Giroscopio vibrante

Los giroscopios de estructura vibrante sondispositivos giroscópicos que mantienen la dirección de sus oscilaciones cuando se gira la base . Este tipo de giroscopio es mucho más simple y económico con una precisión comparable a la de los giroscopios rotatorios. La literatura inglesa también utiliza el término "giroscopios vibratorios de Coriolis" ( English Coriolis vibratory gyroscope , CVG ) [1] [2] , que tiene en cuenta el principio de funcionamiento basado en el efecto de la fuerza de Coriolis , como en los giroscopios rotatorios.

Cómo funciona

Deje que dos pesos suspendidos vibren en un plano en un giroscopio MEMS con una frecuencia . Luego, cuando se gira el giroscopio, se produce una aceleración de Coriolis igual a $\omega_r$

${\vec {a}}_{c}=-2(({\vec {v}}\times {\vec {\Omega }}})$ ,

donde es la velocidad y es la frecuencia angular de rotación del giroscopio. $\vec{v}$ ${\vec {\Omega ))$

La velocidad horizontal del peso oscilante se obtiene como , y la posición del peso en el plano es . $X_{ip}\omega_{r}\cos(\omega_{r}t)$ $X_{ip}\sin(\omega _{r}t)$

Como resultado, el movimiento fuera del plano causado por la rotación del giroscopio se describe mediante la expresión: $y_{op}$

y_{{op}}={\frac {F_{c}}{k_{{op}}}}={\frac {2m\Omega X_{{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _ {r}t)}{k_{{op}}}}

, dónde

metro

es la masa del peso oscilante,

k_{op}

es la constante elástica en la dirección perpendicular al plano,

\Omega

- la cantidad de rotación en el plano perpendicular al movimiento del peso oscilante.

En el caso general, el desarrollo de influencias perturbadoras se realiza en proporción a la velocidad angular o al ángulo de rotación de la base (giroscopios integradores).

Variedades

Giroscopios piezoeléctricos .
Giroscopios de onda de estado sólido (SHG) [3] [4] [5] . El trabajo de una de las variedades de aerogeneradores desarrollados desde los años 80. por GE Marconi, GE Ferranti (WB), Watson Industires Inc. (EE. UU.), Inertial Engineering Inc. (EE. UU.) Innalabs y otros se basan en el control de dos ondas estacionarias en un cuerpo físico: un resonador, que puede ser tanto axisimétrico como cíclicamente simétrico. Al mismo tiempo, la forma axisimétrica del resonador permite lograr las características de un giroscopio, a saber: aumentar significativamente la vida útil del giroscopio y su resistencia a los golpes, que es fundamental para muchos sistemas de estabilización. Los resonadores como CVG vibran en el segundo modo (como en HRG). Así, las ondas estacionarias son oscilaciones de forma elíptica con cuatro antinodos y cuatro nodos ubicados a lo largo de la circunferencia del borde del resonador. El ángulo entre nodos/antinodos adyacentes es de 45 grados. La forma elíptica de las vibraciones se excita hasta una cierta amplitud. Cuando el giroscopio gira alrededor del eje de sensibilidad, las fuerzas de Coriolis resultantes que actúan sobre los elementos de la masa vibrante del resonador excitan un modo de oscilación emparejado. El ángulo entre los ejes mayores de los dos modos es de 45 grados. Un lazo de control cerrado (retroalimentación de compensación - CBS) amortigua la forma de oscilación emparejada a cero. La amplitud de la fuerza (es decir, una señal proporcional a la corriente o voltaje eléctrico en el circuito CBS) requerida para esto es proporcional a la velocidad angular de rotación del sensor. El sistema correspondiente de un lazo de control cerrado se denomina sistema de compensación, similar al KOS de los acelerómetros de péndulo y los ACS rotatorios clásicos (sensores de velocidad angular). Los elementos piezoeléctricos montados en el resonador se utilizan para generar la fuerza compensatoria y leer los movimientos evocados. Este sistema electromecánico es altamente eficiente y proporciona el bajo ruido de salida y el amplio rango de medición necesarios para muchas aplicaciones "tácticas" (aunque reduce la sensibilidad del sensor en proporción al aumento de su rango de medición). Los giroscopios mencionados utilizan modernas aleaciones de tipo Invar con elementos de entrada-salida piezoeléctricos soldados o resonadores piezocerámicos con disparo de electrodos. En cualquier caso, su factor de calidad está teóricamente limitado a valores del orden de los 100 mil (en la práctica, no suelen superar los 20 mil), que es varios órdenes de magnitud inferior al factor de calidad multimillonario de los resonadores CVG fabricados. de vidrio de cuarzo o monocristales utilizados para aplicaciones "estratégicas".
Giroscopios de diapasón .
Giroscopios rotatorios vibrantes (incluidos los giroscopios sintonizados dinámicamente) [6] .
Giroscopios MEMS [6] .

Aplicación

Los giroscopios de vibración micromecánicos se utilizan en el sistema de medición de inclinación del scooter eléctrico Segway . El sistema consta de cinco giroscopios de vibración, cuyos datos son procesados por dos microprocesadores.

Tipos similares de microgiroscopios se utilizan en dispositivos móviles , en particular, en multicópteros, cámaras y videocámaras (para controlar la estabilización de imagen), teléfonos inteligentes, etc. [7] .

Los CVG se han generalizado en los sistemas de navegación inercial, así como en la estabilización de plataformas y las torretas controladas a distancia de vehículos blindados [2] .

Véase también

Notas

↑ IEEE Std 1431–2004 Giroscopios vibratorios de Coriolis.
↑ 1 2 Slyusar VI Electrónica en armas extranjeras y equipo militar. Archivado el 11 de enero de 2021 en Wayback Machine . - 2020. - Nº 3. - Pág. 95 - 96.
↑ Klímov, Zhuravlev, Zhbanov, 2017 .
↑ Desarrollo de Lynch DD HRG en Delco, Litton y Northrop Grumman // Actas del taller de aniversario sobre giroscopia de estado sólido (19-21 de mayo de 2008. Yalta, Ucrania). — Kyiv-Járkov. ATS de Ucrania. 2009. - ISBN 978-966-02-5248-6 .
↑ Sarapuloff SA 15 años de desarrollo girodinámico de estado sólido en la URSS y Ucrania: resultados y perspectivas de la teoría aplicada // Proc. de la Reunión Técnica Nacional del Instituto de Navegación de los Estados Unidos (ION) (Santa Mónica, California, EE. UU., 14 al 16 de enero de 1997). - P.151-164.
↑ 1 2 Matveev V. V., Raspopov V. Ya. Fundamentos de la construcción de sistemas de navegación inercial strapdown. 2ª ed./ed. V. Ya. Raspopova. - San Petersburgo. : Instituto Central de Investigación "Elektroribor", 2009. - 62-64 p. - ISBN 978-5-900780-73-3 .
↑ Primer teléfono inteligente con giroscopio MEMS que se enviará en junio; no será el último Archivado el 24 de septiembre de 2015 en Wayback Machine // EETimes, 11/5/2010

Literatura

Merkuriev I. V. , Podalkov V. V. Dinámica de giroscopios micromecánicos y de estado sólido ondulatorio. - M. : Fizmatlit, 2009. - 226 p. - ISBN 978-5-9221-1125-6 .
Klimov D. M. , Zhuravlev V. F. , Zhbanov Yu.K. Resonador hemisférico de cuarzo (giroscopio de estado sólido Wave). - M. : Kim L.A., 2017. - 194 p. - ISBN 978-5-9909668-5-7 .