Гироскопы

Министерство образования и науки Хабаровского края Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Губернаторский авиастроительный колледж г. Комсомольска-на-Амуре (Межрегиональный центр компетенций »

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

ГИРОСКОПЫ

 

 

 

 

 

 

 

                Студент Маразан Юлия Юрьевна

                Специальность 24.02.01 Производство летательных аппаратов

  Курс обучения – 2                                                                                                                                                                                       Руководитель Павел Валерьевич                                                           преподаватель     общепрофессиональных и спецдисциплин

 

 

 

 

Комсомольск-на-Амуре, 2017г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Актуальность работы …………………………………………….3 Глава I. Теоретическая часть……………………………………..3 1.1.История возникновения гироскопа…………………….……3 1.2.Класификация …………………………………………………4 1.3.Раздновидности гироскопа…...………………………………6 Глава II. Применения гироскопов………………………………..8           2.1Стабилизация положения в пространстве….………………..10 2.2.Перспективы развития гироскопической навигации..……..11 2.3 .Использование в бытовой технике …………………………12           2.4. Игрушки на основе гироскопа………………………………13           2.5. Гироскоп на морском судне………………………………...13          2.6.Гироскоп в самолетостроении………………………………14           Список использованных источников…………………………..18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность работы

     Актуальность  данной  работы заключается в том что, гироскопы широко применяются в жизни человека. Так же мало кто знает что гироскопы широко используются  самолётостроение. Мы будущие самолётостроители и нам предстоит участвовать в производстве и создании самолетов различных типов, а гироскоп является главным элементом управления и контроля параметров полета самолета.

 

 

1.Теоретическая часть

      Гироскоп (от др.-греч. γῦρος — круг + σκοπέω — смотрю) — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).

     Термин впервые введен  Ж.Фуко  в своём докладе в 1852 году во Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».

Рисунок 1- Гироскоп

 

 

 

1.1 История возникновения гироскопа

      Первый гироскоп изобрёл Иоанн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Главной частью гироскопа  Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском в учебных целях. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае -Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа.

     Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.

    Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

 

Рисунок 2-Гироскоп

 

 

2. Классификация.

Классификация: 
Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

— двухстепенные, 
— трехстепенные. 

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

— механические гироскопы, 
— оптические гироскопы.

Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих ЯМР для отслеживания изменения спина атомных ядер.

 

        Механические гироскопы -быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

Рисунок 3-Механичекий гироскоп

 

 

   Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие поворачивающие или сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания пропорционально угловой скорости (ДУС — датчики угловой скорости) или углу поворота основания (интегрирующие гироскопы). Этот тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторными гироскопами. В англо-язычной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрационные гироскопы».

 

Рисунок 4 –Вибрациооный гироскоп

 

1.3 Разновидности гироскопа 

Разновидности:

-Пьезоэлектрические гироскопы. 
-Твёрдотельные волновые гироскопы.                                                                      -Вибрационные роторные гироскопы (в том числе динамически настраиваемые гироскопы). 
- МЭМС-гироскопы (МЭМС — микроэлектромеханические системы).

 

  1. Пьезоэлектрические гироскопы.

 Твёрдотельные волновые гироскопы. Работа одной из разновидностей ТВГ разработанные с 80-х гг. компаниями GE Marconi, GE Ferranti (ВБ), Watson Industires Inc. (США), Inertial Engineering Inc. (США) Innalabs, и другими основаны на управлении двумя стоячими волнами в физическом теле — резонаторе, который может быть как осесимметричным, так и циклически-симметричным. При этом, осесимметричная форма резонатора позволяет достичь характеристик гироскопа, а именно: значительно увеличить срок жизни гироскопа и его удароустойчивость, что критично для многих систем стабилизации. Резонаторы подобных КВГ вибрируют по второй форме колебаний (как и в HRG). Таким образом, стоячие волны — это колебания эллиптической формы с четырьмя пучностями и четырьмя узлами, расположенными по окружности края резонатора. Угол между смежными узлами / пучностями составляет 45 градусов. Эллиптическая форма колебаний возбуждается до определенной амплитуды. Когда гироскоп поворачивается вокруг оси чувствительности, результирующие Кориолисовы силы, воздействующие на элементы вибрирующей массы резонатора, возбуждают парную форму колебаний. Угол между главными осями двух режимов составляет 45 градусов. Замкнутый контур управления (компенсационная обратная связь — КОС) гасит парную форму колебания к нулю. Амплитуда силы (то есть сигнал пропорциональные току или электрическому напряжению в цепи КОС), необходимая для этого, пропорциональна угловой скорости вращения датчика. Соответствующая система замкнутого контура управления называется компенсационной аналогично КОС маятниковых акселерометров и классических роторных ДУС. Для генерирования компенсационной силы и считывания вызванных движений используются пьезоэлектрические элементы, закреплённые на резонаторе. Подобная электромеханическая система в высокой степени эффективна и обеспечивает низкий уровень шума выходного сигнала и широкий диапазон измерения, необходимые для многих «тактических» применений (хотя и снижает чувствительность датчика пропорционально расширению его диапазона измерений). Отметим, что упомянутые гироскопы используют современные сплавы инварного типа с паянными пьезоэлектрическими элементами ввода-вывода или пьезокерамические резонаторы с вжиганием электродов. В любом случае, их добротность теоретически ограничена величинами порядка 100 тыс. (на практике, обычно, не выше 20 тыс.), что на несколько порядков ниже много-миллионной добротности резонаторов КВГ из кварцевого стекла или монокристаллов, используемых для «стратегических» применений.

