Применение и классификация гироскопов
Гироскоп (датчик угловой скорости, ДУС) – это инерциальный датчик, измеряющий угловую скорость вращающегося объекта в °/с. Гироскопы проводят измерение скорости вращения относительно одной, двух или трёх осей и подразделяются на одно-, двух- и трёх осевые.
Имея данные об угловой скорости и времени поворота, можно рассчитать угол поворота, а, зная их и имея вычисленные по данным акселерометров расстояния, можно построить траекторию движения объекта, а также определить его текущее положение и координаты. Гироскопы - это второй информационный компонент навигационных систем.
Имея данные о первоначальных координатах и положении объекта в пространстве, по данным, получаемым от установленных на этом объекте акселерометров и гироскопов, можно вычислять как его текущее положение в пространстве, так и направление движения, скорость и пройденное расстояние.
Частным примером гироскопа является гирокомпас – датчик, определяющий направление на истинный северный полюс Земли.
Что такое инерциальный датчик?
Технологии, используемые при производстве гироскопов
Гироскопы подразделяются по виду используемых для измерения технологии. В данной статье мы рассмотрим роторные, волоконно-оптические, лазерные, вибрационные и МЭМС-гироскопы.
Роторные гироскопы
Роторные гироскопы – это классические механические гироскопы, с которых началось развитие всех гироскопических устройств. В устройство такого гироскопа входит ротор, приходящий в движение под действием электрического тока, как ротор электродвигателя, и закрепленный в раме, и стабильный корпус. Роторный датчик может иметь две или три степени свободы (и одну или две рамы соответственно). Такую конструкцию называют кардановым подвесом – шарнирной опорой, закреплённый в который подвес может вращаться одновременно в нескольких плоскостях, но при этом движущееся тело (ротор) будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации в пространстве самого подвеса, согласно закону сохранения момента импульса. Таким образом, когда на гироскоп начинают воздействовать внешние силы, ротор начинает вращаться вокруг одной оси, первая рама – вокруг второй, а вторая рама – вокруг третьей, но при этом ротор сохраняет направление оси вращения в пространстве, поскольку оси всех частей гироскопа пересекаются в центре подвеса ротора, который одновременно является центром масс этих тел. На этом свойстве основан, в частности, принцип работы гирокомпаса. Угловая скорость при этом будет равняться первой производной по времени от углового перемещения.
Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ)
Принцип работы волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) основан на эффекте Саньяка, который заключается в следующем: время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, неподвижен данный контур, или он вращается, а также от направления его вращения. Луч света в ВОГ проходит через катушку оптоволокна в двух направлениях. Если катушка находится в состоянии покоя, то на приемном устройстве угол между фазами лучей света, двигающихся в разных направлениях, будет равен нулю. А при вращении контура относительно инерциальной системы отсчёта (ИСО) возникнет разность фаз, пропорциональная скорости вращения ВОГ. Далее по формуле будет рассчитываться угловая скорость, зависящая от разности фаз. В качестве источника света может использоваться как лазерный прибор, так и светодиод.
Вибрационные гироскопы
Принцип работы вибрационных гироскопов основан на измерении силы Кориолиса (или, как её еще называют, кориолисова ускорения), действующей на движущееся тело в подвижной системе отсчёта. Вибрационные гироскопы содержат в своём устройстве реагирующие на вращение объекта вибрирующие детали, которые при этом соединены с опорой гироскопа. Чувствительный элемент (масса) вибрирует в одной и той же плоскости при повороте основания, и амплитуда этих колебаний пропорциональна угловой скорости. Различают вибрационные гироскопы стержневого и роторного типа: в гироскопах стержневого типа чувствительным элементом является вибратор, состоящий из стержней, похожих на ножки камертона, торсиона, соединяющего стержни с основанием гироскопа, и пластины, закреплённой между двумя катушками. При подаче напряжения стержни начинают совершать колебательные движения, и если при этом весь гироскоп начинает вращаться, то в нём возникает сила Кориолиса, и пластинка колеблется между катушками. Амплитуда этих колебаний и будет пропорциональной угловой скорости.
Роторный вибрационный гироскоп по принципу работы схож со стержневым, но чувствительным элементом является вращающийся ротор с упругим подвесом.
МЭМС гироскопы
Принцип работы МЭМС-гироскопов схож с принципом работы вибрационных гироскопов: для измерения угловой скорости вращающегося тела необходима вибрация (возбуждение). Для этого в системе имеется инертная масса, которая вибрирует, и при изменении угловой скорости эффект Кориолиса вызывает возникновение новых колебаний этой массы в другой плоскости. Эти вторичные колебания фиксируются ёмкостным датчиком. Измеряемая дифференциальная ёмкостная составляющая пропорциональна углу перемещения, получившийся сигнал усиливается, демодулируется и фильтруется, после чего на выход подаётся напряжение, пропорциональное угловой скорости.
