25090 (Разработка инклинометра с непрерывным измерением азимута), страница 4

Принцип работы этого прибора состоит в следующем. Магнитные датчики измеряют полный вектор магнитного поля Земли. Однако для вычисления направления необходимо знать не полный вектор, о только его горизонтальную составляющую. Для этого с помощью трехкомпонентного акселерометра определяется направление вертикали в приборной системе координат, после чего вычисляются величина и направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли по отношению к скважине, т.е. её направление. Устранения погрешностей, связанных с искажениями магнитного поля Земли, можно добиться путем предварительной калибровки прибора, для чего достаточно снять показания магнитных датчиков в четырех положениях, получающихся поворотом прибора на 90° в горизонтальной плоскости.

В настоящее время известны акселерометры тензорезистивного, пьезорезистивного и пьезоэлектрического типа. Однако пока они имеют значительные габариты и массу, а также энергопотребление. Более перспективным направлением можно считать создание чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков ускорения на основе емкостного принципа преобразования с использованием электростатической компенсации на материалах из кремния. ЧЭ, разработанные на основе этой технологии, получили название микромеханических. Конструкция ЧЭ емкостного типа представляет собой плоский дифференциальный конденсатор, имеющий две неподвижные пластины и внутренний подвижный электрод. Для таких чувствительных элементов характерны потенциально высокая термоустойчивость, стабильность метрологических характеристик во времени, отсутствие шумов и самонагрева. Принцип действия емкостного акселерометра основан на измерении разности емкостей между подвижным электродом и неподвижными пластинами. При отсутствии воздействия ускорения воздушные зазоры между подвижным электродом и неподвижными пластинами одинаковы, и соответственно сохраняется равенство значений емкостей. При воздействии ускорения в каком-либо направлении изменяются величины воздушных зазоров, в результате чего появляется разность емкостей и токов, протекающих через эти емкости. С помощью дифференциального усилителя эта разность усиливается и преобразуется в выходное напряжение, пропорциональное величине ускорения. Акселерометры на основе емкостных чувствительных элементов позволяют измерять ускорения до нескольких десятков м/с², имеют ток потребления в пределах единиц мА, могут быть выполнены в виде интегральных микросхем. Кроме акселерометров, в качестве корректоров геомагнитных приборов могут использоваться датчики угловой скорости на основе гироскопов. Принцип действия которых основан но эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути благодаря расщеплению луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если система находится в покое относительно инерционного пространство, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины, поэтому при сложении лучей в расщепителе нет фазового сдвига. Однако когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве, между световыми волнами возникает разность фаз, пропорциональная угловой скорости вращения. Имеется также информация о создании гироскопов на основе электрохимических преобразователей, гирочувствительных пьезорезонансных датчиков, емкостных преобразователей.

Датчик направления (феррозонд) представляет собой три ортогонально расположенных датчика магнитного поля. На выходе феррозонда присутствует аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна углу поворота относительно магнитного меридиана Земли. Датчик ускорения (акселерометр) представляет собой три ортогонально расположенных емкостных датчика ускорения. На выходе присутствует сигнал, пропорциональный измеряемому ускорению. Датчик служит для устранения ошибки феррозонда, возникающей из-за негоризонтального расположения объекта относительно поверхности Земли.

4. Гироскопические инклинометры

Гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, у артиллерийских снарядов, у детского волчка, у роторов турбин, установленных на судах, и др. Свойства гироскопа к проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять своё направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.

Первое свойство уравновешенного гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на какую-нибудь звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно земных осей.

Второе свойство гироскопа обнаруживается, когда на его ось (или рамку) начинают действовать сила или пара сил, стремящиеся привести ось в движение (т. е. создающие вращающий момент относительно центра подвеса), движение гироскопа безынерционно.

Наиболее существенными признаками, характеризующими применяемые в технике разнообразные гироскопические приборы, являются: тип гироскопа, физический принцип построения чувствительного гироскопического элемента, тип подвеса, назначение гироскопические приборы.

Типы гироскопов. Различают два основных типа гироскопов: с тремя и двумя степенями свободы. Гироскопы с тремя степенями свободы делятся на уравновешенные, или астатические, и неуравновешенные, или позиционные.

Астатическим называется гироскоп, у которого центр тяжести совпадает с точкой пересечения осей карданова подвеса (т. е. с точкой подвеса). Сила тяжести не влияет на движение оси такого гироскопа и её уходы при внешних возмущениях могут вызываться лишь моментами сил в осях подвеса (моменты сил трения и др.). При отсутствии моментов внешних сил гироскоп называется свободным. Хотя астатические гироскопы не обладают избирательностью по отношению к заданному направлению, т. е. "направляющей силой", стремящейся привести ось гироскопа в определенное положение, они используются в ряде гироскопических приборов например, в гироскопах направления, гировертикалях и др., причём прецизионные гироскопы могут применяться без корректирующих устройств.

Позиционным называется гироскоп, обладающий избирательностью по отношению к некоторому направлению; при отклонении его оси от этого направления возникает "направляющая сила", стремящаяся вернуть ось гироскопа в заданное положение. Для придания гироскопу позиционных свойств применяют два способа. Первый состоит в смещении центра тяжести гироскопа относительно точки подвеса. Он используется в гирокомпасах, у которых "направляющая сила" возникает при отклонении оси гироскопа от плоскости меридиана, и в гиромаятниках, у которых "направляющая сила" возникает при отклонении оси гироскопа от вертикали места. Другой способ состоит в применении астатического гироскопа и соответствующей системы коррекции, например маятниковой.

