Перспективные технологии изготовления гироскопов
Краткая история создания гироскопов
Как известно, гироскоп – это устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации носителя, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчёта. Такое устройство обычно используется с целью определения местоположения в пространстве. Простейший гироскопический эффект можно наблюдать на примере вращающейся юлы, которая сохраняет своё равновесие при колебании плоскости вращения. Этот принцип лёг в основу создания роторного гироскопа:
Классический механический гироскоп (МГ) роторного типа, который построен на механизме обратной пропорциональности скорости поворота оси его собственной угловой скорости, в результате развития технологии, получил множество вариантов реализации (гироскоп с газодинамической опорой, а также с карданными, либо с электростатическими подвесами). Позднее была создана конструкция динамически настраиваемого гироскопа (ДНГ), когда используется подвес т. н. внутренних карданов, образованный кольцом, которое изнутри крепится торсионами (пружинными соединениями) к вращающемуся валу, а снаружи – торсионами к ротору. Это смогло повысить чувствительность гироскопических приборов и расширить их динамический диапазон. Следующим шагом стало изобретение поплавкового гироскопа (ПГ), который представляет собой роторный гироскоп, где все подвижные элементы погружены в жидкость высокой плотности, что способствует уравновешиванию общего веса механических частей гидростатическими силами и увеличивает помехоустойчивость.
Ещё одной вехой в истории гироскопии стало появление гироскопа вибрационного или «камертонного» типа (ВГ), где вибрирующий объект имеет тенденцию продолжать вибрирации в одной и той же плоскости, даже если его опора вращается (воздействие силы Кориолиса). Такие гироскопы конструировались на основе пьезоэлектрического эффекта, либо вибрации жидкостей, а также газовых вибраций, однако до появления современных технологий, данный вид гироскопа особых успехов не имел.
Современные типы гироскопов
Наиболее часто используемые в настоящее время гироскопы по конструктивным и технологическим параметрам подразделяются на две большие группы: электронно-оптические гироскопы и гироскопы вибрационного типа. Самым старым видом электронно-оптических гироскопов является кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), работа которого построена на основе появления фазового сдвига встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре (эффект Саньяка). Основным элементом лазерного гироскопа является кольцевой оптический резонатор, в котором свет распространяется по замкнутой траектории:
Главные достоинства КЛГ – это возможность достижения стратегического класса точности (нулевое смещение менее 0,001 °/ч), малый температурный дрейф и относительно высокое быстродействие, а в качестве недостатков можно назвать сложность устройства, его высокую стоимость и достаточно большие массогабаритные характеристики, однако в области дальней автономной навигации КЛГ пока остаётся незаменимым прибором и инженерные решения по его проектированию продолжают совершенствоваться.
С развитием волоконно-оптических технологий появилась возможность в качестве оптического резонатора использовать волоконный контур световода или проще говоря многовитковую катушку из оптического волокна. Так появились волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), которые впоследствии получили широкое распространение особенно в тех сферах, где достаточен тактический класс точности или даже более низкие показатели (нулевое смещение от 0,01 °/ч и более). За счёт упрощения конструкции и возможности использования обычного светодиода вместо лазерного диода, ВОГ более компактен и лёгок, а также имеет более бюджетную стоимость, чем КЛГ.
Как уже было заявлено выше, помимо электронно-оптических гироскопов (КЛГ и ВОГ) другую обширную группу современных гироскопов составляют вибрационные гироскопы, главным видом которых является волновой твердотельный гироскоп (ВТГ). Принцип действия ВТГ основан на колебании стенок сферического резонатора. При вращении основания вокруг оси симметрии оболочки стоячая волна, возбужденная в резонаторе, начинает поворачиваться как относительно резонатора, так и относительно инерциального пространства. Зная угол поворота волны относительно резонатора, можно рассчитать угол поворота основания:
ВТГ обладает точностью сопоставимой с КЛГ при более миниатюрной конструкции и большей устойчивости к перегрузкам, однако он одновременно и более чувствителен к температурным воздействиям, а также имеет значительную пусковую задержку, тем не менее технологии изготовления ВТГ продолжают развиваться, например переход от металлических к кварцевым резонаторам позволил заметно улучшить многие характеристики данного прибора.
Ещё одним видом вибрационных гироскопов, которые получили большое распространение в последние время, стали гироскопы на основе микромеханических систем или так называемые МЭМС гироскопы. Такой гироскоп состоит из кремниевого основания, кольцевого сенсора и интегральной микросхемы считывания и обработки сигнала. Отклоняясь под воздействием силы Кориолиса, кольцевой резонатор показывает величину и направление угловой скорости:
МЭМС гироскопы хоть и не обладают высокой точностью, но зато имеют сверхкомпактную структуру и низкую стоимость при массовом производстве, что обуславливает широкий спектр их применения. Такие гироскопы сейчас можно встретить в совершенно различных устройствах, начиная от массовых мобильных гаджетов и заканчивая интегрированными навигационными системами специального назначения, совмещающими спутниковое и инерциальное позиционирование.
В настоящее время многие из описанных выше технологий стремятся перейти на новый уровень развития благодаря научно-техническому прогрессу, достигнутому в последние годы.
