Пьезоэлектрические акселерометры.

Чувствительным элементом пьезорезистивных акселерометров является тензодатчик, измеря­ющий деформацию пьезорезистивных элементов, поддерживающих инерционную массу, путем измерения их сопротивлений, зависящих от степени деформации. Эта деформа­ция пропорциональна величине и скорости перемещения массы, а значит и уско­рению. Такие устройства могут измерять ускорения в широком частотном диапазо­не: 0...13 кГц. При разработке соответствующей конструкции пьезорезистивные акселерометры выдерживают перегрузку, равную 10000g. Естественно, что интер­вал измерений таких датчиков гораздо уже: ±l000g с погрешностью менее 1%. Па­раметр перегрузки является критическим для многих применений.

В основе пьезоэлектрических акселерометров лежит пьезоэлектрический эффект, заключающийся в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру с электрическими диполями. Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователей заряд-напряжение или ток-напряжение. Эти датчики работают в широком температурном диапазоне (до 120 ^оС) с высокой линейностью в частотном диапазоне 2 Гц ÷5 кГц.

Гироскопы

Гироскоп является самым популярным навигационным датчиком (пожалуй, он уступает первенство только компасу). Во многих ситуациях, когда геомагнитное поле либо отсутствует (как в космосе), либо по каким-либо причинам сильно на­рушено, 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 фундаментальном законе сохранения угловых мо­ментов: «В произвольной замкнутой системе (в которой отсутствуют внешние силы) сумма угловых моментов всех ее частей относительно любой неподвижной точки пространства всегда остается постоянной».

Роторный гироскоп. Механический гироскоп (рис. 8) состоит из массивного диска (ротора), свободно поворачиваю­щегося вокруг основной оси вращения, 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. При соответствующем изготовлении крутящий момент гироскопа (его вы­ходной сигнал) пропорционален его угловой скорости движения вокруг оси, перпендикулярной основной оси вращения.

При свободном вращении диска он всегда стремится сохранить свое осевое положение. Если платформа гироскопа вращается вокруг входной оси, у ги­роскопа появляется крутящий момент относительно перпендикулярной (выходной) оси, заставляющий основную ось вращения поворачиваться вокруг выходной оси. Это явление называется прецессией гироскопа. Его можно объяснить при помощи закона Ньютона для вращательного движения: производная во времени от углового момента количества движения относительно любой заданной оси равна сумме момен­тов всех сил механической системы, приложенных к данной оси. Это означает, что когда к входной оси приложен момент Т и скорость ω диска поддерживается постоянной, угловой момент ротора может быть изменен только путем поворота проекции оси вращения относительно входной оси. В этом случае скорость движения оси враще­ния относительно выходной оси будет пропорциональна приложенному моменту:

где: Ω - 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.

Точность механических гироскопов сильно зависит от воздействия внешних не­желательных сил, вызывающих дополнительные моменты вращения, что приводит к дрейфу характеристик. Источника­ми возникновения этих сил являют­ся: трение, несбалансированность ротора, магнитные поля и т.д. Для уменьшения сил трения стремятся избавиться от подвесной системы крепления, для чего ротор и управ­ляющий двигатель иногда помещают в вязкую жидкость, обладающую вы­сокой плотностью, например, во фторуглеводород. В этом методе тре­буется строго контролировать темпе­ратуру жидкости. К тому же такое ус­тройство становится повышенно подверженным старению. Другой способ уменьшения трения - ис­пользование, так называемой, газовой опоры, это когда ось ротора удерживается газом под высоким давлением. В качестве газа может использоваться гелий, водо­род или просто воздух. Еще более интересным решением является поддержка рото­ра в вакууме при помощи электрического поля (речь идет об электростатических гироскопах). Существуют также магнитные гироскопы, в которых ротор удержива­ется магнитным полем. При изготовлении такие устройства охлаждаются криоген­ным способом до температур, при которых ротор становится сверхпроводящим. После чего при помощи внешнего магнитного поля внутри ротора формируется достаточно сильное противодействующее поле, позволяющее ротору свободно вра­щаться в вакууме. Такие магнитные гироскопы часто называются криогенными.

Гироскопы вибрацион­нoгo типа. Хотя гироскопы с вращающимся ротором в течение многих лет были практически единственными устройствами, применяемыми при построении навигационных уст­ройств, их размеры, срок службы и стоимость в настоящее время являются сильно ограничивающим факто­ром. Поэтому и возникла потребность в разработке альтернативных устройств для опре­деления направления и скорости движения объектов. Более перспективный метод построения гирос­копов основан на применении микротехнологии, позволяющей реализовать ми­ниатюрные устройства, в которых вращающийся диск меняется на вибрирующий элемент. Такой подход дает возможность использовать технологии, применяемые в электронной промышленности для налаживания серийного выпуска монолитных датчиков ускорений. В дополнение к этому гироскопы вибрационного типа имеют более прочную конструкцию и могут работать в довольно суровых окружающих ус­ловиях, поэтому они нашли широ­кое применение в военных и аэро­космических приборах.

Все гироскопы вибрацион­нoгo типа основаны на явлении ускорения Кориолиса. Кориолис показал, что при применении законов Ньютона к телам, перемещаю­щимся внутри вращающейся рамки, в уравнениях движения необходимо учитывать силу инерции, направленную вправо от направления движения тела, при вращении рамки против ча­совой стрелки, и влево - при вра­щении по часовой стрелке. В микрогироскопах вращение меняется на вибрацию (рис. 9), 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.

Оптические гироскопы реализуются на основе эффекта Саньяка. Суть этого эффекта можно пояснить следующим образом (рис. 10). Два лазерных луча противоположного направления внутри вращающегося со скоростью Ω оптического кольца радиусом R проходят разные пути, что бы сделать один оборот вокруг кольца. Разница между путями ∆l составляет:

где: n – коэффициент преломления оптической среды, с – скорость света.

В оптических гироскопах для точного измерения скорости Ω путем корректного определения ∆l используют три типа устройств: оптические резонаторы, интерферометры без обратной связи и интерферометры с обратной связью. 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. Основным достоинством таких датчиков является их способность работать в суровых условиях окружающей среды, где не могут работать механичес­кие гироскопы.