振動(dòng)陀螺儀概述

1、振動(dòng)陀螺儀振動(dòng)陀螺儀 概述概述 機(jī)械陀螺：基于牛頓力學(xué)原理機(jī)械陀螺：基于牛頓力學(xué)原理 轉(zhuǎn)子陀螺：三浮、靜電，轉(zhuǎn)子陀螺：三浮、靜電， 制造工藝復(fù)雜、成本高制造工藝復(fù)雜、成本高 振動(dòng)振動(dòng)陀螺：陀螺：原理原理：利用高頻振動(dòng)的質(zhì)量在被基：利用高頻振動(dòng)的質(zhì)量在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的苛氏加速度座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的苛氏加速度特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、承載能力大、性能穩(wěn)定、可靠性高、承載能力大、性能穩(wěn)定、成本低成本低發(fā)展發(fā)展：1940s-50s，美國(guó)研制音叉陀螺，美國(guó)研制音叉陀螺1960s 美國(guó)壓電振動(dòng)陀螺（通用）美國(guó)壓電振動(dòng)陀螺（通用） 1970s后，美國(guó)研制殼

2、體后，美國(guó)研制殼體諧振陀螺諧振陀螺1980s初，大規(guī)模集成電初，大規(guī)模集成電路工藝，研制微型振動(dòng)陀路工藝，研制微型振動(dòng)陀螺（螺（Sperry，Draper）精度精度：音叉、壓電、微機(jī)械：音叉、壓電、微機(jī)械：精度較低（戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、車精度較低（戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、車輛、坦克、雷達(dá)）輛、坦克、雷達(dá)）殼體諧振陀螺：精度較殼體諧振陀螺：精度較高，可達(dá)慣性級(jí)，是光學(xué)高，可達(dá)慣性級(jí)，是光學(xué)陀螺儀的競(jìng)爭(zhēng)者。陀螺儀的競(jìng)爭(zhēng)者。 音叉振動(dòng)陀螺音叉振動(dòng)陀螺 基本原理、結(jié)構(gòu)基本原理、結(jié)構(gòu)基本原理基本原理：利用音叉：利用音叉(Sonic Prong)端部端部的振動(dòng)質(zhì)量被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的苛的振動(dòng)質(zhì)量被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的苛氏效應(yīng)來(lái)

3、敏感角速度氏效應(yīng)來(lái)敏感角速度基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：音叉的雙臂為彈性臂，音叉的雙臂為彈性臂，受激振時(shí)，音叉雙臂作對(duì)稱彎曲振蕩受激振時(shí)，音叉雙臂作對(duì)稱彎曲振蕩端部質(zhì)量作對(duì)稱直線振動(dòng)端部質(zhì)量作對(duì)稱直線振動(dòng)等幅振蕩，相位相反，頻率幾百至幾等幅振蕩，相位相反，頻率幾百至幾千赫，振幅百分之幾毫米。千赫，振幅百分之幾毫米。音叉下部通過(guò)撓性軸與基座相連。音叉下部通過(guò)撓性軸與基座相連。 音叉振動(dòng)陀螺音叉振動(dòng)陀螺 質(zhì)點(diǎn)苛氏分析質(zhì)點(diǎn)苛氏分析q音叉兩端質(zhì)量各音叉兩端質(zhì)量各 m / 2q設(shè)某瞬間二者的相向速度為設(shè)某瞬間二者的相向速度為 vq距離中心軸線瞬時(shí)距離為距離中心軸線瞬時(shí)距離為 sq基座繞中心軸以基座繞中心軸以旋轉(zhuǎn)旋

4、轉(zhuǎn) 苛氏加速度（大小和方向）苛氏加速度（大小和方向） vac2苛氏慣性力（大小和方向）苛氏慣性力（大小和方向） vmvmFc2)2/(音叉振動(dòng)陀螺音叉振動(dòng)陀螺 簡(jiǎn)化音叉模型簡(jiǎn)化音叉模型苛氏慣性力矩（大小和方向）苛氏慣性力矩（大小和方向） vsmsFTc22q如果兩端做相背運(yùn)動(dòng)，則如果兩端做相背運(yùn)動(dòng)，則相對(duì)速度相對(duì)速度v、苛氏加速度、苛氏加速度ac、慣性力慣性力Fc、力矩、力矩T都變?yōu)榉聪蚨甲優(yōu)榉聪騫整個(gè)音叉可等效成上述簡(jiǎn)整個(gè)音叉可等效成上述簡(jiǎn)化模型：質(zhì)量集中于兩端化模型：質(zhì)量集中于兩端(m/2)，初始距離，初始距離s0q質(zhì)量的振動(dòng)位移：質(zhì)量的振動(dòng)位移： txxnmsin振動(dòng)速度振動(dòng)速度 txv

5、nnmcos苛氏慣性力苛氏慣性力 tmxvmFnnmccos22音叉振動(dòng)陀螺音叉振動(dòng)陀螺 動(dòng)力方程動(dòng)力方程苛氏慣性力矩苛氏慣性力矩 tmxxssFTnnmccos)(220tTtxmsnmnnmcoscos20假設(shè)音叉對(duì)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為假設(shè)音叉對(duì)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J，阻力系數(shù)為，阻力系數(shù)為 c，扭轉(zhuǎn)剛，扭轉(zhuǎn)剛度為度為 k，音叉繞中心軸的角位移為，音叉繞中心軸的角位移為，可導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)方程，可導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)方程 tTkcJnmcos 選取選取n = 0（固有頻率）（固有頻率）有穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：有穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：tcxmsmn00sin2角位移由傳感器檢測(cè)，角位移由傳感器檢測(cè)，輸出電壓的幅值輸出電壓的幅值 Kc

6、xmskUmum02q K 輸出標(biāo)度因數(shù)輸出標(biāo)度因數(shù)q 輸入、輸出為線性關(guān)系輸入、輸出為線性關(guān)系微型振動(dòng)陀螺、壓電陀螺微型振動(dòng)陀螺、壓電陀螺微電子和微機(jī)械微電子和微機(jī)械(Micro-Mechanics)(Micro-Mechanics)結(jié)合的產(chǎn)物結(jié)合的產(chǎn)物 對(duì)壓電石英晶體光刻和化學(xué)蝕刻對(duì)壓電石英晶體光刻和化學(xué)蝕刻壓電壓電(Piezoelectricity)原理原理：正壓電效應(yīng)：晶體受外力正壓電效應(yīng)：晶體受外力產(chǎn)生形變，表面出現(xiàn)電荷產(chǎn)生形變，表面出現(xiàn)電荷逆壓電效應(yīng)：給晶體施加逆壓電效應(yīng)：給晶體施加電場(chǎng)使晶體產(chǎn)生應(yīng)力及形變電場(chǎng)使晶體產(chǎn)生應(yīng)力及形變壓電陀螺壓電陀螺 用用逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)激振，用激

7、振，用正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)讀取讀取 框架式框架式 微型振動(dòng)陀螺微型振動(dòng)陀螺 對(duì)外框架激振對(duì)外框架激振檢測(cè)質(zhì)量繞外框架軸振動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量繞外框架軸振動(dòng)線速度線速度苛氏慣苛氏慣性力性力繞內(nèi)框架軸苛氏振動(dòng)繞內(nèi)框架軸苛氏振動(dòng)讀取電極輸出讀取電極輸出 殼體諧振陀螺殼體諧振陀螺Hemispherical Resonant Gyro (HRG) 工作部件是很薄的圓口殼體，基本工作部件是很薄的圓口殼體，基本原理是振型偏轉(zhuǎn)原理是振型偏轉(zhuǎn) 緣于布里安緣于布里安 1890 年的發(fā)現(xiàn)和分析年的發(fā)現(xiàn)和分析 半球形的玻璃杯繞中心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，半球形的玻璃杯繞中心線旋轉(zhuǎn)時(shí)，杯口振動(dòng)的四波腹圖案發(fā)生偏轉(zhuǎn)杯口振動(dòng)的四波腹圖案發(fā)生偏轉(zhuǎn)

8、經(jīng)分析，該現(xiàn)象源于苛氏效應(yīng)經(jīng)分析，該現(xiàn)象源于苛氏效應(yīng) 該發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期未引起注意，直到該發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期未引起注意，直到1980年前后才被利用研制殼體諧振年前后才被利用研制殼體諧振陀螺儀。陀螺儀。 核心部分：諧振子（核心部分：諧振子（Resonator, ,一端約束一端開(kāi)口的薄壁殼體），一端約束一端開(kāi)口的薄壁殼體），半球形或圓柱形半球形或圓柱形 殼體諧振陀螺殼體諧振陀螺 分解分解 振型振型 分布圖分布圖 陀螺分解圖陀螺分解圖諧振子振型圖諧振子振型圖力發(fā)生器和傳感器分布圖力發(fā)生器和傳感器分布圖 諧振子諧振子：材料、尺寸、：材料、尺寸、連接、槽口、表面；激連接、槽口、表面；激振、四波腹振型振、四波腹振型力發(fā)生器

9、力發(fā)生器：環(huán)形、離：環(huán)形、離散；環(huán)形提供諧振所需散；環(huán)形提供諧振所需能量；離散形成振型。能量；離散形成振型。16個(gè)離散電極，激振力個(gè)離散電極，激振力分布及隨動(dòng)。分布及隨動(dòng)。傳感器傳感器：電容式、檢：電容式、檢測(cè)波形偏轉(zhuǎn)，測(cè)波形偏轉(zhuǎn)，8個(gè)電極，個(gè)電極，振型對(duì)電極輸出的影響。振型對(duì)電極輸出的影響。封裝封裝：抽真空，大時(shí)：抽真空，大時(shí)間常數(shù)間常數(shù) 殼體諧振陀螺殼體諧振陀螺 振型偏轉(zhuǎn)描述振型偏轉(zhuǎn)描述 諧振子分解：彈性質(zhì)量環(huán)諧振子分解：彈性質(zhì)量環(huán)激振、彈性變形：激振、彈性變形： 圓圓橢圓橢圓圓圓橢圓橢圓 長(zhǎng)短軸反復(fù)交替長(zhǎng)短軸反復(fù)交替 四波腹振型四波腹振型 基座轉(zhuǎn)動(dòng)后，振型相對(duì)基座有偏轉(zhuǎn)基座轉(zhuǎn)動(dòng)后，振型相

10、對(duì)基座有偏轉(zhuǎn) 振型振型(Resonance Pattern)相對(duì)慣性空相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)，比基座滯后了一個(gè)角度，間的旋轉(zhuǎn)，比基座滯后了一個(gè)角度，造成振型偏轉(zhuǎn)造成振型偏轉(zhuǎn)(Shift) K或或 dtKK 標(biāo)度因數(shù)。對(duì)于標(biāo)度因數(shù)。對(duì)于 4 波節(jié)振型，波節(jié)振型，K0.3 殼體諧振陀螺殼體諧振陀螺 振型運(yùn)動(dòng)分析振型運(yùn)動(dòng)分析波腹位置：徑向振動(dòng)波腹位置：徑向振動(dòng)波節(jié)位置：切向振動(dòng)波節(jié)位置：切向振動(dòng)其它位置：兩種振動(dòng)合成其它位置：兩種振動(dòng)合成振動(dòng)過(guò)程：振動(dòng)過(guò)程： 振型偏轉(zhuǎn)分析振型偏轉(zhuǎn)分析 圓圓橢圓橢圓1 各位置的速度各位置的速度各位置的苛氏力各位置的苛氏力質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨

11、勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)兩種趨勢(shì)的綜合兩種趨勢(shì)的綜合 振型偏轉(zhuǎn)分析振型偏轉(zhuǎn)分析 橢圓橢圓1 1圓圓各位置的速度各位置的速度各位置的苛氏力各位置的苛氏力質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)兩種趨勢(shì)的綜合兩種趨勢(shì)的綜合 振型偏轉(zhuǎn)分析振型偏轉(zhuǎn)分析 圓圓橢圓橢圓2 2各位置的速度各位置的速度各位置的苛氏力各位置的苛氏力質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)兩種趨勢(shì)的綜合兩種趨勢(shì)的綜合 振型偏轉(zhuǎn)分析振型偏轉(zhuǎn)分析 橢圓橢圓2 2 圓圓各位置的速度各位置的速度各位置的苛氏力各位置的苛氏力質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)質(zhì)量環(huán)原來(lái)形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)苛氏力產(chǎn)生形變趨勢(shì)兩種趨勢(shì)的綜合兩種趨勢(shì)的綜合 總結(jié)：每一次變形過(guò)程總結(jié)：每一次變形過(guò)程振型相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)都是振型相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)都是和基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反和基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反 K殼體諧振陀螺的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r殼體諧振陀螺的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)工作精度較高工作精度較高儀表性能穩(wěn)定儀表性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高啟動(dòng)時(shí)間短啟動(dòng)時(shí)間短工作頻帶寬（測(cè)量的最工作頻帶寬（測(cè)量的最高角速率不受限制）高角速率不受限制）承受過(guò)載能力強(qiáng)承受過(guò)載能力強(qiáng)抗輻射能力強(qiáng)抗輻射能力強(qiáng)能承受電源中斷的影響能承受電源中斷的影響體積小成本低體積小成本低 發(fā)展?fàn)顩r發(fā)展?fàn)顩r1970s