陀螺儀的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀的文獻綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上陀螺儀的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀的文獻綜述摘要概述了陀螺的發(fā)展情況，論述了光纖、靜電陀螺等幾種現(xiàn)代陀螺的基本原理、分類以及其中一些國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞光纖陀螺 靜電陀螺 激光陀螺 振動陀螺作者簡介：男，北京航空航天大學(xué)，本科生專心-專注-專業(yè)1.陀螺的發(fā)展簡史陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來，陀螺已有近100年的發(fā)展史，發(fā)展過程大致分為4個階段:第一階段是滾珠軸承支承陀螺馬達和框架的陀螺；第二階段是20世紀(jì)40年代末到50年代初發(fā)展起來的液浮和氣浮陀螺；第三階段是20世紀(jì)60年

2、代以后發(fā)展起來的干式動力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺；目前陀螺的發(fā)展已進入第四個階段，即靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和振動陀螺。2.光纖陀螺光纖陀螺(FOG)是一種利用薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)測量旋轉(zhuǎn)角速率的新型全固態(tài)慣性儀表。自從1976年Vali和Shoahil首次提出光纖陀螺的概念以來，引起了國內(nèi)外人們極大的重視和強烈的興趣，由于光纖陀螺與機電陀螺或激光陀螺相比有一系列優(yōu)點，諸如體積小，質(zhì)量輕，成本低等，特別引起海、陸、空三軍的高度重視。在這短短的20多年里，光纖陀螺得到了很大的發(fā)展。國外中、低精度光纖陀螺已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，高精度的光纖陀螺的開發(fā)和研制也正逐步走向成熟。美國Honeywell公司的保

3、偏型光纖陀螺的零偏穩(wěn)定性已經(jīng)達到000038°h，是目前報道的最高精度的光纖陀螺，擬用于潛艇導(dǎo)航或深層空間飛行器。光纖陀螺現(xiàn)已在航空航天、武器導(dǎo)航、機器人控制、石油鉆井及雷達等領(lǐng)域獲得了較為廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)光纖陀螺儀研制水平已接近慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的中、低精度要求，但大多數(shù)未到工程實用階段，也沒有可靠性數(shù)據(jù)。光纖陀螺儀屬于所謂“敏感技術(shù)”，在目前復(fù)雜的技術(shù)環(huán)境中，很難從他人那里得到更多的借鑒和參考，只有靠我們自力更生走符合。光纖陀螺采用的是Sagnac干涉原理，用光纖繞成環(huán)形光路并檢測出隨轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)的兩路激光束之間的相位差，由此計算出旋轉(zhuǎn)的角速度。光纖陀螺就原理與結(jié)構(gòu)而言，可以將

4、其分為干涉式光纖陀螺、諧振腔光纖陀螺、布里淵光纖陀螺、鎖定模式光纖陀螺及Fabry2Perot光纖陀螺等5種；從檢測相位的方法看，也可將其分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺兩類；從其構(gòu)成方式，可分為相位差偏置式光纖陀螺、光外差式光纖陀螺及延時調(diào)制式光纖陀螺等等。3.靜電陀螺在宇宙航行中，對陀螺儀的精度要求很高，漂移誤差約為0.001(°)/h，或更高。靜電陀螺儀是能滿足這種要求的陀螺儀之一。靜電陀螺儀是利用靜電引力使金屬球形轉(zhuǎn)子懸浮起來，是自由轉(zhuǎn)子陀螺。其基本結(jié)構(gòu)是一只金屬球形轉(zhuǎn)子，加上兩只碗形電極殼體，殼體外為陶瓷，內(nèi)壁上固定6只金屬電極，將球形轉(zhuǎn)子放在對稱密封殼體內(nèi)而形成陀螺組件。如

5、圖2所示。圖1靜電陀螺儀結(jié)構(gòu)圖給電極充電后，只要沿空間相互垂直三個方向的靜電引力的合力，能與轉(zhuǎn)子本身的重力和慣性力相平衡，轉(zhuǎn)子就能浮起來。靜電懸浮必須在超真空(1.33×1010Pa)環(huán)境下才有可能實現(xiàn)，否則會擊穿放電，破壞靜電支承力。超真空使氣體阻力矩減小到最低限度，這樣起動后就能靠慣性長期運轉(zhuǎn)下去，可以運轉(zhuǎn)數(shù)月，甚至數(shù)年。靜電陀螺的支承系統(tǒng)可以給出轉(zhuǎn)子相對殼體的位移信號，這就有可能使陀螺兼起3個方向加速度計的作用，靈敏度為10g10g，這種多功能陀螺，只有靜電陀螺才能實現(xiàn)。4.激光陀螺激光陀螺實際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉(zhuǎn)的機械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術(shù)測量物體相對于慣性空間的

