Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Институт Оптики и Оптических Технологий

РЕФЕРАТ

по теоретической механике

НА ТЕМУ: «Оптические Гироскопы»

Выполнил студент группы ОТВ-21 Клименко Сергей Владимирович

НОВОСИБИРСК 2011 г.

1. Рождение Гироскопа

2. Оптические Гироскопы

Список литературы

1. Рождение Гироскопа

Получив медицинское образование, Жан Бернар Леон Фуко (1819 - 4868) увлекся экспериментальной физикой и достиг в этой области немалых успехов. Назовем лишь самые крупные - токи Фуко, маятник Фуко, гироскопы.

Слово "гироскоп", придуманное Л. Фуко, состоит из двух греческих слов: "гирос" - вращение и "скопео" - наблюдать, смотреть.

Итак, гироскоп - это "наблюдатель вращения". Сейчас гироскопы "наблюдают" вращение самых разнообразных объектов - кораблей, самолетов, ракет, спутников и многих других. Л. Фуко, создавая свой лабораторный прибор (гироскоп), хотел с его помощью наблюдать вращение Земли относительно абсолютного пространства.

Идея прибора основывалась на теоретическом положении Л. Эйлера о том, что быстровращающееся тело, имеющее одну неподвижную точку и не подверженное действию моментов внешних сил, сохраняет неизменным положение оси своего вращения в абсолютном пространстве. Л. Фуко рассуждал примерно так. Поскольку Земля вращается в абсолютном пространстве, то должно наблюдаться движение предметов, расположенных на ее поверхности, по отношению к оси такого быстровращающегося тела.

Приступая к созданию своего прибора, Л. Фуко сразу же столкнулся с тремя взаимосвязанными проблемами, ставшими потом классическими в гироскопической технике:

1) как практически реализовать тело, имеющее одну неподвижную точку и, стало быть, свободу вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей;

2) как раскрутить это тело вокруг одной из его осей и в дальнейшем поддерживать высокое значение угловой скорости;

3) как "защитить" вращающееся тело от действия внешних возмущающих моментов. В качестве тела, предназначенного для быстрого вращения, Л. Фуко выбрал маховик, который был установлен в кардановом подвесе.

Схема модели первого гироскопа Л. Фуко, 1852 г.

Карданов подвес позволяет установленному в нем телу одновременно поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (обеспечивает телу три вращательные степени свободы). Так, например, маховик, установленный в приборе Л. Фуко, мог вращаться вокруг собственной оси (первая степень свободы), вместе с внутренним кольцом карданова подвеса мог поворачиваться вокруг оси ножевых опор (вторая степень свободы) и вместе с внутренним и наружным кольцами карданова подвеса мог поворачиваться вокруг вертикальной оси, слегка закручивая шелковую нить (третья степень свободы).

2. Оптические Гироскопы

В системах наведения баллистических ракет и космических летательных аппаратов, где точность определения скорости является критически важной, в качестве противодействующей силы ранее использовалась реакция гироскопа, а ускорение автоматически интегрировалось для нахождения скорости. В обычном механическом гироскопе посредством вращающегося ротора, подобного юле, поддерживается фиксированное направление в пространстве. Чтобы прибор был достаточно стабилен для целей инерциальной навигации, должны быть исключены трение и другие возмущающие воздействия. Поэтому огромное значение имеют точные расчеты и тщательность изготовления гироскопических приборов. Тем не менее, основной причиной возникновения ошибки в механическом гироскопе является трение в движущихся частях.

В последнее время механические гироскопы все чаще заменяются оптическими. Последние особенно подходят для бесплатформенных систем инерциальной навигации. Оптические гироскопы основаны на принципе Саньяка, названном по имени французского физика С.Саньяка, который в 1913 построил оптический интерферометр для измерения скорости вращения.

Лазерный гироскоп (рис. 1) представляет собой кольцевой резонатор с тремя или четырьмя зеркалами, расположенными по углам треугольника или квадрата. Два лазерных пучка, генерируемые в самой системе, проходят по резонатору в противоположных направлениях. Интерферируя, они дают картину из светлых и темных пятен. Эта картина сохраняет свое положение в пространстве, и при повороте резонатора (корпуса гироскопа) фотоприемник регистрирует поворот, считая пробегающие по нему пятна.

рис. 1

Два лазерных луча, генерируемые разрядом между анодами и катодом, распространяются навстречу друг другу в кольцевом резонаторе, образованном зеркалами. Взаимодействуя, лучи дают интерференционную картину в виде системы пятен, по перемещению которой можно определить поворот ротора гироскопа. Работе лазерного гироскопа вредит обратное рассеяние, т.е. рассеяние лазерного луча на поверхностях зеркал и на молекулах газа, встречающихся на пути луча. Обратное рассеяние нарушает картину пятен таким образом, что она поворачивается вместе с корпусом. Устранение и сведение к минимуму обратного рассеяния требуют высочайшей точности при проектировании и изготовлении лазерных гироскопов.

