几种新型陀螺简介
关于陀螺的知识点
关于陀螺的知识点陀螺是一种古老而有趣的玩具，它以其旋转和平衡的特点而受到许多人的喜爱。
在这篇文章中，我们将逐步介绍陀螺的相关知识点。
1. 陀螺的定义陀螺是由一个旋转轴和一个或多个重量集中在轴上的圆盘组成的玩具。
通过给予陀螺旋转的动力，它可以保持平衡并旋转起来。
2. 陀螺的历史陀螺最早可以追溯到古代文明时期，它在许多文化中都有所存在。
事实上，陀螺最早的出现可以追溯到公元前3500年的埃及。
在过去的几千年里，陀螺在不同的文化中得到了广泛的应用和发展。
3. 陀螺的工作原理陀螺的运转涉及到一些基本的物理原理。
当陀螺旋转时，它的旋转轴保持在竖直方向上，这是因为陀螺的角动量守恒。
陀螺的旋转还涉及到陀螺效应，即旋转体在力矩作用下的稳定性。
4. 陀螺的稳定性陀螺的稳定性是指陀螺在旋转时保持平衡的能力。
陀螺的稳定性主要由其旋转轴的速度和旋转轴的角动量决定。
当陀螺旋转得足够快时，它就能够保持平衡并继续旋转。
5. 陀螺的运动方式陀螺的运动方式包括了预cession（进动）和nutation（章动）。
进动是指陀螺旋转轴围绕一个垂直于陀螺自身旋转轴的轴线进行缓慢旋转。
章动是指陀螺旋转轴的微小摆动。
6. 陀螺在科学中的应用陀螺的旋转和稳定性使得它在科学研究和应用中得到了广泛的应用。
陀螺仪是一种基于陀螺原理的仪器，可以用于测量和检测运动和方向。
陀螺还被用作惯性导航系统中的重要组成部分。
7. 陀螺的玩法和技巧陀螺作为一种玩具，有许多不同的玩法和技巧。
其中一些技巧包括陀螺的旋转、平衡和翻转。
通过练习和掌握这些技巧，人们可以展示出各种华丽的陀螺技巧。
8. 陀螺的益智教育价值陀螺不仅仅是一种玩具，它还具有益智教育的价值。
通过与陀螺的互动，人们可以学习到物理学、力学和平衡的基本原理。
此外，陀螺还可以培养人们的专注力、观察力和动手能力。
9. 陀螺的发展和改进随着科技的不断进步，陀螺也在不断发展和改进。
现代陀螺通常采用高科技材料和设计，以提高陀螺的旋转效果和稳定性。
光纤陀螺仪简介
• 关键是找到一个频率稳定度很高的标准激光光源
•
激光陀螺仪频率稳定度测量系统如图 1 所示。待测陀螺仪的输出光先经过全反 镜 M1,然后射到半 透半反镜 M2 上,碘稳定激光器的输出光直接射到半透半反镜 M2 上,调节 M1 和 M2 让两束激光位于 同一条直线,这样待测陀螺仪的输出光和碘稳定 激光器的输出光在 M2 重合,形成拍频。拍频光经过透 镜 M3 汇聚到光电接收器的光 敏面上形成电信号 微弱的拍频信号经过放大器放大,并由波形转换器 将正弦波转换 为方波以驱动频率计,频率计测得的 拍频频率由 GP-IB 接口直接送到计算机进行相 关的 数据处理
• MEMS惯性器件与系统、 微型惯性测量 组合等 这些提法各有侧重 但其本质基 本相同 是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、 特征 尺寸至微米级、 具有 将惯性参量及其辅助参量转换成电信号 并进行必要的信号反馈控制、 补偿、 量化、 编码压缩以及数据实时存储的器件和系统 所敏感的信号主要包括 加速度、 角加 速度、 位移、 角速度 等
光纤陀螺仪基本原理
微型惯性测量系统
• MEMS惯性器件与系统、 微型惯性测量 组合等 这些提法各有侧重 但其本质基本相 同 是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、 特征 尺寸至微米级、 具有将惯 性参量及其辅助参量转换成电信号 并进行必要的信号反馈控制、 补偿、 量化、 编 码压缩以及数据实时存储的器件和系统 所敏感的信号主要包括 加速度、 角加速度、 位移、 角速度 等
MEMS技术
