Основные типы современных гироскопов

1. Лазерный гироскоп — оптический прибор для измерения угловой скорости, обычно применяется в системах инерциальной навигации. Лазерные гироскопы используют эффект Саньяка — появление фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре.

Лазерный гироскоп обычно представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам полости в форме треугольника или квадрата. Два лазерных луча, генерируемые и усиливающиеся в полостях гироскопа, непрерывно циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало и попадает на фотодетектор. Длина волны λ, генерируемая лазером, определяется условием, согласно к-рому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой. Если прибор неподвижен, это условие будет выполнено, когда периметр контура (n — целое число). В этом случае лазер генерирует две встречные волны, частоты к-рых одинаковы и равны:

Если же весь прибор вращается с угл. скоростью ω вокруг направления, составляющего угол q с перпендикуляром к его плоскости, то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на нек-рый угол (рис. 2). В зависимости от направления распространения волны, путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р

Рис. 2. Схематич. изображение лазерного гироскопа.

В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Эти частоты и не зависят от формы контура и связаны соотношением:

Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор зарегистрирует биения с разностной частотой:

г де , a . Напр., для квадратного лазерного гироскопа со стороной 25 см см, откуда . При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью град/ч, на широте должно приводить к частоте биений . Если ось л. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угл. скорость ω известной, можно с точностью до долей градуса определить широту места, на к-рой расположен л. г.

2. Квантовый гироскоп - собирательный термин для приборов квантовой электроники, служащих для обнаружения и определения величины и знака угловой скорости вращения или угла поворота относительно инерциальной системы отсчёта. В основу действия К. г. положены гироскопические свойства частиц или волн. Полезный сигнал, пропорциональный скорости вращения, возникает или за счёт прецессии механич. и магнитных моментов микрочастиц, или за счёт возникновения разности фаз или частот между встречными волнами во вращающемся контуре.

Ядерные гироскопы. В ядерных гироскопах используются в-ва с ядерным парамагнетизмом (вода, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких в-в в осн. состоянии обладают магн. моментами, обусловленными спинами ядер. Если ориентировать магн. моменты ядер, напр. при помощи поля Н, а затем поле выключить, то при отсутствии др. магн. полей (напр., земного) возникший суммарный магн. момент М ядра будет нек-рое время сохранять своё направление в пр-ве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статич. К. г. позволяет определить изменение положения тела, жёстко связанного с датчиком. Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для я. г. выбирают в-ва с большими временами релаксации, напр. нек-рые органич. жидкости, для к-рых время релаксации составляет неск. мин, жидкий 3Не (ок. 1 ч) в 4Не (ок. 1 года). В я. г., работающем по методу яд. индукции, вращение с угл. скоростью W датчика, содержащего ориентиров. ядра, эквивалентно действию на ядра магн. поля с напряжённостью Н=W/gя где gя—гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магн. моментов ядер вокруг поля Н приводит к появлению перем. эдс в катушке, охватывающей в-во я. г. Измерение частоты вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрич. сигнала, к-рая пропорц. W, В динамич. яд. гироскопе суммарный яд. магн. момент М датчика прецессирует вокруг пост. магн. поля H, связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н0 с угл. скоростью W приводит к изменению частоты прецессии М, приблизительно равному проекции вектора W на Н. Это изменение регистрируется в виде электрич. сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность поля Н. Напр., для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы DH/H?10-9. Для экранировки прибора от действия внеш. магн. полей применяются сверхпроводники. Напр., если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3•10-9Э.

Электронные К. г. аналогичны ядерным, в них используются парамагнетики (напр., устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные К. г. перспективны, т. к. гиромагнитное отношение для эл-нов gэл в сотни раз больше gя, и, следовательно, частота прецессии выше. По точности и чувствительности К. г. пока уступают лучшим образцам механич. гироскопов. Однако К. г. обладают рядом преимуществ: безынерционностью, стабильностью, возможностью работать при низких темп-рах.

Если Я. г. вращается вокруг направления поля Н0 с угл. скоростью ±W, то частота прецессии w_L определяется выражением Измеряя _L и зная j, можно определить ω.

3.

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.