Реферат: Гіроскопи в науці і техніці

При конструюванні і виготовленні приладу вживаються заходи до того, щоб зменшити зазначені шкідливі моменти, а відставати від напрямку меридіана, або випереджати його. Це явище називають «відходом», або «дрейфом», гіроскопа.

Як вказувалося вище, гіроскопічні компаси застосовують головним чином на морських кораблях і підводних човнах. Їх призначення - вказувати напрям географічного меридіана. Однак область застосування гірокомпасів не обмежується морськими об'єктами. Існують гірокомпас для сухопутних рухомих установок, а також гірокомпас, що працюють на нерухомій відносно Землі підставі. Такі, наприклад, маркшейдерський гірокомпас, що вживається при проходці тунелів, або гіротеодоліт, що дозволяє з великою точністю визначити напрям меридіана на суші (набагато точніше, ніж це можна зробити за допомогою магнітного компаса). Нарешті, гіроорбітант, застосовуваний на супутниках Землі для визначення положення площини орбіти супутника, також є свого роду гіроскопічним компасом.

2 Гіростабілізатори

На рухомих об'єктах у ряді випадків потрібно мати незмінне або, як прийнято говорити, стабілізоване в просторі положення окремих блоків, приладів і пристроїв, яке має зберігатися за будь-яких поворотах об'єкта. Наприклад, в системах управління літаком, ракетою або кораблем штучно отримують стабілізовану платформу, щодо якої контролюють кутове положення рухомого об'єкту. Стабілізують оптичні осі телескопів, спрямованих на будь-яке світило, оптичні осі фотоапаратів, бомбові та артилерійські приціли, знаряддя та ін.

Найбільш точна і надійна стабілізація може бути здійснена за допомогою гіроскопічних пристроїв, що одержали назву гіростабілізаторів. Описанний стабілізатор називають одноосьовим, так як він запобігає обертанню платформи навколо однієї лише осі; в нашому випадку - це вісь паралельна поперечної осі корабля; при гойданні корабля навколо поздовжньої осі (бортова хитавиця) платформа змушена буде гойдатися разом з ним. Існують і частіше застосовуються більш складні стабілізатори - двовісні і тривісні. Як показує їх назву, двовісний стабілізатор запобігає обертання стабілізіруємого об'єкта навколо будь-якої з двох взаємно перпендикулярних осей, а тривісний повністю ізолює, що стабілізується об'єкт від будь-яких обертальних рухів, що здійснюються кораблем чи літаком.

У ряді випадків більш доцільно буває здійснити не непряму, а силову гіроскопічну стабілізацію. Найпростішим силовим гіростабілізатором є одноосьовий стабілізатор .

Таким чином гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гірокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гіроскопа встановиться в напрямку полуденної лінії або гірокомпас маркшейдерський — вибухобезпечний гіроскопічний прилад, призначений для визначення дирекційних кутів сторін при орієнтуванні підземної маркшейдерської зйомки, розвитку, поповненні та реконструкції підземних маркшейдерських опорних мереж, а також при маркшейдерсько-геодезичних роботах на поверхні. Складається він з гіроблока, вимірювального блока та блока живлення. Період коливання Г.м. — проміжок часу, за який вісь гірокомпаса виконує одне повне коливання від однієї крайньої точки (точки реверсії) до другої крайньої точки і повертається в початкове положення[9., 112].

Гірокомпас маятниковий — гіроскопічний пристрій для визначення напрямку географічного меридіана. В основі принципу дії Г.м. лежать кутова швидкість обертання Землі і властивості гіроскопа. Центр ваги вільного гіроскопа зміщено відносно точки підвісу. Головна вісь Г.м. робить гармонійні коливання, положення рівноваги яких збігається з напрямком географічного меридіана точки установки приладу[10., ст. 321].

Гірокомпас наземний — гіроскопічний прилад, що складається з гіроблока (гірокомпаса маятникового), теодоліта з автоколімаційною трубою, жорстко зв'язаною з алідадою, перетворювача й акумуляторної батареї. Г.н. призначається для орієнтування у всіх випадках, коли положення приладу - весь період орієнтування на даній точці залишається незмінним. До наземних гірокомпасів належать власне гірокомпаси і гіротеодоліти як прийнято говорити, гірокомпас прийде в меридіан.

В гіроскопі з електростатичним підвісом ротор є порожнистою сферою, зовнішня поверхня якої має високу провідність. Ротор поміщається між електродами, до яких підводиться висока напруга, регульована спеціальною стежачою системою. Під дією електростатичних сил ротор центрується в просторі між електрода

При установці на кораблі Г. з маятникової корекцією визначають кути бортової і кільової хитавиці, а на літальному апараті - кути крену і тангажа. Застосовуються в системах автоматичної стабілізації різних рухомих об'єктів, в заспокоювача хитавиці корабля, для стабілізації літального апарату та інших, а також для визначення викривлення бурових свердловин, шахт і т.д.

3 Гіроскопи в науці

В даний час деякі моделі мобільних телефонів та ігрових контролерів обладнуються датчиками прискорення, так званими акселерометра. Такі датчики дозволяють управляти цими пристроями, здійснюючи ними нескладні рухи в просторі. Тепер, завдяки новій розробці компанії STMicroelectronics управління за допомогою руху стане ще функціональнішим. Ця нова розробка є твердотілий гіроскоп, який здатний визначити точне положення пристрою в просторі.