• 微电子机械系统 , 它属于多学科交叉的新领域 , 是融合 微电子与精密机械加工的 技术 , 指毫米级下的可控制 、 可移动微型机电装置 。 是集微型机构 、传感器信号 处 理 、控制等功能于一体的 、具有信息获取 、处理和执行 等多功能的系统
《陀螺》PPT课件
对未来陀螺技术的展望
微型化与集成化
预测未来陀螺仪将朝着微型化 和集成化方向发展，实现更高
的测量精度和更小的体积。
智能化与自主化
探讨将人工智能和机器学习技 术应用于陀螺仪的可能性，实 现陀螺仪的智能化和自主化。
新原理与新技术
展望可能出现的新型陀螺仪原 理和技术，如基于量子物理、 生物仿生等前沿领域的陀螺仪 技术。
用要求。
质量控制
在装配和调试过程中进行严格的 质量控制，确保陀螺的质量和可
靠性。
04
陀螺的应用领域
航天航空领域
姿态控制
陀螺仪在航天器姿态控制系统中起到关键作用，通过测量航天器 的角速度，实现对航天器姿态的精确控制。
导航定位
陀螺仪与加速度计等传感器组合，可构成惯性导航系统，为航天 器提供自主导航和定位能力。
稳定平台
在航空摄影、遥感等领域，陀螺仪可用于稳定平台，确保高精度 成像和测量。
军事领域
导弹制导
陀螺仪在导弹制导系统中扮演重要角色，通过测量导弹的角速度和 加速度，实现导弹的精确制导。
坦克稳定
在坦克等装甲车辆中，陀螺仪可用于火炮稳定和瞄准系统，提高射 击精度。
无人机控制
陀螺仪可用于无人机的姿态控制和导航系统，确保无人机在复杂环境 下的稳定飞行。
进动角速度
与外力矩大小、陀螺转动惯量及自 转角速度有关。
陀螺的定轴性
定义
01
当陀螺在不受外力矩作用时，其自转轴将保持指向空间某一固
定方向，即具有定轴性。
定轴稳定性
02
Байду номын сангаас
陀螺的定轴稳定性与其转动惯量、自转角速度及所受干扰力矩
的大小有关。
地球自转对陀螺定轴性的影响
光纤陀螺仪-光纤一组
光纤陀螺仪研制状况
我国国内目前光纤陀螺研制状况：
据不完全统计，国内从事光纤陀螺研究的研究所、院校、 民营单位共有几十家，其中比较著名的有：
航天时代电子公司
航天三院三十三所
北京航空航天大学 哈尔滨工程大学
浙江大学、清华大学
兵器205所 船舶707所
航天工业总公司所属13所和上海803所、航空618所
谐振腔光纤陀螺结构图
谐振腔光纤陀螺 ( R— FOG)
与 I—FOG相比，R— FOG具有以下特点： 光纤长度短 ，降低了成本； 采用高相干光源，波长稳定性高； 检测精度高，动态范围大。
注意：R-FOG
研究起步较晚，且对光源要求十分苛刻，所以目前R-FOG
还处于实验室研究阶段，但是和I-FOG相比有上述优势，因此各国都投 入大量人力对其进行研究，相信在不久的将来，R-FOG一定可以在惯性 导航与制导等诸多领域得到广泛应用。
光纤陀螺仪的应用
战术导弹制导
B
陆地交通导航
A
fibre optic gyroscope
C
航天器姿态调整
精密航天器应用
E
D
卫星定位
光纤陀螺仪的应用（国外）
光纤陀螺仪的应用
光纤陀螺仪的应用状况
1.战略导弹系统和潜艇导航应用； 2.卫星定向和跟踪； 3.战术武器制导与控制系统； 4.各种运载火箭应用； 5.姿态／航向基准系统； 6.舰船、导弹和军民用飞机的惯性导航； 7.陆地导航系统(+GPS)； 8.天体观测望远镜的稳定和调向； 9.汽车导航仪、天线／摄像机的稳定、石 油钻井定向、机器人控制、各种极限作业 的控制置等工业和民用领域。
由于受萨格奈克效应的影响，顺、逆时针的两束布里渊散射光的频差与旋转 角速度成正比。 检测顺、逆时针方向光波产生的散射光的频率，并进行拍频处理，就可以得 到光纤环的旋转角速度。 由于这种光纤陀螺能直接给出频率输出，所以适合于捷联惯性导航系统，它 是随着光纤式光源的发展而出现的一种新型光纤陀螺。
