Гироскопы Гироскоп — популярный

Гироскопы Гироскоп - популярный навигационный датчик. Гироскоп является необходимым устройством для определения положения транспортных средств. Гироскоп в переводе означает «хранитель направления» , также как маятник в часах является «хранителем времени» . Принцип действия гироскопов основан на законе сохранения момента импульса: «В произвольной замкнутой системе сумма моментов импульса всех ее частей относительно любой неподвижной точки пространства постоянна»

Механические гороскопы • При вращении платформы гироскопа вокруг входной оси, у гироскопа появляется крутящий момент относительно перпендикулярной (выходной) оси, заставляющий основную ось вращения поворачиваться вокруг выходной оси – прецессия • Когда к входной оси приложен момент М и скорость диска поддерживается постоянной, угловой момент ротора может быть изменен только путем поворота проекции оси вращения относительно входной оси. Скорость движения оси вращения относительно выходной оси будет пропорциональна приложенному моменту: • М = I • где — угловая скорость вращения вокруг выходной оси, I — момент инерции ротора гироскопа относительно оси вращения. Для определения направления прецессии можно воспользоваться следующим правилом: Прецессия всегда имеет направление, при котором направления вращения ротора и приложенного механического момента совпадают.

Принцип работы гироскопа • Механический гироскоп состоит из массивного диска, свободно поворачивающегося вокруг основной оси вращения (рис. 8. 10), которая удерживается рамкой, способной вращаться относительно одной или двух осей. Таким образом, в зависимости от количества осей вращения гироскопы имеют одну или две степени свободы. Следует отметить, что: • 1. Основная ось вращения свободного гироскопа не будет менять свое пространственное положение, при отсутствии внешних сил, действующих не нее. • 2. Крутящий момент гироскопа (его выходной сигнал) пропорционален его угловой скорости движения вокруг оси, перпендикулярной основной оси вращения. При свободном вращении диска (ротора) он всегда стремится сохранить свое осевое положение. • Существуют магнитные гироскопы, в которых ротор удерживается магнитным полем. Такие устройства охлаждаются криогенным способом до температур, при которых ротор становится сверхпроводящим. При помощи внешнего магнитного поля внутри ротора формируется достаточно сильное противодействующее поле, позволяющее ротору свободно вращаться в вакууме. Такие магнитные гироскопы часто называются криогенными.

Монолитные кремниевые гироскопы – вращающийся диск заменен на вибрирующий элемент • Если тело движется линейно внутри опорной рамки, вращающейся вокруг оси, перпендикулярной направлению движения, в нем возникает ускорение Кориолиса. Это ускорение прямо пропорционально скорости вращения тела относительно третьей оси, перпендикулярной плоскости, образованной двумя другими осями (рис. 8. 11 А). В микрогироскопах вращение заменено на вибрацию, а по величине возникающего ускорения можно судить о скорости движения. В отличие от роторных гироскопов, в которых инерционная масса вращается по кругу, в вибрационных датчиках подвешенная масса двигается линейно, совершая гармонические колебания • На рис. 8. 11 В-Е влияние линейного и углового ускорения на резонатор. На рис. 8. 11 В показан вид резонатора сбоку при отсутствии ускорений, на рис. 8. 11 Г — влияние линейного ускорения вдоль оси z, на рис. 8. 11 Д — влияние углового ускорения относительно оси х, а на рис. 8. 1 IE — влияние углового ускорения относительно оси у