Волоконно-оптический гироскоп (рис. 2) действует по принципу интерферометра Саньяка. Свет в нем направляется по замкнутому пути с помощью оптического волновода. Для увеличения длины оптического пути и повышения чувствительности гироскопа оптическое волокно свернуто в спираль. В волоконно-оптическом гироскопе используется внешний лазерный источник света. И здесь обратное рассеяние остается серьезной проблемой.

рис.2

гироскоп волоконный оптический лазерный

Лазерные лучи распространяются по замкнутому пути, частью которого является свернутое в спираль оптическое волокно. Поворот гироскопа определяется посредством фотоприемника, регистрирующего интерференционную картину пятен, создаваемую лучами. В Физической Энциклопедии приведено современное общепринятое определение опыта Саньяка: «Эффект Саньяка заключается в экспериментальном наблюдении (с помощью интерферометра) сдвига разности фаз двух встречных лучей света, одновременно испущенных из источника, отраженных от системы расположенных по кругу зеркал, и пришедших к приемнику, причем вся эта установка вращается с некоторой угловой скоростью.»

Список Литературы

1) Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М., 1976

2) Статья «Инерциальная навигация» в энциклопедии «Кругосвет»

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общее понятие гироскопа, его важнейшие свойства. Основное допущение элементарной теории. Реакция гироскопа на внешние силы. Момент гироскопической реакции, сущность теоремы Резаля. Оценка воздействия мгновенной силы на направление оси гироскопа.

презентация , добавлен 30.07.2013


Понятие и главное свойство гироскопа (волчка). Основное допущение элементарной теории. Сущность теоремы Резаля. Особенности движения волчка при воздействии внешних сил. Изучение закона прецессии гироскопа. Определение момента гироскопической реакции.

презентация , добавлен 02.10.2013


Элементарное представление о гироскопе, его основные свойства, принцип работы и применение в технике. Теорема Резаля. Направление оси свободного гироскопа в инерциальной системе отсчета. Регулярная прецессия тяжелого гироскопа, правило Жуковского.

презентация , добавлен 09.11.2013


Анализ режимов работы гироскопа при малой угловой скорости основания. Составление уравнений движения с помощью принципа Гамильтона-Остроградского и Эйлера. Характеристика свободных колебаний гироскопа на подвижном основании с учетом и без учета трения.

дипломная работа , добавлен 08.07.2012


Магнитоэлектрические датчики момента. Исследование математической модели динамически настраиваемого гироскопа с газодинамической опорой ротора, учитывающей угловую податливость скоростной опоры. Уравнения движения динамически настраиваемого гироскопа.

дипломная работа , добавлен 12.04.2014


Разработка новой математической модели микромеханического гироскопа камертонного типа на подвижном основании. Анализ уравнений движения данного гироскопа. Нахождение угловой скорости прецессии волновой картины колебаний, иллюстрирующей биение резонатора.

дипломная работа , добавлен 19.07.2012


Фотоупругость - следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации. Волоконно-оптические сенсоры с применением фотоупругости. Фотоупругость и распределение напряжения. Волоконно-оптические датчики на основе эффекта фотоупругости.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Разделение четырехмерного пространства на физическое время и трехмерное пространство. Постоянство и изотропия скорости света, определение одновременности. Расчет эффекта Саньяка в предположении анизотропии скорости света. Изучение свойств NUT-параметра.

статья , добавлен 22.06.2015


Светотехнический расчет механического, заточного и инструментального отделений. Выбор источников света, системы освещения. Размещение светильников в помещении. Мощность источников света. Рекомендации по монтажу и мероприятия по технике безопасности.

курсовая работа , добавлен 06.03.2014


Чувствительность оптического приемного модуля. Сопротивление нагрузки фотодетектора. Интеграл Персоника для прямоугольных входных импульсов и выходных импульсов в форме "приподнятого косинуса". Длина регенерационного участка волоконно-оптической системы.

Волоконно-оптические гироскопы

В последние годы для измерения угловых скоростей стали интенсивно развивать технику волоконно-оптических гироскопов, которые по принципу действия близки кольцевым лазерным гироскопам. Те и другие не являются гироскопами в общепринятом смысле слова, поскольку не имеют вращающихся частей с большим моментом инерции, их включение происходит мгновенно.

В 1913 г. физик Саньяк осуществил эксперимент, подтвердивший эффект, названный его именем. Суть его состоит в том, что две электромагнитные волны, распространяющиеся навстречу друг другу по замкнутому оптическому пути (в волоконно-оптической петле), пройдут его за разное время, если эта петля при этом вращается относительно инерциального пространства.

Рис. 38. Принцип действия волоконно-оптического гироскопа

Рис. 39. Структурная схема волоконно-онтического гироскопа 1 - лазер; 2 - световод; 3 - поляризатор; 4 - направленный ответвитель; 5 - катушка волокна; 6 -7 - фазовый модулятор; 8 - генератор; 9 - детектор и усилитель.