陀螺仪工作基本原理 管线探测
陀螺仪工作基本原理管线探测陀螺仪是一种用于测量和监测物体角速度的设备，其基本原理是基于角动量守恒定律和陀螺效应。
在管线探测领域中，陀螺仪可以被用来监测管道的位置、方向和移动状态，以帮助管理和维护管道系统。
本文将介绍陀螺仪的工作原理、在管线探测中的应用以及相关的技术发展和挑战。
一、陀螺仪工作原理1.角动量守恒定律陀螺仪的工作原理基于角动量守恒定律，即一个旋转的物体在没有外力作用下，角动量要恒定不变。
当陀螺仪旋转时，由于角动量守恒定律的作用，其转动轴会维持在一个固定的方向上，这使得陀螺仪可以用于测量物体的旋转状态。
2.陀螺效应陀螺效应是指当一个旋转的物体在受到外力作用时，会产生一个与外力垂直的附加力。
在陀螺仪中，当其转动轴受到外力作用时，会产生陀螺效应，使得陀螺仪产生一个与外力垂直的力，从而可以反映出外力作用的方向和大小。
综合以上两点，陀螺仪可以通过测量其旋转轴的角速度变化来确定物体的旋转状态，同时利用陀螺效应可以判断外力的作用方向和大小，从而实现对物体的旋转状态的监测和测量。
二、陀螺仪在管线探测中的应用1.定位与导航陀螺仪可以被用于管线探测中的定位与导航任务。
通过安装陀螺仪在探测器设备中，可以实时监测管道的位置、方向和移动状态，从而帮助管理人员更准确地掌握管线的位置信息，避免管道破损和泄漏等安全隐患。
2.弯曲监测在管线系统中，管道的弯曲状态是很常见的，然而弯曲程度过大会对管道系统的稳定性和可靠性造成不利影响。
通过安装陀螺仪设备可以实时监测管道的弯曲程度和变化趋势，及时发现并处理管道变形问题，预防管道破损和漏水等安全风险。
3.地下管线探测地下管线探测是管道管理中的一项重要任务，而陀螺仪可以作为一种高精度的地下管线探测工具。
通过安装陀螺仪设备在地下管线探测器中，可以提高地下管线的探测精度，减少误差和漏测情况，为地下管线的检测和排查提供技术支持。
以上介绍了陀螺仪在管线探测中的应用，可以看出陀螺仪在管线探测中具有重要的作用和意义，可以提高管线的安全性和可靠性。
光学陀螺的基础介绍
1. 光学陀螺的发展概况惯性技术是惯性导航与惯性制导、惯性仪表、惯性测量以及相关测试设备和装置技术的总称。
它是一种利用惯性原理或其他有关原理，自主地测量和控制运载体角运动及线运动参数的工程技术。
惯性技术是完全自主式的测量方法，它不依赖光线、电磁波、声音、磁场等外部信息来测量运载体的线运动和角运动参数。
因此惯性技术被广泛应用于国防高科技、航天科技、飞机、船舶与海洋科技领域。
随着惯性技术的不断发展，它的应用领域延伸到现代化交通运输、海洋开发、大地测量与勘探、石油钻井、矿井、隧道的掘进与贯通、机器人控制、现代化医疗器械、摄影技术以及森林防护、农业播种、施肥等民用领域。
因而得到了世界上技术先进国家的普遍重视。
美、英、法、德、日和前苏联都投入了相当大的力量从事惯性技术及其相关装置的研究。
目前，高精度、高可*性、低成本、小型化、数字化成为了惯性技术领域发展的方向。
激光陀螺、光纤陀螺（合称光学陀螺）的出现与发展是惯性技术朝此方向迈进不可缺少的的因素。
2. 激光陀螺和光纤陀螺的发展概况以一个没有活动部件的陀螺取代机械转子陀螺一直是非常具有吸引力的。
1962年，Rosenthal 提出了环形激光腔体（Ring Laser Cavity）的建议，在闭合谐振回路中反向传播的两束光波可以循环往复多次，这样就可以增加灵敏度。
1963年，Macek和Davis第一次证明了这一构想。
1966年，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司采用石英作为环形激光陀螺的腔体，并使用机械振动偏频法来克服激光陀螺的闭锁效应，这项技术的研制成功，使得激光陀螺的适用性成为可能。
1975年和1976年激光陀螺分别在战术飞机和导弹上试验成功。
80年代初，由激光陀螺构成的捷联式惯性导航系统先后被波音747客机和F－20战斗机采用，这标志着激光陀螺开始进入了工程实用阶段。
目前，激光陀螺的漂移最低可达，已能满足先进飞机导航定位精度为的要求。
经过20多年曲折历程才得以研制成功的激光陀螺极大地推动了捷联导航系统的发展。
陀螺仪技术进展及其在导航和航空领域中的应用
陀螺仪技术进展及其在导航和航空领域中的应用引言：导航和航空领域中，陀螺仪技术扮演着重要角色。
陀螺仪以其高精度和高鲁棒性，成为现代航空器和导航系统中不可或缺的组成部分。
随着技术的进步，陀螺仪技术不断发展，其应用领域也在不断扩大。
本文将探讨陀螺仪技术的进展，并详细介绍它在导航和航空领域中的应用。
一、陀螺仪技术的进展陀螺仪技术是基于陀螺效应的原理而实现的一种测量仪器。
它可以检测和测量物体的旋转和角度变化，并将这些信息转化为电信号输出。
随着科技的不断进步，陀螺仪技术也在不断发展。
1. 光纤陀螺仪光纤陀螺仪是一种基于光纤干涉原理的陀螺仪。
它通过测量光束在光纤中传输时的干涉效应，来确定物体的旋转角度。
光纤陀螺仪具有高精度、快速响应和较长寿命等优势，被广泛应用于航空、导航以及地震监测等领域。
2. MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪是一种微型化的陀螺仪，采用微电子机械系统（MEMS）技术制造。
它具有体积小、重量轻、功耗低的特点，适用于嵌入式设备和消费电子产品。
然而，由于其精度相对较低，主要用于一些对精度要求不高的应用场景。
3. 激光陀螺仪激光陀螺仪利用激光和干涉原理，测量物体旋转产生的角位移。
相比于传统的机械陀螺仪，激光陀螺仪具有更高的精度和更长的工作寿命。
它被广泛应用于航空导航、船舶定位和无人车辆等领域。
二、陀螺仪在导航中的应用导航系统中的陀螺仪主要用于测量车辆、船舶、飞机等运动物体的姿态和方位。
通过与其他传感器（如加速度计）组合使用，陀螺仪可以提供更准确的导航信息。
1. 惯导系统惯性导航系统是一种不依赖外部参考物的导航系统。
它通过陀螺仪和加速度计等传感器，测量和计算物体的位置、速度和姿态。
惯导系统广泛应用于航空、航海和导弹等领域，能够在无法接收卫星信号的环境下提供可靠的导航解决方案。
2. 电子稳定平台电子稳定平台是一种利用陀螺仪技术来稳定摄像机或传感器的装置。
它可以通过实时测量物体的角度变化，并根据这些数据来控制摄像机或传感器的姿态，使其始终保持水平或指定的角度。
2024年度-20陀螺课件(共33张PPT)pptx
MEMS技术发展趋势
随着MEMS技术的不断发展，其应用领域不断拓展，同时向着更高性能、更低功 耗、更小体积的方向发展。
5
陀螺发展历程及现状
发展历程
从最早的机械陀螺到现代的光学陀螺和微机械陀螺，陀螺技术经历了不断的发 展和创新。
现状
目前，光学陀螺和微机械陀螺已成为主流，具有高精度、高可靠性、小型化等 优点。同时，随着人工智能、物联网等技术的发展，陀螺的应用领域也在不断 扩展。
6
02 陀螺仪结构与工 作原理 7
陀螺仪基本结构组成
手段提高陀螺仪的测量精度和稳定性。
10
03 光学陀螺技术及 应用 11
光学陀螺概述及分类
01
02
03
光学陀螺定义
利用光学原理测量角速度 的装置。
光学陀螺分类
根据测量原理不同，可分 为干涉式、谐振式和受激 布里渊散射式等。
光学陀螺应用领域
航空、航天、航海、兵器 等领域中的导航、制导和 控制等。
12
的需求。
22
06 未来发展趋势与 挑战 23
新型陀螺技术研究方向
光学陀螺技术
利用光学原理，研究高精 度、高稳定性的光学陀螺 ，提高测量精度和抗干扰 能力。
微机电陀螺技术
通过微纳加工技术，制造 微型化、低功耗的陀螺仪 ，满足便携式设备和微型 飞行器等领域的需求。
原子陀螺技术
基于原子干涉原理，研究 高灵敏度、高分辨率的原 子陀螺，为高精度导航和 定位提供技术支持。
利用光学谐振腔的旋转多普勒效应，通过测量谐振腔中顺时针和 逆时针传播的两束光的频率差来检测角速度。
陀螺仪概述
4.1 陀螺仪概述鱼雷控制系统的任务是根据战术指标对鱼雷的运动参数加以控制，使其按所要求的规律进行变化。
要实现对精度控制，就需要对鱼雷运动参数进行高精度的完整测量，因此对鱼雷运动参数的测量就成了实现与控制的前提件的作用就是对鱼雷的运动参数进行测量。
通常用航向陀螺测量航向角ψ，用垂直陀螺或摆式加速度计测量水平用单自由度速率陀螺测量，用压力传感器测量深度。
基于惯性敏感元件和实时计算技术的捷联式惯提供包括速度和位置信息在内的完整的鱼雷运动参数，是惯性技术在鱼雷上应用的新发展。
本章以陀螺仪为主，和惯性导航技术的基本概念，惯性敏感元件和压力传感器的原理，以及这些敏感元件在鱼雷上的应用技术。
4-1 陀螺仪概述所谓陀螺，从力学的角度讲是指绕自己的对称轴高速旋转的对称物体。
一个高速旋转的物体具有很大的角动现出出乎人们预料的，也是十分有趣的运动现象。
这些特性被人们用来感测角运动，则产生了陀螺仪这种装置。
供实用的陀螺仪，人们进行了长期探索，使陀螺仪技术不断发展，应用领域也愈来愈广。
今天，陀螺技术已发展成一个综合性的尖端领域，陀螺仪的精度有了极大的提高，除了传统的框架支承转子出现了许多新型陀螺，如液浮陀螺、静电陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。
以陀螺为核心的稳定平台和迅速广泛应用。
鱼雷控制是最早实现陀螺仪工程应用的领域之一。
早在1879年，鱼雷发展的初期，俄国科学家阿·什帕科夫用陀螺仪来控制鱼雷运动方向的设想。
但由于当时技术水平的局限，直到1894年才出现了第一种实用的工程方压缩弹簧驱动的陀螺仪，由于能量的限制，这种陀螺仪只能稳定地工作3～。
在发明了气动陀螺仪之后，向控制趋于成熟。
现代鱼雷的大航程、高机动性和精确制导技术的发展给陀螺仪技术提供了一个前景广阔的应用领域。
现代鱼向要用陀螺测量外，制导精度的要求使得必须对鱼雷的横滚和俯仰角加以控制，因此需采用垂直陀螺或加速度计角。
为了改善控制系统的稳定性和动态性能，通常采用了单自由度速率陀螺仪引入角速率反馈。
一种高性能的硅微谐振陀螺
受到外加角速度时 ， 外质量块会产生科 氏力 ， 该科氏力通过折
叠梁传入 内质量块 ， 然后被杠杆机构放大作用 于 Ｄ Ｔ Ｅ Ｆ一端 ，
从 而改变 Ｄ Ｔ Ｅ Ｆ的固有频率 。因此 ， 通过解调正弦输出频率 ， 可以得到外界输入 的角速度 。
收 稿 日期 ：０ ８０ —４ 修 订 日期 ：０ ８０ —０ ２ ０ —７ １ ； ２ ０ —８３
ｄ ・Ｖ ｓ （ ｏ ０ ｉ ∞ ＋ ） ｎ
（） １
其 中， Ⅳ为驱动 梳齿 的对 数 ， ｈ和 ｇ分 别 为梳 齿 的厚度 和 间
基金项 目： 国家 ８ ３资助项 目（０ ６ Ａ ４ ３ ４ ６ ２０Ａ ０Ｚ ６）
作者简介 ： 王路 达（ ９ ５ ， ， １８ 一） 男 硕士 ， 究方 向为 ＭＥ 研 ＭＳ传感 器及 系 统 ； 尚春 （ ９ ２一） 男 ， 樊 １６ ， 教授 ， 导 ， 博 研究 方 向为
ＭＥＭＳ 传感 器及系统 。
３ ８ 隙，
微 细 加 工 技 术
２ ０ 钜 ０８
和 。是驱动电压 的直流和交流分量 的有效值 ， ０ ｏ 是 ９
外 质量块的驱动力可 以描述 为 ：
Ｆ ＝Ⅳ ・ ￡・
６
陀螺结构 如图 １ 所示 ， 主要组成 部分 为 ： 其 内外 质量 块 、 支撑梁 、 折叠梁 、 杠杆 放大 机构 、 Ｄ Ｔ 、 量块 驱 动梳 齿 、 双 Ｅ Ｆ质 ＤＴ Ｅ Ｆ驱动和检 测梳 齿 。该 陀螺 的工作 原理 是 ： 外质 量块 通
支 撑
的惯性 鼠标 以及 军事 等领域… 目前 ， １。 世界上许多研究 单位 、
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几种新型陀螺简介何传五北京控制工程研究所,北京100080摘 要 随着航空航天技术的发展,对惯性测量装置提出了更多的要求。
利用不同原理研制成的陀螺在各种领域均有不同应用。
本文仅就微机械陀螺、半球谐振陀螺、挠性陀螺、光纤陀螺的原理、结构及特性作一简介。
主题词 陀螺仪 3微机械陀螺 3半球谐振陀螺 动力调谐陀螺仪 纤维光学陀螺仪Brief I ntroduction to Several G yrosHe ChuanwuBeijing Institute of C ontrol Engineering,Beijing100080Abstract More and more requirements for the inertial measurement units are presented withdovelopment o f the aerospace technology.Several gyros developed by different concepts are po-ssessed o f different application areas in aerospace.In the paper the operating principle,struc2ture and characteistics only for micromechanical gyro,hemispherical resonator gyro,dynami2cally tuned gyro and fiber2optic gyro are introduced briefly.Subject terms Gyroscope 3Micromechamical gyro 3Hemispherical resonator gyroDynamically tuned gyro Fiber optic gyroscope1 微机械陀螺微机械陀螺是微电子与微机械组结合的微型振动陀螺。
两种典型的结构形式如图1所示。
图1(a)为音叉结构,呈H形,音叉振动。
当有角速度输入时,将产生哥氏力而形成绕挠性轴振动的力矩,振动幅度与输入角速度成正比。
它采用压电石英晶体并由光刻和化学蚀刻而成,然后再用激光刻修调整平衡。
图1(b)为框架式结构,它由内框架和外框架组成,二者相互正交,均为挠性轴。
检测质量固定在内框架上。
检测质量绕驱动轴振动,由于振动角很小,故检测质量点的振收稿日期 2000年10月8日动可认为是沿输出轴的线振动。
当有角速度输入时,在检测质量上质点作用着哥氏力,产生绕输出轴的力矩,使其绕输出轴振动。
测量电容差值的变化,处理后获得正比于输入角速度的输出电压信号。
陀螺仪框架是在单晶硅上进行化学蚀刻而制成的,通过可选择的硼掺杂和非均质腐蚀获得所需的几何形状。
检测质量由金块加工而成,以减小体积、提高质量,使哥氏力加大。
激振电极和读取电极均由玻璃表面金属化制成。
与各电机相对的硅制框架表面也需进行金属化处理,以起到极板作用。
电极与框架间的相对位置则由装配夹具来保证。
图1 微型振动陀螺仪的结构形式(a)音叉式 (b)框架式2 半球谐振陀螺211 工作原理及结构半球谐振陀螺的基本原理也是基于哥氏加速度产生哥氏力,但由于它是杯形,因而表现形式不一样。
图2是此陀螺的结构示意图。
它由半球谐振子、力发生器和传感器组成。
半球谐振子是陀螺的主体,它采用熔凝石英,以获得稳定的固有振动频率。
直径一般为15～60mm,壁厚一般为013～1mm。
在半球壳开口端边缘的圆周上开有许多小槽,小槽数目是偶数;用精确修正槽口的办法调整振子的动平衡,使其在各个方向具有等幅振动。
半球壳的内、外球表面均要进行金属化处理,再镀上一层铬或金,分别作为传感器和力发生器的极板。
振动频率是谐振子的固有频率,一般为2～10kH z,振动波形通常为四波节振型。
力发生器由环形力发生器和离散力发生器组成。
环形力发生器使谐振子始终处于谐振状态。
离散力发生器使谐振子开口端形成精确的振动波形。
一般设置16个电极,控制回路对振子加力也通过离散力发生器进行。
传感器用来检测振动波形相对基座偏转角的输出部分,一般设置8个电极。
半球谐振陀螺主要部件的基体均由熔融石英制成,在各部件上均加工有精密的配合表面,并用铟焊接后再装在金属壳体内。
仪表内部抽成真空。
假设振子的振型为4波节振型,如图3所示。
当基座绕谐振子中心轴以角速度ω转动并转过<角时,4波节振型将相对基座偏转ψ角。
测量ψ角大小就可测出输入角度。
212 工作模式及传递函数陀螺工作有两种模式,全角式和力反馈式。
图3是全角式,对于半球谐振陀螺ψ=013<。
图2 半球谐振陀螺的结构组成图3 基座转动时振型的偏转由于有四个波节振型,陀螺传感器输出的角度信号是2ψ,因而全角式的传递函数如图4所示。
G out =2K b sΩin 是速度积分状态。
力反馈式工作模式的传递函数如图5所示。
G out =2K b s +2K b K Ωin ,稳态时G out =1KΩin ,此时陀螺工作在速率状态。
213 半球谐振陀螺特点半球谐振陀螺在70年代后期美国开始研制,至今有HRG 130和HRG 115几种形式。
特别是HRG158和HRG130目前已广泛应用。
如用于利顿导航系统,哈勃天文望远镜等。
特别是马丁公司为中国生产的中卫1号卫星,其中陀螺为HRG。
俄罗斯也很注意发展,但现在未见实际应用。
由于HRG具有许多特性,因而在航天应用方面极具潜力。
(1)工作精度较高工作精度较高,常值漂移和随机漂移均较小。
谐振子的进动由哥氏力引起,但哥氏力使谐振子进动必须克服材料内阻尼、弹性迟滞和弹性后效。
由于选熔融石英为材料,这些影响均很小,因此很小的哥氏力也就是很小的输入角速度就可使其进动。
中卫1号卫星所用HRG130,其分辨率为0105(°)/h。
15年内标度系数稳定性为250PPM,常值漂移011 (°)/h。
(2)仪表性能稳定因为材料性能稳定保证了陀螺的性能稳定性。
中卫1号用的HRG,其16h漂移稳定性010063(°)/h(p-p值),输入轴对准稳定性20(″)。
(3)结构简单无转动部件,不存在磨损问题,因而可靠性极高,使用寿命极长,一般都在15年以上。
一般认为HRG寿命取决于相配套的电子器件的寿命。
中卫1号卫星寿命15年,因HRG寿命长,用4个陀螺15年连续工作且精度高,因此以陀螺为主,其它敏感器为辅。
(4)无需加热无需加热,启动时间短,且重复性好。
(5)最高速度不受限制只要输出部分设计合理,最高速度不受限制,且工作频带宽。
(6)承受过载能力大能承受大的过载,能承受3000g的加速度。
(7)低的敏感度对振动、温度和磁的敏感性较低。
(8)抗辐射能力强(9)时间常数大由于时间常数大,衰减很慢,能承受电源中断的影响,中断后仍能恢复正常工作。
(10)体积小、重量轻中卫1号的I M U由4个HRG和2个加速度计组成,重量只有511kg(包括电路、两组电源、两个中央处理器),体积Φmax45172×h max5018。
(11)功耗小中卫1号的I M U全部功耗仅20W。
3 挠性陀螺311 结构挠性陀螺结构如图6所示。
主要有转子、平衡环、扭杆、驱动轴及力矩器、信号器、图6 挠性陀螺的典型结构图7 挠性陀螺驱动电机等部件组成。
电机驱动平衡环和转子一起旋转。
在平衡环与转子之间,驱动轴和平衡环之间均为扭杆连接。
由于扭杆的刚度调整到与转子形成的陀螺力矩相平衡,在无力反馈的状态下,陀螺呈双轴自由陀螺状态。
312 工作原理为了说明挠性陀螺的原理,我们采用图7来说明。
取坐标系OXY Z 固连在壳体上,不随转子旋转,使OZ 轴与驱动轴重合。
取oxyz 固连在框架上,oz 轴可随转子旋转,使ox 轴与内半轴重合,oy 轴与外半轴重合。
取ox 轴和OX 轴重合的瞬间作为零点。
当驱动轴由于外壳的转动相对于OZ 轴转过一小角度α时,由于陀螺定轴性,转子将保持自旋轴oz 方向不变。
框架(平衡环)必须绕内半轴(ox 方向)振动,振动角度β与角度α有以下关系,即β=αcos Ωt 。
驱动角速度Ω在OXY Z 坐标系三个轴上的投影分别为ωx =-αΩsin Ωt ωy =Ωsin β=αΩcos Ωtωz =Ωcosβ≈Ω 设平衡环绕三个轴的转动惯量分别为a ,b ,c 。
绕三个轴的角动量分别为H x=-aαΩsinΩt H y=bαΩcosΩtH z=cΩ 根据动量矩定理:d Hd t=9 H9t+ω× H,作用于平衡环上的沿ox轴的陀螺力矩分量为(以 H=H x i+H y j+H z k和 ω=ωx i+ωy j+ωz k计算)M x=-(a+b-c)αΩ2cosΩt 而作用于转子上的力矩为-M x。
将这个力矩投影到固定坐标系OXY Z中得出M x=-M x cosΩt=12(a+b-c)αΩ2+12(a+b-c)αΩ2cos2Ωt 也就是说,当转子相对于驱动轴有一偏转角α时,将引起一反弹簧力矩,它与α同号,使α增大。
由于挠性陀螺有内、外扭杆,它可抵消这个正弹簧力矩。
此时取M dc=-12(K x+K y)-(a+b-c)Ω2α=0其中K x、K y为沿ox和oy轴扭杆的弹簧刚度。
令K=12(K x+K y)=12(a+b-c)Ω2Ω=2Ka+b-c图8 圆形环路萨格奈克干涉仪 即在转子转速满足上式时,转子成为无约束,为自由陀螺状态。
但在实际工程应用中Ω是固定的,而是改变惯量使之满足上式。
4 光纤陀螺411 光纤陀螺仪的工作原理光纤陀螺仪的工作原理如图8(a)所示。
该干涉仪由光源、分束板、反射镜和光纤环组成。
光在A点入射,并被分束板分成等强的两束。
反射光a进入光纤环沿着圆形环路逆时针方向传播。
投射光b被反射镜反射回来后又被分束板反射,进入光纤环沿着圆形环路顺时针方向传播。
这两束光绕行一周后,又在分束板汇合。
先不考虑光纤芯层的折射率的影响,认为光在折射率为1的媒质中传播。
当干涉仪相对惯性空间无旋转时,相反方向传播的两束光绕行一周的光程相等,等于周长L a=L b=2πR=l 绕行时间也相等,用l除以光束ct a=t b=lc=2πRc 当干涉仪绕着与光路平面相垂直的轴以角速度ω相对惯性空间旋转时,由于光纤环和分束板均随之转动,相反方向传播的两束光绕行一周的光程就不相等,时间也不相等。
反射光a 绕行一周的时间为t a ,当它绕行一周再次到达分束板时多走了Rωt a 一段距离,实际光程L a :L a =2πR +Rωt a t a =L a c =2πR +R ωt a ct a =2πRc -R ω 投射光b 绕行一周的时间为t ,绕行一周少走Rωt b ,实际光程L b :L b =2πR -Rωt b 同样t b =2πR c +Rω时间差Δt =t a -t b =4πR 2c 2-(R ω)2ω∵c 2µ(Rω)2∴Δt =4πR 2c 2ω光程差ΔL =c Δt =4πR 2c ω这表示有角速度时,两束光的光程差ΔL 与输入角速度ω成正比。