Перспективные разработки гироскопов
Микрооптические гироскопы (МОГ)
Разработчики электронно-оптических приборов, идя по пути миниатюризации компонентов и оптимизации интегральных оптических схем, в плотную приблизились к созданию микрооптических гироскопов (МОГ), прототипы которых уже имеют в своём арсенале многие изготовители навигационной техники. Такой гироскоп по своим размерам близок к микромеханическим системам (МЭМС), но не имеет движущихся частей, а значит потенциально более устойчив к перегрузкам и при этом по своей чувствительности близок к ВОГ и КЛГ. Наиболее перспективной считается построение МОГ на основе пассивного кольцевого резонатора (ПКР):
Излучение от источника света (лазера) делится разветвителем на две волны, частоты которых регулируются при прохождении через фазовые модуляторы. Затем с помощью направленного ответвителя излучение вводится в резонатор кольцевого интерферометра, причем свет из обоих каналов поступает в него во взаимно противоположных направлениях (по часовой и против часовой стрелки). Через направленные ответвители свет попадает на фотоприемники, сигналы с которых направляются в вычислительную систему.
Конструктивно пассивные МОГ можно разделить на три основные группы:
- Резонаторные МОГ, в которых в качестве ПКР обычно используется многолучевой интерферометр. Такой тип МОГ является наиболее распространённым.
- МОГ на основе волноводного интерферометра Маха –Цендера. Эти МОГ интересны тем, что в них учитывается не только амплитудная, но и фазовая характеристика многолучевого кольцевого интерферометра.
- Интерференционные МОГ, где в качестве чувствительного элемента выступает многовитковая спиралевидная волноводная катушка, которая представляет собой двухлучевой интерферометр. Фактически это миниатюризированная оптическая схема, используемая в традиционных ВОГ.
При этом устройство самого микрооптического ПКР также может быть очень разнообразно, хотя чаще всего это всё-таки волноводный планарный однокольцевой резонатор.
Наноэлектромеханические (НЭМС) гироскопы
Дальнейшая миниатюризация микромеханических систем уже привела к появлению нано акселерометров и многие аналитики отрасли предсказывают скорое появление нано гироскопов. Потенциальные наноэлектромеханические гироскопы - это приборы построенные на основе резонаторов НЭМС в виде нанобалок и нанопластин изготовленных из 2D-материала, толщиной в один атом (графен и т.п.). Основными электромеханическими методами считывания данных, подходящими для датчиков НЭМС из 2D-материалов, являются пьезорезистивное считывание, емкостное считывание и считывание транспроводимости. Важно отметить, что электрическое сопротивление 2D-материалов, особенно графена, чрезвычайно чувствительно к различным параметрам окружающей среды, а это значит, что такие явления, как небольшие изменения влажности воздуха, атмосферного давления, химического состава атмосферы, а также внешняя температура могут сильно влиять на электронные свойства 2D-материала. Таким образом, для надежного использования НЭМС датчиков эти эффекты перекрестной чувствительности должны быть либо устранены путем экранирования или корпусировки, либо они должны быть скорректированы на основе калибровочной кривой, которая устраняет изменения окружающей среды с использованием входных данных от датчика температуры или влажности или эталонного устройства, интегрированного в ту же систему.
Ещё одним препятствием является невозможность применения классических теорий для изучения движения наноразмерных элементов, так как нарушаются основные гипотезы таких теорий, например, гипотеза сплошности. Однако существует ряд новых теорий, которые позволяют путем введения в рассмотрение дополнительных параметров, адаптировать классические теории к изучению наноразмерных объектов. Будущая сфера применения НЭМС гироскопов – это микробиология и медицина (определение параметров молекул, сейсмокардиография и т.п.).
Ядерные (атомные или квантовые) гироскопы
Ядерный гироскоп (ЯГ) - прибор, основным чувствительным элементом которого является ансамбль ориентированных атомных ядер, обладающий макроскопическим магнитным моментом. Принцип действия ЯГ основан на зависимости частоты прецессии вектора магнитного момента в постоянном магнитном поле от угловой скорости вращения ЯГ. В ЯГ используются нуклиды с нечётным массовым числом, такие как
Экспериментальные модели таких гироскопов появились достаточно давно, однако только теперь технологические достижения позволили приблизится к их серийному производству. Одним из основных типов ЯГ является гироскоп на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМГ). Наиболее перспективным принципом функционирования ЯМГ считается так называемая спин-обменная накачка, которая подразумевает оптическую ориентацию щелочных атомов и передачу момента от них к ядерным парамагнетикам в процессе их столкновений. Отталкиваясь именно от такой структуры, стало возможно создание достаточно миниатюрных устройств:
Другой вид ЯГ, также стремящийся к миниатюризации - это ядерный интерференционный гироскоп (ЯИГ), построенный на базе современных технологий лазерного охлаждения атомов и атомной интерферометрии. Конструкционной основой ЯИГ служит т.н. «атомный чип», где происходит когерентная рекомбинация и когерентное расщепление атомов, проходящих через атомный волновод.
Разумеется, на этом список перспективных технологий в гироскопии не исчерпывается и с каждым днём продвижение новых веяний в этой сфере становится всё более заметным.
