Пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрический эффект (не путать с пьезорезистивным эффектом и сопутствующими ему тензодатчиками) получил естественное применение для восприятия вибраций и ускорения.

Напомним, эффект относится к непосредственному преобразованию механической энергии в электрическую. Он проявляется в кристаллических материалах, составленных из электрических диполей. Подобные датчики ускорения успешно работают на частотах воздействия от 2 Гц до 5 кГц; у них хорошая линейность, широкий температурный диапазон (до 120◦C); они не восприимчивы к помехам, действующим поперек оси чувствительности прибора.

Наиболее подходящим материалом для пьезоакселерометров считается не традиционный для пьезодатчиков кварцевый кристалл, а специальные виды керамики, в частности, титанат бария, цирконит титанат свинца и некоторые другие. Пьезокристалл укладывается между основанием датчика и сейсмической массой, воспринимающей входное воздействие - силу, пропорциональную ускорению (Рис. 8.2).

Рис. 8.2Устройство пьезоэлектрического акселерометра

Принятое гравитационной массой ускорение вызывает силу, пропорционально деформирующую кристалл; в результате пьезоэффекта с выводов кристалла снимается электрический сигнал, который передается устройству обработки, например, предвари-тельному усилителю. Для получения хороших частотных характеристик усиление осуществляется вторичными преобразователями типа “заряд-напряжение” или “ток-напряжение”, которые в современных интегральных датчиках встраиваются в микросхему.

Гироскопы

Наряду с магнитным компасом гироскоп является одним из самых распространенных навигационных приборов (датчиков движения). Во многих случаях, таких, например, где геомагнитное поле либо отсутствует (открытый космос), либо сильно искажено, гироскоп является единственным средством определения положения летательного аппарата.

Гироскоп является “хранителем направления” подобно тому, как маятник в часах “сторожит” время. Принцип действия гироскопа базируется на фундаментальном законе сохранения кинетического момента: В любой системе тел кинетический момент системы по отношению к произвольной точке пространства остается неизменным, пока на систему не действуют внешние силы.

Гироскоп вращения

Механический гироскоп представляет собой массивный диск (инерционная масса), вращающийся вокруг собственной оси и установленный в раму, которая также может поворачиваться (вращаться) вокруг одной или двух осей. В зависимости от общего количества осей вращения системы можем получить гироскоп с двумя или тремя степенями свободы (собственная ось вращения инерционной массы является первой степенью). Систему оформляющих рам гироскопа еще называют кардановым подвесом.

Следующие два качества гироскопа определяют его практическое значение для измерения движения:

1. Ось вращения свободного гироскопа остается неизменной в пространстве, если на гироскоп не действуют сторонние силы (в таком качестве гироскоп - за датчик направле-ния).

2. Гироскоп можно сконструировать таким образом, чтобы он создавал вращающий момент (и, как следствие, генерировал сигнал), пропорциональный угловой скорости, измеряемой относительно оси, которая перпендикулярна оси собственного вращения гироскопа (получаем датчик угловой скорости –ДУС).

На Рис. 8.3 схематично показан традиционный гироскоп вращения.

Рис. 8.3Двухстепенной (скоростной) механический гироскоп

Когда маховик (ротор) свободно вращается, положение оси вращения остается неизменным в пространстве. Если платформа с вращающимся маховиком поворачивается вокруг одной из осей (назовем её входной осью), гироскоп развивает вращающий момент вокруг перпендикулярной (выходной) оси, стремясь таким образом повернуть ось собственного вращения гироскопа вокруг этой, выходной оси. Описанное физическое явление называется прецессией гироскопа. Оно объясняется законом сохранения количества движения применительно к вращательному движению (закон сохранения момента импульса, – кинетического момента, – углового момента, – момента количества движения): Скорость изменения кинетического момента относительно любой неподвижной оси равна вращающему моменту, действующему относительно данной оси. Следствие применительно к гироскопу: если вокруг какой-либо из осей гироскопа (входной оси) есть вращающий момент Т (сторонняя сила), а скорость вращения ротора-маховика ω поддерживается постоянной, кинетический момент ротора можно изменить только если ось собственного вращения ротора получит проекцию на ось с приложенным моментом (входную ось), т.е. если ось вращения ротора будет поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной к входной оси. Это вращательное движение собственной оси ротора (вокруг выходной оси), возникающее из-за действия сторонних сил, и есть прецессия.

Еще раз подчеркнем, угловая скорость прецессии пропорциональна входному моменту:

, или T = Iω Ω(8.4)

где Ω - угловая скорость вращения подвеса (рамки) гироскопа вокруг выходной оси, I – момент инерции маховика относительно оси собственного вращения.

В какую сторону прецессия направлена? Для определения направления (знака) прецес-сии пользуются правилом: прецессия направлена так же, как согласованы между собой направление вращения ротора и направление действующего вращающего момента.

Качество работы механических гироскопов (их точность как датчиков) в значительной мере зависит от наличия возмущений (мешающих воздействий) и возможности сохранять заявленные характеристики в течение всего срока эксплуатации (степени дрейфа параметров). Источниками возмущений для гироскопов вращения являются, в первую очередь, силы трения, несбалансированность ротора, влияние магнитных сил и т.п. Чтобы минимизировать влияние данных факторов, предлагаются новые технические решения… В частности, чтобы свести к минимуму трение, в ряде конструкций гироскопов исполь-зуется ротор, который плавает вместе с приводным двигателем в специальной вязкой жидкости, а не подвешен в традиционном механическом кардане. Способ, однако, не лишен серьезных недостатков: требуется строгое выдерживание температуры жидкости… старение.

Альтернативный способ уменьшения трения – использование так называемых газовых подшипников, когда ось вращения ротора удерживается гелием, водородом или просто воздухом, находящимся под большим давлением. Еще лучше – держать ротор в вакууме силами электрического поля (электростатический гироскоп). В магнитном гироскопе ротор удерживается магнитным полем. В последнем случае за счет глубокого охлаждения (на криогенном уровне) ротор получает сверхпроводящее состояние; становится возможным под воздействием внешнего поля возбуждать такое магнитное поле внутри ротора, которое как бы подвешивает ротор в вакууме…

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: