Гироскопический датчик угловой скорости

В основе датчика угловой скорости ДУСа лежит двухстепенной гироскоп. Двухстепенной гироскоп имеет одну раму подвеса ротора и обладает двумя степенями свободы: относительно оси xx собственного вращения и оси уу рамы.

Рис. гироскоп с двумя степенями свободы.

Свойство гироскопа с двумя степенями свободы заключается в том, что если к гироскопу приложить силу Р, создающую момент внешней силы Мвн вокруг оси уу, то прецессионного движения не возникает а гироскоп поворачивается вокруг оси уу как обычное негироскопическое тело. При этом возникает гироскопический момент, действующий относительно мнимой оси zz, который уравновешивается реакцией опор рамки.

Рис. Прецессия гироскопа с двумя степенями свободы

Если же гироскоп поворачивать вокруг мнимой оси zz, то главная ось гироскопа хх прецессирует вокруг оси уу до совмещения по кратчайшему пути вектора кинетического момента Н ротора гироскопа с вектором угловой скорости ω вынужденного вращения.

Прецессия возникает вследствие гироскопического момента М_г1 , величина которого определяется из выражений:

М_г1=Hωsinβ или M_г1=Hωcos α

где H – кинетический момент ротора гироскопа; Н = IΩ, I – момент инерции ротора; Ω – угловая скорость вращения ротора; ω – угловая скорость вынужденного вращения гироскопа; β – угол между осями хх и уу гироскопа; α – угол между исходным положением оси хх и текущим.

Прецессия происходит с ускорением

где Iу – момент инерции гироскопа вокруг оси уу.

Для измерения угловых ускорений используется схема, представленная на рисунке.

Рис. Схема ДУС

Таким образом, при всякой попытке сообщить гироскопу угловую скорость вокруг оси Z-Z он реагирует угловым отклонением относительно оси у-у. После окончания действия угловой скорости гироскоп приходит в исходное положение.

В том случае, если вектор Н трехстепенного гироскопа развернут параллельно плоскости земли, то из него получается гироазимут. В том случае, если центр тяжести трехстепенного гироскопа сместить ниже точки подвеса, то мы получим

простейший гирокомпас. Указанный груз создает дополнительный момент, который под воздействием угловой скорости суточного вращения земли приводит вектор Н в меридиан. Гирокомпас, в отличии от магнитного компаса, не подвержен магнитным возмущениям, однако он не работает в высоких широтах, т.к. величина вектора угловой скорости вращения земли там мала. Гирокомпас нельзя установить на самолете, т.к. он перемещается со скоростью большей, чем угловая скорость вращения земли. Для этих целей используют гироазимуты, в конструкцию которых вводят широтную коррекцию.

Электростатические датчики скорости

используют зависимость зарядного тока конденсатора I от источника напряжения U и скорости V, изменения его емкости —

I = KUV.

Здесь K — конструктивный коэффициент.

Если между обкладками конденсатора размещен электрет (диэлектрик с постоянной поляризацией), то датчик может работать без внешнего источника напряжения. Погрешность датчика зависит от стабильности источника напряжения, термозависимости диэлектрика. Для преобразования аналогового выходного сигнала в ДЦК применяют АЦП.

Измерение скорости производится также традиционно при помощи электромашинных тахогенераторов.

Тахогенера́тор (от греч. táchos — быстрота, скорость и генератор) — измерительный генератор постоянного или переменного напряжения, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты вращения вала в электрический сигнал.

Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения. Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.

Тахогенераторы постоянного тока являются коллекторными машинами с постоянным возбуждением и выходной характеристикой

Погрешность преобразования зави­сит от насыщения магнитопровода, падения напряжения на щетках, ве­личины реакции якоря, сопротивле­ния якорной цепи. Статическая харак­теристика тахогенератора постоянно­го тока приведена на рис. 72.

Ввод сигнала тахогенератора посто­янного тока в контроллер реализуется через АЦП.

Тахогенераторы переменного то­ка синхронные являются синхронны­ми машинами с выходной характери­стикой

U(t) = A(ro)sin(rot),

где ю — частота вращения якоря; А(ю) — амплитуда сигнала, зависящая от час­тоты. Обычно в таких тахогенераторах ротором служит явнополюсный посто­янный магнит, а сигнал снимается с обмоток статора.

Основное достоинство синхронных тахогенераторов: простота конст­рукции и высокая надежность в работе.

Главный недостаток синхронных тахогенераторов заключается в том, что одновременно с изменением угловой скорости вращения ротора ю изменяются частота тока в статоре и индуктивное сопротивление как самого та- хогенератора, так и нагрузки, на которую он работает. Это приводит к иска­жению выходной характеристики датчика скорости, к появлению значи­тельных амплитудных и фазовых погрешностей, что является существен­ным недостатком.

Для ввода сигнала синхронного тахогенератора требуется фазовый де­тектор, фильтр, масштабирующий элемент, АЦП.

Асинхронные тахогенераторы переменного тока являются асинхронны­ми машинами с разомкнутым якорем и с квазилинейной выходной характеристикой

.

Асинхронный тахогенератор (рис.) ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором - одна обмотка статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), а с другой - генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение.

Рис. Асинхронный тахогенератор

При питании обмотки возбуждения переменным током частоты f_В возникает пульсирующий магнитный поток Ф_В, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС - Е_Т (показана внутри ротора) и ЭДС вращения - Е_ВР (показана снаружи ротора). В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток Ф_ТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку ФТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

Погреш­ность преобразования зависит от насыщения магнитопровода, величины ре­акции якоря, сопротивления якорной цепи, стабильности цепи возбужде­ния. Для снижения величины пульсаций применяют многофазные обмотки.

Для ввода сигнала асинхронного тахогенератора требуется фазовый де­тектор, фильтр, масштабирующий элемент, АЦП.

Тахогенераторы являются, как правило, автономными или встраивае­мыми типовыми элементами.

Параметры выбора тахогенераторов: диапазон измерений; линейность ста­тической характеристики, %; статический коэффициент усиления, В с/рад; электромагнитная постоянная времени, с; погрешность амплитуды выход­ного сигнала, %; погрешность фазы выходного сигнала, %; смещение «Ну­ля», В; тип энергопитания; уровень радиопомех; уровень шумов; момент инерции ротора, кгм²; момент трогания, Нм; тип выходного сигнала; уро­вень напряжения выходного сигнала, В; выходное сопротивление; ОТП.

Эстиматоры скорости. Эстиматорами скорости называют технические средства, позволяющие оценить скорость некоторого объекта путем измере­ния интервала времени между двумя событиями на его пути. В частности, ис­точником импульсов может является импульсный датчик перемещений и т. п.

Датчикитока

Датчики тока предназначены для измерения и контроля постоянным, переменным и импульсным токами и широко применяются в электротехнике для создания систем обратной связи.

В зависимости от принципа работы датчики тока подразделяются на резистивные, токовые трансформаторы и датчики на эффекте Холла.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением, часто составляющим сотни киловольт.

Основным недостатком является инертность, которая затрудняет измерение мгновенных значений несинусоидального тока.

Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод 2 (рис.18) и две обмотки — первичную 1 и вторичную 3. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока I₁, ко вторичной обмотке присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I₂.

Рис.18. Трансформаторы тока

а – одновитковый трансформатор тока; б – многовитковый трансформатор тока; в - многовитковый трансформатор тока с двумя сердечниками; 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - сердечник; 4 - изоляция; 5 - обмотка прибора