 

Рисунок 5-пьезоэлектрические гироскопы

 

2.Твёрдотельные волновые гироскопы.

 

     Твердотельный волновой гироскоп является инструментом, используемым для измерения угла поворота и угловой скорости вращения объектов. В основе его функционирования лежат инертные свойства упругих волн в твердом теле.

    Принцип действия заявленного гироскопа основан на эффекте стоячей волны, т.е. на эффекте независимости упругих волн колебаний резонаторов от среды колебаний. Эффект инерции упругих волн колебаний в системе резонаторов, при медленно меняющейся входной угловой скорости, являются главенствующим, в отличие от эффекта сил Кориолиса, когда есть два движения: линейные скорости пучностей стоячих волн и воздействие входной угловой скорости. Для каждой нормальной формы колебаний можно указать узловые точки с нулевой функцией нормального прогиба резонатора, а также пучностей, где функция нормального прогиба достигает максимального значения.

   Источником инерциальной информации является стоячая волна упругих колебаний. При этом измерения производятся в режиме свободных колебаний резонатора. Вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот волны на меньший, но известный угол, то есть упругая волна, как целое, прецессирует. Таким образом, твердотельные волновые гироскопы могут использоваться в качестве датчиков угла поворота объекта. Коэффициент пропорциональности скорости прецессии стоячей волны к проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора - «масштабный коэффициент» - наряду с собственной частотой колебаний резонатора входит в число наиболее важных для изготовителя параметров системы [7, с.8-9].

   В общем случае конструкция ТВГ включает в себя чувствительный элемент (далее резонатор), систему возбуждения колебаний (далее - датчик раскачки), систему съема информации (далее - датчик угла), электронный узел обработки сигнала (далее - электроника), а также корпусные, опорные и вспомогательные детали [патенты на изобретения RU 2182312, RU 2185601].

    Датчик раскачки может работать на электростатическом, электромагнитном и пьезоэлектрическом принципах. Выбор принципа возбуждения колебаний определяется, как правило, исходя из предполагаемых условий эксплуатации прибора.

 

Рисунок 6- Твердотельный волновой гироскоп

 

4. МЭМС-гироскопы (МЭМС — микроэлектромеханические системы). 

   МЭМС-гироскопы  устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.Механическим компонентом может быть миниатюрное зеркальце — элемент системы сканирования (например, для технологии DLP), либо примитивный инерциальный датчик, способный определить характерные движения, которые пользователь проделывает со своим устройством.МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМС-микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра.

 

Рисунок 7 - МЭМС-гироскопы

 

 

2 Применения гироскопа.

2.1 Стабилизация положения в пространстве.

     Свойства гироскопа широко применяются в вертолётах, для стабилизации их равновесия. Обычно вертолёт содержит внутри себя (два-три) гироскопа для стабилизации вертикали и горизонтали. То есть с помощью гироскопа в вертолёте заглушаются различные вибрации и колебания вызванные его мощными двигателями и винтами.

    Так же свойства гироскопа применяются для стабилизации горизонтали в быстроходных пограничных катерах. Когда катер развивает большую скорость и если на поверхности воды большие волны, включают мощный гироскоп, ось вращения которого совпадает с направлением движения катера и удары волн о днище катера насколько заглушаются гироскопом и не вызывают сильных подпрыгиваний катера.

 Так же гироскопический эффект  широко применяется при исследовании  пробуренных в земле скважин. Ось гироскопа совмещается с  датчиком, сигналы от которого  обрабатываются на поверхности  земли.

 

Рисунок 8-  прибор для стабилизация положения в пространстве

 

2.3 Перспективы развития гироскопической навигации

     Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей иливидеокамер. В настоящее время разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приёмников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте В самолётах СНС оказывается точнее ИНС на длинных участках. Но использование двух СНС-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью СНС также не является достаточно точным. Поэтому, в современных навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических систем, называемая интегрированной (комплексированной) ИНС/СНС системой. самолёта вокруг вертикальной оси.