Принцип работы вибраторного гироскопа • Первый вибраторный гироскоп состоял из двухрамочной структуры, подвешенной на двух вращающихся изгибных элементах (рис. 8. 12). Структура имеет внутренние прорези, обеспечивающие свободное движение подвижных частей в активной области. Во время работы на внешнюю рамку ( «мотор» ) действует крутящий момент, возникающий из-за электростатических сил, появляющихся при подаче на электроды соответствующего управляющего напряжения, в результате чего она совершает колебательные движения с постоянной амплитудой. Эти колебания передаются на внутреннюю рамку через внутренний изгибной элемент, вследствие чего инерционная масса также начинает колебаться. Если гироскоп будет совершать движение с угловой скоростью вокруг оси, направленной перпендикулярно плоскости устройства, сила Кориолиса заставит внутреннюю рамку вибрировать относительно выходной оси с частотой, равной управляющей частоте, и амплитудой, пропорциональной входной скорости . Максимальная разрешающая способность достигается, когда управляющая частота, поданная на внешнюю рамку, совпадает с резонансной частотой внутренней рамки. О величине входной угловой скорости судят по изменению емкости между внутренней рамкой и парой электродов

Оптические гироскопы. Эффект Саньяка • Два лазерных луча света распространяются в противоположных направлениях внутри оптического кольца радиуса R, обладающего коэффициентом преломления n. Один луч перемещается по часовой стрелке (CW), а второй — против часовой стрелки (CCW). Лучу света, чтобы сделать один оборот вокруг кольца, требуется время t = 2 R/nc, где с — скорость света. Если кольцо вращается с угловой скоростью по часовой стрелке двум лучам, перемещающимся в противоположных направлениях, придется пройти разный путь. Для движущегося по часовой стрелке луча путь составит lcw = 2 R+ R t, а для второго луча lccw = 2 R - R t. Следовательно, разница между путями составит: • l = 2 R t = 4 R 2/nc. Необходимо точно измерять эту разность оптических путей.

Принцип работы кольцевого лазерного гироскопа • Принцип действия заключается в том, что необходимо, чтобы на оптической длине контура укладывалось целое число длин волн. - длина световой волны. Наблюдается интерференция в оптическом кольцевом резонаторе • Для компенсации изменения длины пути, вызванного вращением кольца, длина волны и частота излучения должны также меняться: • dl/l =d / • Если оптическая петля вращается со скоростью , то оптическая длина пути увеличивается для пучка, распространяющегося в направлении вращения, и уменьшается для пучка противоположного направления. Это приводит к возникновению разности частот между световыми пучками – возникают биения

Гироскоп выполнен из целого блока стекла с низким коэффициентом теплового расширения.

• Гироскоп состоит из трех зеркал с высокой отражательной способностью. Одно из зеркал полупропускающее. Часть света, распространяющегося по часовой стрелке и против часовой стрелки проходит через него и собирается с помощью угловой призмы на считывающем детекторе. На рис. 9. 7 приведена схема. Когда два пучка смешиваются они немного отклоняются. Получается линейная интерферограмма. Чем больше скорость вращения, тем быстрее вращается интерференционная картина. Используя детектор можно следить за движением этой интерференционной картины, причем каждая полоса подсчитывается когда она « прокатывается» через приемник. «Прокатывание интерференционной картины обусловлено разностью частот между распространяющимися в противоположных направлениях световыми пучками. Чем больше разность частот (зависит от скорости вращения), тем быстрее вращается интерференционная картина и направление вращения зависит от того у какого пучка больше частота. Каждый отсчет результата соответствует углу поворота, который может быть определен из уравнения

Два пучка смешиваются на считывающем детекторе, они немного отклоняются и дают линейную интерферограмму

Прохождение пары зеркал пучком света и кольцевого резонатора из 4 -х зеркал

• Один из пучков сдвинут по частоте на f 1 а второй на f 2. Оптическая длина пути обоих пучков регулируется пьезоэлектрическим зеркалом. На это зеркало подаются колебания с частотой fm. Когда резонатор вращается, его эффективная длина изменяется и разность между частотами, распространяющихся в противоположных направлениях пучками света, пропорциональна скорости вращения • Оптические гироскопы используются для измерения отклонений от заданного направления движения, угла наклона, в системах стабилизации углового положения и также в системах навигации. Основным достоинством таких датчиков является их способность работать в суровых условиях окружающей среды, где не могут работать механические гироскопы.