6、角速度，具有速率陀螺儀的功能。激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作是：用熱膨脹系數(shù)極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氦氖氣，并裝設(shè)電極，形成激光發(fā)生器。激光發(fā)生器產(chǎn)生兩束射向相反的激光。當(dāng)環(huán)形激光器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差（頻差）為零，干涉條紋為零。當(dāng)環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉(zhuǎn)動時，與轉(zhuǎn)動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現(xiàn)頻差，形成干涉條紋。單位時間的干涉條紋數(shù)正比于轉(zhuǎn)動角速度。激光陀螺的漂移率低達0.10.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在

7、飛行器的慣性導(dǎo)航中得到應(yīng)用，是很有發(fā)展前途的新型陀螺儀。圖2激光陀螺結(jié)構(gòu)圖1962年，美、英、法、前蘇聯(lián)開始研制用激光來作為方位測向器，稱之為激光陀螺儀，其原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度(Sagnac效應(yīng))。目前世界上研制和生產(chǎn)激光陀螺及其系統(tǒng)的主要國家有美、英、德、法、日本和俄羅斯，其中美國和法國研制的水平最高，激光陀螺技術(shù)發(fā)展很成熟，并形成了二頻機抖、四頻差動、空間三軸、塞曼陀螺等不同類型的系列產(chǎn)品，目前已經(jīng)達到最高水平的零漂值為000015°h，輸入速率動態(tài)范圍±1500°s，使用壽命20萬小時以上，輸入軸對準(zhǔn)穩(wěn)定度達到微弧量級。圖3 激光陀螺實用產(chǎn)品精度

8、性能5.振動陀螺機械陀螺儀微機械陀螺儀屬于微電子機械范疇，是一種振動式角速率傳感器，它按所用材料分為石英和硅振動粱兩類。硅微機械陀螺儀的結(jié)構(gòu)常采用振梁結(jié)構(gòu)、雙框架結(jié)構(gòu)、平面對稱結(jié)構(gòu)、橫向音叉結(jié)構(gòu)、梳狀音叉結(jié)構(gòu)、梁島結(jié)構(gòu)等，用來產(chǎn)生參考振動的驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動和電磁驅(qū)動等，而檢測由科氏力帶來的附加振動的檢測方式有電容檢測、壓電檢測、壓阻檢測等。光學(xué)檢測也可用，但由于成本太高，因而沒有太大的適用價值。微機械陀螺儀根據(jù)驅(qū)動與檢測方式分為四種：靜電驅(qū)動，電容檢測；電磁驅(qū)動，電容檢測；電磁驅(qū)動，壓阻檢測；壓電驅(qū)動，電容檢測。其中靜電驅(qū)動、電容檢測的陀螺儀設(shè)計最為常見，并已有部分產(chǎn)品已研制成功。

9、就目前已研制成功的微機械陀螺儀來說，其結(jié)構(gòu)有以下兩種：音叉式結(jié)構(gòu)，它利剛線振動來產(chǎn)生陀螺效應(yīng)：雙框架結(jié)構(gòu)，它利用角振動來產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。雙框架角振動微機械陀螺儀研制較早，雖制作工藝簡單，但音義式線振動微機械陀螺儀的靈敏度優(yōu)于雙框架角振動微機械陀螺儀。據(jù)了解我國某些機構(gòu)對雙框架陀螺儀的研究已有一定成果，并對其靈敏度不高這一缺點在陀螺儀結(jié)構(gòu)上進行了改進。美國德雷珀實驗室目前已研制出兩種陀螺儀，一種是哥氏振動微機械陀螺儀(cvG)，另一種是音叉調(diào)諧微機械陀螺儀(TFG)。6.陀螺儀的發(fā)展方向和前景傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)子陀螺儀，由于其高精度和可靠性，在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，仍將獲得廣泛應(yīng)用，特別是在需要高精度的

10、場合。最近幾年，陀螺儀已經(jīng)在汽車的穩(wěn)定控制系統(tǒng)、GPS獲得越來越多的應(yīng)用。在消費電子領(lǐng)域，攝像機、數(shù)碼相機的圖像防抖也是陀螺儀很有前途的應(yīng)用。分析家預(yù)計，僅MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，微電子機械系統(tǒng))陀螺儀的市場就將從2006年的4億美元增長到2012年的12億美元。隨著工業(yè)和消費類機器人的發(fā)展，陀螺儀將有望在這兩個市場大顯身手。在自動化流水線上，陀螺儀有助于提高自動化程度。光纖陀螺發(fā)展的方向:一是向更高精度、更高可靠性的方向發(fā)展，為航天、航空、航海提供高精度的慣性元件；二是向體積小、高度集成、價格便宜、結(jié)構(gòu)更牢固的超小型化方向發(fā)展，為戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用提供堅固、廉價的慣性傳感器；三是朝多軸化方向發(fā)展。參考文獻1 梁閣亭等.陀螺儀的發(fā)展及應(yīng)用. 飛航導(dǎo)彈，2006.2劉蘭芳. 光