Гироскопы с двумя степенями свободы используют чаще всего в качестве дифференцирующих и интегрирующих гироскопов, которые осуществляют дифференцирование (или интегрирование) входного сигнала, т. е. измеряют производную (или интеграл) от той величины, на воздействие которой реагирует. Например, в гиротахометре дифференцирующий гироскоп, реагируя на поворот объекта, измеряет его угловую скорость, а поплавковый интегрирующий гироскоп, реагируя на угловую скорость объекта, измеряет угол его поворота.

Физические принципы построения чувствительных гироскопических элементов. Различают гироскопы с механическим ротором, с жидкостным ротором, вибрационные, лазерные, ядерные. Наиболее распространены гироскопы с механическим ротором: у них носителем кинетического момента является быстровращающееся массивное твёрдое тело - ротор. Носителем кинетического момента может быть и жидкая среда. Вибрационные гироскопы в качестве чувствительного элемента содержат вибрирующие массы (например, ротор с упругим подвесом или упругие пластины) и служат для определения угловой скорости объекта. Лазерный гироскоп представляет собой устройство, в котором используется оптический квантовый генератор направленного излучения и содержится плоский замкнутый контур (образованный тремя и более зеркалами), где циркулируют два встречных световых потока (луча); он также служит для определения угловой скорости объекта (см. Квантовый гироскоп). Ядерный гироскоп основан на том свойстве, что ядро атома содержит протоны, обладающие спиновыми и орбитальными моментами количества движения, а также связанными с ними магнитными моментами. При этом наличие механического вращательного момента у ядра сообщает ему свойства гироскопа, а наличие магнитного момента даёт возможность ориентировать ось этого гироскопа в пространстве и определять её положение. Ядерные гироскопы могут использоваться в качестве стабилизаторов направления, датчиков угловых скоростей.

Типы подвесов гироскопов. В гироскопах с механическим ротором различают механический, поплавковый, газовый, магнитный, электростатический типы подвесов. В большинстве используются гироскопы с механическим подвесом; выполненным в виде карданова подвеса

В различных двух- и трёхстепенных гироскопах для разгрузки механических опор применяются жидкостные, или поплавковые, подвесы (например, в поплавковом интегрирующем гироскопе), вследствие чего подобные гироскопы мало подвержены вибрационным, ударным и др. возмущающим воздействиям и обладают высокой точностью.

Существенное повышение точности достигается при применении гироскопов с газовым подвесом. Ротор такого гироскопа обычно имеет сферическую форму и опирается па чрезвычайно тонкий газовый слой, образующийся между шаром-ротором и специальной опорой. Такой шар является практически свободным гироскопом. Газовые опоры могут также применяться в осях подвеса ротора и кардановых колец.

Также используется гироскоп с магнитным подвесом, ротор которого, выполненный в виде ферритовой сферы, поддерживается магнитным полем во взвешенном состоянии. Необходимые характеристики поля автоматически регулируются специальной следящей системой. Другой разновидностью магнитного подвеса является т. н. криогенный подвес ротора, в котором используется взаимодействие магнитных полей, создаваемых токами в сверхпроводниках. Поддерживающие силы магнитного поля возникают при изменении положения ротора по отношению к элементам подвеса. Материал ротора, катушек электромагнитов и специальных экранов приводится в сверхпроводящее состояние путём глубокого охлаждения.

В гироскопе с электростатическим подвесом ротор представляет собой полую сферу, наружная поверхность которой имеет высокую проводимость. Ротор помещается между электродами, к которым подводится высокое напряжение, регулируемое специальной следящей системой. Под действием электростатических сил ротор центрируется в пространстве между электродами.

По назначению гироскопы подразделяют на следующие группы: 1) гироскопы для определения угловых отклонений объекта. Сюда относятся различные астатические и позиционные гироскопы, а именно: гироскопы направления, определяющие азимутальные отклонения объекта, и гировертикали или гиромаятники, определяющие отклонения объекта относительно плоскости горизонта; 2) гироскопы для определения угловых скоростей и угловых ускорений объекта, в которых используются дифференцирующие гироскопы. К ним относятся гиротахометры и вибрационные гироскопы, определяющие угловые скорости вращения объекта и гиротахоакселерометры, определяющие угловые скорости и угловые ускорения вращения объекта; 3) гироскопы для определения интегралов от входных величин, в которых используются интегрирующие гироскопы: гироскопические интеграторы угловых скоростей, определяющие углы отклонения объекта; интегро-дифференцирующие гироскопы, определяющие углы и угловые скорости вращения объекта, а также гироскопические интеграторы линейных ускорений, которые служат для нахождения линейной скорости объекта; 4) гироскопы для стабилизации объекта или отдельных приборов и устройств, а также для определения угловых отклонений объекта, называют гиростабилизаторами; 5) гироскопы для решения навигационных задач.

Квантовый гироскоп, прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.

Лазерный (оптический) гироскоп. Датчиком оптического гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, которые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков.

Ядерные и электронные гироскопы. В ядерных квантовых гироскопах используются вещества с ядерным парамагнетизмом (вода, органические жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, например при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др. магнитных полей (например, земного) возникший суммарный магнитный момент М будет некоторое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический квантовый гироскоп позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.

В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н, жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с угловой скоростью W приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента М, приблизительно равному проекции вектора W на Н. Это изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля Н. Например, если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3Ч10-9э.

Электронные квантовые гироскопы аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы которых содержат неспаренные электроны (например, устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные квантовые гироскопы перспективны, так как гиромагнитное отношение gэл для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.

Несмотря на то что квантовые гироскопы, особенно оптические, непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё уступают лучшим образцам механических гироскопов. Однако К. г. обладают рядом существенных преимуществ перед механическими гироскопами: они не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования, обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение короткого промежутка времени, могут выдержать значительные ускорения и работать при низких температурах.