Гироскопы на оптоволоконном кольцевом резонаторе

• Когда частота входящего луча совпадает с резонансной частотой оптоволоконного кольца, большая часть света остается в нем, а интенсивность излучения, дошедшего до детектора, резко падает. Гироскоп, реализованный на основе оптоволоконной катушки (рис. 8. 14 Б), состоит из источника света и детектора, связанных оптоволоконными световодами. Между детектором и вторым разветвителем размещается поляризатор. Он необходим для обеспечения того, чтобы оба встречно направленных луча проходили одинаковый маршрут вдоль катушки. Оба луча смешиваются и направляются на детектор, который регистрирует периодические изменения интенсивности излучения, вызванные меняющимся сдвигом фаз между лучами, возникающим из-за вращения катушки. Оптические гироскопы сравнительно недороги, имеют небольшие размеры и позволяют реализовывать датчики вращения с динамическим диапазоном до 10000. Оптические гироскопы используются для измерения отклонений от заданного направления движения, угла наклона, в системах стабилизации углового положения и также в системах навигации.

В отсутствии вращения сигнал состоит из четных гармоник на частоте . При вращении нечетные гармоники попадают на детектор, используя этот сигнал можно определить скорость вращения

Чувствительность волоконно-оптического гироскопа зависит от длины волокна

Пьезоэлектрические кабели – при сжатии его внешней поверхности на внутреннем проводнике появляется электрический сигнал

Выходной сигнал пропорционален механическому напряжению, приложенному к кабелю. Способен чувствовать воздействие капель дождя и града

Датчики силы, механического напряжения, прикосновения • Датчики силы делятся на два класса: количественные и качественные. Количественные измеряют силу и представляют ее значение в электрических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качественные датчики — это пороговые устройства, чья функция заключается в детектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером таких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замыкает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой

Датчики силы являются составными устройствами, например комбинация преобразователя сила - перемещение и детектора положения

Тактильные датчики. Обеспечивает функции включения - выключения, состоит из двух листов фольги и прокладки. Внутри прокладки- отверстия. Один лист фольги заземлен, второй подключен к нагрузочному резистору. Для нескольких чувствительных зон используется мультиплексор.

Хорошие тактильные датчики получаются на основе пьезоэлектрических пленок, например, из поливинилиден фторида (PVDF), которые используются как в пассивном, так и в активном режимах.

Принцип работы пьезоэлектрического тактильного датчика • Датчик состоит из трех слоев пленок, соединенных вместе. Верхний и нижний слои изготовлены из PVDF пленок, а центральный слой обеспечивает акустическую связь между крайними слоями. Механические характеристики центральной пленки определяют чувствительность и рабочий диапазон датчика. На нижний пьезоэлектрический слой подается переменное напряжение от генератора. Эти колебания заставляют периодически сжиматься и пленку из PVDF, и промежуточный компрессионный слой, и верхнюю пленку из PVDF, играющую роль приемника. Поскольку пьезоэлектричество является обратимым явлением, с верхней пленки снимается переменное напряжение, которое усиливается и выпрямляется на синхронном демодуляторе, реагирующем как на амплитуду, так и на фазу поступающего сигнала. Когда к верхнему слою прикладывается внешняя сила F, механические характеристики трехслойной структуры изменяются, что отражается на фазе и амплитуде выходного сигнала.

Пассивный пьезоэлектрический тактильный датчик реагирует на частоту механических воздействий (для отслеживания неровностей поверхностей)

Пьезоэлектрический датчик контроля за дыханием

Принцип работы датчика контроля за дыханием • Детектируются малейшие движения тела, возникающие при вдохе и выдохе, что необходимо для обнаружения внезапной остановки дыхания. Датчик размещается под матрасом кроватки. Тело нормально дышащего ребенка из-за подъема и опускания диафрагмы при дыхании совершает небольшие колебательные движения, что вызывает смещение его центра тяжести. Именно это смещение и контролируется датчиком. Датчик состоит из трех слоев: PVDF пленка расположена между подложкой из силиконовой резины и прижимного слоя из пластика, например, такого как майлар. Сторона прижимного слоя, направленная к PVDF пленке, имеет гофрированную поверхность. Под действием переменной силы тяжести в PVDF слое возникает электрический заряд, поступающий на вход преобразователя ток-напряжение, с выхода которого снимается переменный выходной сигнал с амплитудой, пропорциональной в определенном диапазоне приложенной силе