Цей гіроскоп здатний визначити положення по ортогональних осях координат X, Y і Z. Кут визначення по кожній з осей становить 360 °, а точність визначення є достатньою для використання цих датчиків в призначених для користувача інтерфейсах, заснованих на розпізнаванні природних рухів і жестів людини.

Завдяки своїм малим габаритам і низькому енергоспоживанню цей датчик ідеально підходить для застосування в мобільних телефонах, ігрових контролерах, навігаторах і інших портативних електронних пристроях. Нам залишається тільки дочекатися появи на ринку пристроїв з цим датчиком і програмного забезпечення, включаючи ігри, яке буде використовувати всі нові можливості тривимірного визначення положення в просторі.

Волоконний оптичний гіроскоп (ВОГ) - оптико-електронний прилад, створення якого стало можливим лише з розвитком і вдосконаленням елементної бази квантової електроніки. Прилад вимірює кутову швидкість і кути повороту об'єкта, на якому він встановлений. Принцип дії ВОГ заснований на вихровому (обертальному) ефекті Саньяка.

Інтерес зарубіжних і вітчизняних фірм до оптичного гіроскопа базується на його потенційній можливості застосування як чутливого елемента обертання в інерційних системах навігації, керування і стабілізації. Цей прилад у ряді випадків може повністю замінити складні і дорогі електромеханічні (роторні) гіроскопи і тривісні гіростабілізовані платформи. За даними зарубіжній пресі у майбутньому в США близько 50% всіх гіроскопів, що використовуються в системах навігації .

Управління та стабілізації об'єктів різного призначення, передбачається замінити волоконними оптичними гіроскопами.

Можливість створення реального високочутливого ВОГ з'явилася лише з промисловою розробкою одномодового діелектричного світловоду з малим загасанням. Саме конструювання ВОГ на таких світловодах визначає унікальні властивості приладу. До цих властивостей відносять:

1.Потенційно високу чутливість (точність) приладу, яка вже зараз на експериментальних макетах 0,1 град / рік і менше.

2.Малі габарити і масу конструкції, завдяки можливості створення ВОГ

повністю на інтегральних оптичних схемах.

3.Невисоку вартість виробництва та конструювання при масовому виготовленні і відносну простоту технології.

4.Нікчемне споживання енергії, що має важливе значення при використанні ВОГ світлороздільниками, поляризаторів, фазових і частотних модуляторів, просторових фільтрів, інтегральних оптичних схем які знаходиться на початковій стадії розвитку. Кількість розроблених спеціально для ВОГ випромінювачів і фотодетекторів обмежена.

Другу групу труднощі пов'язують з тим, що при удаваній простоті приладу і високій чутливості його до кутової швидкості обертання, він в той же час надзвичайно чутливий до дуже малим зовнішнім і внутрішнім збурень і нестабільності, що призводить до паразитного дрейфу, тобто до погіршення точності приладу. До згаданих збурень відносяться температурні градієнти, акустичні шуми і вібрації, флуктуації електричних і магнітних полів, оптичні нелінійні ефекти флуктуації інтенсивності і поляризації випромінювання, дробові шуми в фотодетектор, теплові шуми в електронних ланцюгах і ін.

Фірмами та розробниками ВОГ обидва ці завдання вирішуються і удосконалюється .

У Технології виробництва елементів у ВОГ, теоретично й експериментально досліджуються фізична природа збурень і нестабільності, створюються та випробовуються різні схемні варіанти ВОГ з компенсацією цих збурень, розробляються фундаментальні питання використання інтегральної оптики. Точність ВОГ вже зараз близька до необхідної в інерційних системах управління.

У спеціальній науковій та періодичній літературі проблемі ВОГ вже опубліковано безліч наукових статей. Аналіз цих статей свідчить про необхідність подальшого вивчення цієї проблеми та розробки нових способів поліпшення якісних характеристик ВОГ[10., ст. 323].

4 Використання гіроскопів в техніці

Використання гіроскопа в смартфонахі та ігрових приставках.

Значне здешевлення виробництва МЕМС-гіроскопів призвело до того, що вони починають використовуватися в смартфонах і ігрових приставках.

Поява МЕМС-гіроскопа в новому смартфоні Apple iPhone 4 відкриває нову революцію в 3D-іграх і в формуванні доповненої реальності . Вже сьогодні різні виробники смартфонів і ігрових приставкок обирають використовувати МЕМС-гіроскопи у свої продукти. Незабаром з'являться додатки на смартфонах і ігрових приставках, які зроблять комп'ютерний екран вікном в іншій - віртуальний світ. Наприклад в 3D-грі, користувач переміщаючи смартфон або мобільну ігрову консоль, побачить інші сторони ігровий - віртуальної реальності. Піднімаючи смартфон вгору - користувач побачить віртуальне небо, а опускаючи вниз - побачить віртуальну землю. Обертаючи по сторонах світу - може озирнутися навколо - всередині віртуального світу. Гіроскоп дає програмі дані про те, як орієнтований смартфон щодо реального світу, а програма пов'язує ці дані з віртуальним світом. Таким же чином, але вже не в грі, можна використовувати гіроскоп для формування доповненої реальності.

Страницы: 1, 2, 3, 4