ДОЛГИЙ ПУТЬ ГИРОСКОПА

Александр Ильич Соболь, ведущий инженер ЦИАМ

"ГИРОСКОП (от гиро... и - ...скоп) - быстро вращающееся твердое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве... Астатический гироскоп, свободный от внешних воздействий, устойчиво сохраняет первоначальное направление своей оси..."
Политехнический словарь. М. Советская энциклопедия. 1989.

Эту конструкцию изобрёл Иоганн Боненбергер в самом начале XIX века. В 1852 г. французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае - Земли), через год после изобретения "маятника Фуко", тоже основанного на сохранении момента инерции. Именно Фуко придумал название "гироскоп": от греческих слов "гирос" - "вращение" и "скопио" - "наблюдаю". На рис. 1 представлен принцип действия гироскопа (гирокомпаса) и одно из его применений в авиации.

Что такое гироскоп, любой желающий может попробовать узнать, например, в Интернете. И, скорее всего, останется в некотором недоумении: очень много информации. Воспользуемся только её частью. Обратим внимание на классификацию по принципу действия: механические гироскопы (рис. 2) и оптические гироскопы. Давайте, оптические гироскопы здесь не рассматривать: в современных компактных приборах: мобильных телефонах, моделях вертолетов или в каких-либо других подобных изделиях они не применяются. В подразделе "механические гироскопы" упоминаются два типа: роторные гироскопы и вибрационные гироскопы. Сначала про роторные гироскопы. Это самый "древний" из гироскопов. Его основа - быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого закреплена так, что может свободно ориентироваться в пространстве. Основное свойство такого гироскопа - способность при отсутствии воздействия на неё внешних сил сохранять неизменное направление оси вращения.

На самом деле, гироскоп - один из первых приборов, которым овладевает человек. Причём обычно раньше, чем учится ходить. Это волчок. Раскрутив его и попробовав завалить на бок, обнаружим, что это не так-то просто сделать. Это и есть гироскопический эффект. Нетрудно сообразить, что такой механический прибор должен быть достаточно массивным и габаритным. Для корабля, самолета или ракеты это - нормально. Когда-то, когда ВВЦ ещё именовалось ВДНХ и там был павильон "Космос" (живший в довоенном дирижабельном ангаре), прямо на входе в него, стояла "сигара" на пусковом столе и возле нее красовалась табличка "Высотная геофизическая ракета". И ее высотность, и ее более раннее (боевое) применение, определялось как раз гироскопом: в боевом применении ось ротора принудительно поворачивали, а в геофизическом - нет. Вот она и стала высотной.

В летательных аппаратах применение гироскопа - вполне нормальная практика. И уж тем более хорошо применять его для беспилотников и моделей. Одно "но" - размеры. Большинство моделей существенно меньше, чем сам гироскоп. Тут самое время вспомнить классификацию гироскопов, с которой мы начали статью, раздел «Вибрационные гироскопы». Они основаны на свойстве камертона (того самого, известного многим по занятиям музыкой), заключающегося в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. "Патент" на вибрационный гироскоп принадлежит вовсе не человеку, а некоторым видам двукрылых насекомых, обладающих парой стержнеобразных придатков, называемых жужжальцами, которые вибрируют в полете. Не вдаваясь в технические подробности, нужно отметить только одно: гироскоп "чистого" камертонного типа до реального прецизионного прибора так и не был доведен. Проблемы оказались непреодолимыми. Но сама его идея простимулировала поиск новых аналогичных возможностей. Результат не замедлил сказаться: в печати вскоре стали появляться сообщения о новом классе гироскопических чувствительных элементов, получивших название микромеханических (ММГ - Микромеханический гироскоп). В других источниках этот же класс приборов называется - микроэлектромеханическими системами (MEMS). Это определение несколько шире и включают также и другие датчики - вибрации, давления, температуры.

По своей сути ММГ/MEMS - одноосные гироскопы вибрационного типа, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой, площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор типа описанного выше камертона. Столь подробное определение приведено только для того, чтобы было понятно о каких размерах и каком весе идет речь в ММГ. Вот такие приборы можно уже применять и в моделях вертолетов, и в мобильных телефонах, и даже в игрушках. Примеры приведены на рис. 3 и 4.

Пара слов конкретно про мобильные телефоны (и, естественно, другие подобные устройства). В списке дополнительных возможностей мобильного телефона есть строка: "Датчик положения (G-Sensor)". Кстати, буква G - это и начало слова "gyro" и обозначение ускорения свободного падения, известное из школьного курса. Датчик положения срабатывает именно на ускорение. Поэтому у такого датчика есть другое название - акселерометр.

На практике срабатывание этого датчика хорошо известно очень многим владельцам мобильных телефонов. Вы смотрите фотографии на экране телефона. Вам попадается изображение с ориентацией, требующей поворота телефона. Вы поворачиваете телефон и изображение поворачивается… опять в неправильное положение! Или не поворачивается. Что зависит от программ, использующих сигналы от датчиков положения телефона.

В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном, что называется, "для прикола". А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за резкого движения или удара и паркуют его (диска) головки. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально - именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Впрочем, рассуждать о том, что в реальности полезнее - активные игры, функция автоматического поворота картинки, защита винчестера или возможность снимать фотографии без смазывания - дело неблагодарное. Покупателям нравится и то, и другое, и третье, и четвертое. Поэтому производители в последнее время стараются как можно более плотно использовать датчики движения. Благо, возможностей у них для этого предостаточно: автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов.

Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку. И место занимает - всего ничего. Для примера, размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6x4,8x3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics - всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами - сам кристалл еще меньше (рис. 5).

Если говорить о датчиках движения, то на сегодняшний день наиболее популярны те, что основаны на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы - классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение - это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках - под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Ну а дальше - процесс, аналогичный только что описанному, только для расчётов используется изменение тока.

Есть и более экзотический тип MEMS-акселерометров - термальные датчики ускорения. В них в качестве основного объекта используется горячий пузырек воздуха. При движении пузырек отклоняется от центра системы, это отслеживается датчиками температуры. Чем дальше сместился пузырек - тем больше величина ускорения.

Это теория. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части - грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора - не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов (рис. 6).

Зачастую, современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота - конструкция примерно та же, но на выходе другая величина (рис. 7).

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых "заточено" именно под вращение. Такие MEMS - одни из красивейших (рис. 8).

Менее популярный в статьях и обсуждениях, но гораздо более массовый тип MEMS-устройств - микроскопический микрофон. Опять-таки наиболее распространенными системами этого типа являются те, которые основаны на конденсаторном принципе.

Устроены они - проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка - мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками - при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны (рис. 9).

Такой микрофон - это, по сути, датчик давления. Используя миниатюрность приборов, основанных на MEMS-технологии, их уже не один год используют в медицине (рис. 10).

Иллюстрации с сайта:
3dnews.ru/editorial/MEMS-microelectromechanical-systems-Part-1