. V. , Podalkov V. V. Dynamik för mikromekaniska och vågiga fasta gyroskop. - M. : Fizmatlit, 2009. - 226 sid. - ISBN 978-5-9221-1125-6 .
Klimov D.M. , Zhuravlev V.F. , Zhbanov Yu.K. Kvarts halvsfärisk resonator (Wave solid state gyroscope). - M. : Kim L.A., 2017. - 194 sid. - ISBN 978-5-9909668-5-7 .