Принцип действия эластомерных датчиков - либо изменение площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами (рис. 9. 8 А), либо изменение толщины эластомерного слоя. В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между прижимным устройством и эластомером, в результате изменяется электрическое сопротивление. При определенном давлении эта площадь становится максимально возможной, и передаточная функция входит в режим насыщения (рис. 9. 9 Б)

Пьезорезистивные на основе полупроводниковых полимеров и пороговый тактильный микропереключатель • На рис. 9. 9 показан датчик на основе полимера, сопротивление которого изменяется при воздействии силы • На рис. 9. 10 показан кремниевый тактильный микропереключатель, состоящего из герметичной полости, сформированной внутри кремниевой подложки, плотно закрытой тонкой мембраной. При отсутствии внешних сил за счет расширения газа, находящегося внутри полости, мембрана образует выпуклый купол. При нормальной температуре и приложенной силе, превышающей критическое значение, верхний электрод прогибается вниз, контактируя с нижним электродом

Датчик силы на основе вакуумного диода

Принцип работы датчика на основе вакуумного диода • Вакуумная микрокамера находится между холодным катодом и подвижным анодом в виде диафрагмы. Когда между анодом и кремниевым выступом на катоде появляются положительная разность потенциалов, формируется электрическое поле. Если напряженность поля превышает значение 5 x 107 В/см, электроны совершают туннельный переход с катода в вакуумную камеру. Количество испускаемых электронов (ток эмиссии) определяется величиной потенциала на аноде. Когда к аноду прикладывается внешняя сила, он опускается вниз, изменяя тем самым напряженность поля и ток эмиссии

Тактильное сенсорное устройство с высокой плотностью размещения датчиков на перфорированной пластине, подтверждающее захват объекта. Возможно определение положения объекта в захвате, обобщенное представление о форме этого объекта а - устройство тактильного датчика; б - размещение датчиков на перфорированной пластине

Тактильный датчик на электропроводящей резине • 1 - резина; 2 - металл; 3 - электропроводящая резина; 4 - металлическая фольга; 5 - выводы; 6 – подложка При зажиме объекта губками захвата с датчиком такой конструкции, металлические выступы с внутренней стороны поверхностного слоя резины вдавливаются в слой электропроводящей резины, резко меняя ее электрическое сопротивление. Это приводит к формированию сигнала наличия контакта от участка поверхности губок, контактирующего с объектом манипулирования

Конструкция быстродействующего тактильного сенсорного устройства с высокой плотностью размещения датчиков на пружинах из электропроводного материала. Состояние датчика « 1» или « 0» определяется электрической емкостью между контактным штырем и нижней подложкой • Выступ в форме штыря может перемещаться в цилиндрическом канале поверхностного слоя губки захвата; он слабо подпружинен к поверхности губки захвата спиралью из 1 — штырь, 2 — линолеум 3 - электропроводящего материала. В отсутствии объекта манипулирования подложка незначительная часть штыря выступает над поверхностью губки. При контакте с объектом выступающая часть штыря утапливается в цилиндрический канал и сжимает пружину (ее упругость определяет усилие срабатывания датчика). Сигнал о наличии контакта передается по цепи поверхностная подложка — штырь — спираль — внутренняя подложка. Пока объект не давит на поверхность губки, уровень электрического потенциала между подложками имеет значение, соответствующее состоянию « 1» . При вдавливании штыря объектом контакт между поверхностной подложкой и штырем нарушается и значение напряжения между подложками меняется, что соответствует переходу датчика в состояние « 0»