Лазерные гироскопы
Работа лазерных гироскопов, как и работа ВОГ, основана на эффекте Саньяка, и такой датчик представляет из себя оптический резонатор треугольной или квадратной формы c тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам контура. Между анодом и катодом возникают разряды, генерирующие два лазерных луча, непрерывно циркулирующие в полости гироскопа в противоположных направлениях, из-за чего в датчике возникает интерференционная картина, состоящая из светлых и тёмных полос. Их положение не меняется, если гироскоп находится в состоянии покоя относительно ИНС, а при его повороте датчики считывания (фотоприёмники) измеряют угол поворота, считая пробегающие по ним интерференционные полосы, после чего путём дифференцирования пройденного пути, определяется угловая скорость.
Параметры гироскопов
Выбирать гироскоп для использования в конкретном устройстве, необходимо исходя из его основных параметров.
Какие параметры гироскопов нужно учитывать при выборе
- Диапазон измерений, выражаемый в °/с. Чем выше это значение, тем большие значения угловой скорости способен измерить гироскоп.
- Чувствительность (разрешение) гироскопов – минимальная величина изменения угловой скорости, которое гироскоп может зафиксировать. Измеряется в °/с, чем значение ниже – тем чувствительность выше.
- Нестабильность смещения нуля, измеряемая в °/ч, показывает смещение начального нулевого показания гироскопа с течением времени из-за внутренних шумов. Чем меньше этот показатель, тем меньше со временем смещается значение нулевого показания гироскопа.
- Дрейф нуля – показывает накапливающуюся ошибку измерения угловой скорости с течением времени, измеряется в °/с или в °/ч. Чем ниже значение – тем меньше значение ошибки, и тем точнее будут измерения даже с течением времени. В ИНС и ИИМ для компенсации ошибки гироскопов используют спутниковые системы навигации или магнитометр.
- Случайный угловой уход гироскопов, измеряемый в °/√ч, показывает собственные шумы гироскопа, влияющие на измерения. Чем ниже это значение, тем ниже ошибка измерений в течение определённого времени.
- Нелинейность, выражаемая в процентах от полного диапазона, показывает максимальное отклонение реального выходного сигнала от сигнала в идеальной линеаризированной модели. Чем меньше это значение, тем более приближенное к истинному значению показание на выходе даёт гироскоп.
- Полоса пропускания определяет частоту изменения угловой скорости, которую сможет зафиксировать датчик, измеряется в Гц. Чем выше этот показатель, тем в более широком частотном диапазоне гироскоп зафиксирует изменение угловой скорости.
- Выходное разрешение, в основном измеряемое в мВ/°/с, – это отношение полного диапазона измерений гироскопа к полному диапазону полезного сигнала на выходе датчика. Чем выше разрешение, тем выше амплитуда выходного сигнала при минимальном изменении входной величины.
- Диапазон рабочих температур показывает, в каких температурных условия ДУС может функционировать.
- Ударостойкость, измеряемая в g, показывает, какую силу удара может выдержать гироскоп без существенного увеличения в погрешности измерений. Чем выше это значение, тем более высокую нагрузку может выдержать датчик.
Применение гироскопов
Гироскопы широко применяются в системах стабилизации и навигации в различных отраслях:
- Авиация
- Судостроение
- Производство беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)
- Робототехника
- Железнодорожный транспорт
- Нефтяная и горнодобывающая промышленности
- Оборонно-промышленные производства
- Ракетостроение и космос
- Автомобилестроение
- Медицина и др.
Гироскопы, представленные в каталоге ИНЕЛСО
|
|
ВОГ |
МЭМС-гироскопы |
Вибрационные гироскопы |
Лазерные гироскопы |
|
Диапазон измерений, °/с |
±170 - ±1000 |
±150 - ±8000 |
±110 - ±160 |
±400 |
|
Нестабильность смещения нуля, °/ч |
0,07 – 0,5 |
3 - 20 |
0,22 |
0,003 – 0,01 |
|
Дрейф нуля, °/ч |
0,5 - 1 |
100-150 |
10 - 50 |
|
|
Случайный угловой уход, °/√ч |
0,0004 – 0,5 |
0,25 |
0,01 |
0,0005 – 0,002 |
|
Полоса пропускания, Гц |
100 - 500 |
150 - 2000 |
300 |
|
|
Диапазон рабочих температур, °С |
-45…+70 |
-45…+85 |
-40…+85 |
-40…+70 |
Подробнее о гироскопах BLITZ Sensor
Смотреть гироскопы в Каталоге ИНЕЛСО
Смотреть полный каталог товаров бренда BLITZ Sensor
Для консультации и подбора инерциальных датчиков обращайтесь к нашим специалистам.
по тел.: +7 (812) 628-00-16
или по электронной почте: sales@inelso.ru.