- •Теоретическая часть Теоретические основы гироскопии
- •Гироскоп на кардановом подвесе
- •Гироскопический эффект
- •Классификация гироскопов
- •Механические гироскопы
- •Гироскоп с тремя степенями свободы
- •Гироскоп с двумя степенями свободы
- •Оптические гироскопы
- •Лазерный гироскоп
- •Волоконно-оптический гироскоп
- •Вибрационные гироскопы
- •Микромеханический вибрационный гироскоп
- •Малогабаритный пьезоэлектрический вибрационный гироскоп
- •Применение гироскопов
- •Расчётная часть Расчёт динамических характеристик гироскопа с учётом температуры
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Кафедра микро- и наноэлектроники
Отчет по лабораторной работе №3
«Гироскоп»
По дисциплине «Микроэлектронные датчики и сенсорные устройства»
Проверил: Выполнил:
доц. Родионов Ю. А. ст.гр.043301
Песков М.А
Минск 2012
Цель работы:
1) Изучение теоретических вопросов:
Теоретические основы гироскопии;
Классификация гироскопов;
Микромеханический вибрационный гироскоп;
Малогабаритный пьезоэлектрический вибрационный гироскоп;
Применение гироскопов;
2) Расчёт динамических характеристик гироскопа с учётом температуры.
Теоретическая часть Теоретические основы гироскопии
Гироскоп (от др. греч. «вращение» и «смотреть») — это массивное тело, быстро вращающееся вокруг одной из своих главных осей инерции, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат.
Принцип действия гироскопов основан на фундаментальном законе сохранения угловых моментов (законе сохранения момента импульса): «Если результирующий момент всех внешних сил относительно неподвижной оси вращения тела равен нулю, то момент импульса относительно этой оси не изменяется со временем».
Прецессия – это изменение вектора момента количества движения гироскопа в результате воздействия на него внешних сил.
Главное свойство прецессии — безынерционность: как только сила, вызывающая прецессию, пропадёт, прецессия прекратится.
Если принять, что направление вектора момента количества движения совпадает с направлением оси вращения гироскопа, то прецессию можно наблюдать, если следить за осью гироскопа.
При свободном движении тела ось вращения не сохраняет своё положение в пространстве. А оси свободного вращения, положение которых сохраняется во время вращения тела (например, ось симметрии), называются свободными осями. Для каждого тела можно отыскать три взаимно-перпендикулярные оси, проходящие через его центр инерции и являющиеся свободными осями – это главные оси инерции тела.
Устойчивое вращение тела происходит только вокруг главных осей с экстремальными значениями инерции.
Соотношение главных осей инерции тела для различных тел вращения:
Для цилиндра или диска
Одна из главных осей симметрии совпадает с осью инерции тела. Две другие главные оси тела лежат в плоскости, перпендикулярной оси симметрии и при любом занимаемом положении остаются взаимно перпендикулярными друг другу.
Если ось Z совпадает с осью симметрии тела, то при вращении тела вокруг главных осей инерции моменты инерции соотносятся между собой как:
Ix = Iy ≠ Iz
Для шара
Шар имеет центральную симметрию, следовательно, любые три оси будут являться главными осями инерции, если они проходят через центр и взаимно перпендикулярны друг другу. Моменты инерции соотносятся между собой как:
Ix = Iy = Iz
Для параллелепипеда
Оси инерции проходят через центры его граней. Моменты инерции соотносятся между собой как:
Ix ≠ Iy ≠ Iz
Это соотношение также справедливо для тела произвольной неправильной формы.
Исходя из вышесказанного, можно дать следующее определение гироскопа:
гироскоп (волчёк) – это массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии (оси гироскопа).
Если ось гироскопа не поворачивается в пространстве, момент импульса направлен вдоль оси гироскопа и равен:
,
где I – момент инерции относительно оси гироскопа.
Из основного уравнения динамики вращательного движения следует, что:
,
где - результирующий вектор момента всех внешних сил, действующих на тело.
Для замкнутой (изолированной) системыравен нулю, следовательно, позакону сохранения момента количества движения:
,
Закон сохранения момента количества движения(момента импульса) может быть обобщен на любуюнезамкнутую систему тел: если результирующий (главный) момент всех внешних сил, приложенных к системе, относительно какой-либо неподвижной оси тождественно равен нулю, то момент импульса системы относительно той же оси не изменяется с течением времени.
,
Таким образом, основное свойство гироскопазаключается в сохранении неизменной оси вращения при равенстве нулю момента внешних сил. Данное свойство может быть продемонстрировано с помощьюкарданова подвеса.