Разность этих времен выражается в смещении интерферирующих волн друг относительно друга.

Рассмотрим принцип работы волоконно-оптического гироскопа по схеме, представленной на рис. 38.

Свет может распространяться по замкнутому кольцевому каналу из положения 1 в двух направлениях, показанных стрелками. Когда система находится в покое, лучи света, вышедшие из положения 1 в обоих направлениях, возвращаются в нее одновременно. Если же кольцевой канал поворачивается со скоростью (по часовой стрелке или против), то значения скорости движения света и кольцевого канала будут складываться или вычитаться. За время движения света по каналу положение 1 перейдет в положение 2 и в момент, когда один луч, посланный из положения 1 против часовой стрелки, придет в положение 2, другой луч (посланный по часовой стрелке) достигнет уровня, отстоящего от уровня 2 на расстояние 2 .

Регистрация сдвига фазы происходит с помощью волоконно-оптического гироскопа (рис. 39).

Одномодовое оптическое волокно свернуто в виде кольца и образует схему интерферометра Саньяка, в котором лазерный луч распространяется во встречных направлениях. Вращение гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости волокна, приводит к появлению невзаимного фазового сдвига:

где А - площадь одного витка в катушке гироскопа; N - число витков; Ω- угловая скорость вращения; λ- длина волны; с - скорость света.

Для достижения предельных значений чувствительности целесообразно максимально удлинить рабочий отрезок волокна, однако потери и обратное рассеяние, приводящие к дополнительным шумам, ограничивают наращивание рабочих длин.

В зарубежных источниках подчеркивается, что основные факторы шума подробно изучены, и создание волоконно-оптических гироскопов - дело ближайшего будущего. Гироскопические устройства на волоконно оптических элементах отличаются компактностью, малой массой и в перспективе будут обладать очень высокой чувствительностью. Достижению этой перспективы пока мешают шумы различной природы, поэтому для современных устройств чувствительность составляет 0,2 град/ч. Волоконно-оптические гироскопы изготавливают из дешевых компонентов, широко применяемых в ВОСП. Они обладают высокой надежностью. В настоящее время это направление активно развивается, но для того, чтобы волоконно-оптические гироскопы могли успешно конкурировать с лучшими современными гироскопами других типов, еще потребуются дополнительные проработки и исследования.

Лазерные гироскопы обладают рядом преимуществ по сравнению с электромеханическими. Эти преимущества открывают широкую перспективу в практическом использовании гироскопов на лазерах. Так, для конструкторов систем управления всегда весьма важно, каким способом и в каком виде снимаются с гироскопов выходные данные.

Лазерный гироскоп позволяет получить на его выходе очень удобные для управления сигналы, например, в виде последовательности электрических импульсов, полярность которых определяется направлением поворота гироскопа. Число одиночных импульсов пропорционально малым фиксированным приращениям угла поворота (например, одной секунде дуги). Полный угол поворота гироскопа находится по общему количеству импульсов. Еще более важным для конструкторов является точность работы прибора. Точность работы гироскопов на лазерах чрезвычайно высока. Так как по своему назначению они должны регистрировать скорость вращения меньше 0,1 град/ч, то это приводит к необходимости измерять разность оптических траекторий с точностью до 10 -5 нм и частотные изменения около 0,1 Гц (при рабочей частоте 10 14 —10 15 Гц).

Самая простая конструкция такого прибора представляет собой обычное устройство с тремя зеркалами-отражателями, размещенными по углам контура так, что образуется замкнутая траектория (кольцо) для светового луча. Лазерный луч (см. рис.) создается двумя квантовыми генераторами (ОКХ), один из которых посылает излучение по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки. Упоминание о двух ОКХ приводится с целью упрощения рассуждений. На практике в лазерном гироскопе может быть установлен один оптический квантовый генератор, имеющий два и более активных элементов, формирующих лучи, движущиеся в противоположных направлениях.

Отражаясь от зеркал, проходя от зеркала к зеркалу и, наконец, через полупрозрачное зеркало и призму, световое излучение ослабевает. Для поддержания световых волн в системе на уровне, необходимом для нормальной работы, нужно, чтобы коэффициент усиления световых лучей вдоль всего пути был бы не менее 1. Необходимо также, чтобы на длине пути лазерных лучей укладывалось бы целое число длин волн, генерируемых лазерами, т. е. сдвиг фаз световых колебаний в полости резонатора должен равняться нулю. Для выполнения последнего условия частота колебаний лазера должна быть такой, чтобы усидивающая среда дала коэффициент усиления, достаточный для компенсации потерь в отражающих и других элементах оптического контура лазера. Эта частота при работе ОКГ устанавливается автоматически.

При повороте кольцевого резонатора в инерциальном пространстве оптические пути, проходимые лучами, движущимися по и против часовой стрелки, оказываются неодинаковыми. Разность между оптическими путями приводит в этом случае к возникновению разности частот генерируемых колебаний (эффект Саньяка), которая и определяет скорость вращения резонатора.