第6章 慣性元件慣性導(dǎo)航

1、慣性導(dǎo)航原理慣性導(dǎo)航原理 中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院中國民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院崔崔 銘銘26.2 6.2 激光陀螺和光纖陀螺激光陀螺和光纖陀螺6.1 6.1 液浮陀螺儀液浮陀螺儀6.3 6.3 加速度計(jì)加速度計(jì)第六章第六章 慣性元件慣性元件6.4 MEMS6.4 MEMS3 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種精密測量系統(tǒng)，包括兩種基本慣性元件即陀螺和加速度計(jì)。慣導(dǎo)中使用的陀螺要比陀螺儀表要求高。1.精度高。陀螺儀的精度指標(biāo)是漂移角速度，即正常工作時(shí)自轉(zhuǎn)軸偏離起始位置的速度。中等精度不大于0.01度/小時(shí)，常規(guī)不大于2度/小時(shí)。產(chǎn)生漂移主要原因:（1）制造工藝引起的軸承摩擦力矩；（2）重心與支點(diǎn)不重合引起的

2、不平衡力矩；（3）引線和輸電裝置的摩擦和彈性力矩等干擾力矩使 陀螺產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)造成的。電子信息工程學(xué)院42.測量范圍大。要求陀螺測量的最大角速度與最小角速度的比值大。如捷聯(lián)系統(tǒng)中，要求最大能測400度/秒，最小能測0.001度/小時(shí)，其比值高達(dá) 。而常規(guī)陀螺的測量范圍要低得多，如某速率陀螺的測量范圍為最大27度/秒，最小0.1度/秒，比值為270。3.工作角度非常小。最大工作角度為角分、角秒級，這是為了最大限度地避免交叉耦合誤差。這就對慣導(dǎo)級陀螺儀的標(biāo)度系數(shù)的線性度、穩(wěn)定度、工作環(huán)境、可靠性等要求都非常嚴(yán)格。91.4 10電子信息工程學(xué)院5l 按照自轉(zhuǎn)軸相對于殼體具有的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，按照自轉(zhuǎn)軸相對于

3、殼體具有的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可以分為可以分為二二自由度自由度/ /三三自由度陀螺。自由度陀螺。l 按照陀螺儀的轉(zhuǎn)子按照陀螺儀的轉(zhuǎn)子支撐支撐方式，可以分為方式，可以分為框架框架/ /液浮液浮/ /氣浮氣浮/ /動(dòng)調(diào)動(dòng)調(diào)/ /靜電陀螺儀等。靜電陀螺儀等。l 按照陀螺儀的按照陀螺儀的輸出輸出形式，可以分為角速形式，可以分為角速率率/ /角速率積分陀螺儀。角速率積分陀螺儀。l 按照陀螺儀的按照陀螺儀的精度精度，可以分為，可以分為慣性慣性級級（隨機(jī)漂移小于（隨機(jī)漂移小于0.010.01/h/h）/ /次次慣性級慣性級/ /常規(guī)常規(guī)級陀螺儀級陀螺儀陀螺儀的分類陀螺儀的分類電子信息工程學(xué)院66.1 6.1 液浮陀

4、螺儀液浮陀螺儀 液浮陀螺儀主要包括二自由度浮子積分陀螺儀和三自由度液浮陀螺儀。一 浮子積分陀螺儀1.組成（1）二自由度陀螺儀；（2）等效阻尼器 裝在內(nèi)框軸上；（3）角速度傳感器 敏感內(nèi)框軸轉(zhuǎn)動(dòng)角；（4）力矩器 與外加電流成正比。電子信息工程學(xué)院72 2 工作原理工作原理 當(dāng)陀螺繞測量軸當(dāng)陀螺繞測量軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) ，根據(jù)二自由度陀螺進(jìn)，根據(jù)二自由度陀螺進(jìn)動(dòng)動(dòng)特點(diǎn)，陀特點(diǎn)，陀螺沿內(nèi)框軸產(chǎn)生陀螺力矩，使陀螺繞內(nèi)框軸進(jìn)動(dòng)，其進(jìn)動(dòng)螺沿內(nèi)框軸產(chǎn)生陀螺力矩，使陀螺繞內(nèi)框軸進(jìn)動(dòng)，其進(jìn)動(dòng)角加角加速度速度為為 ，角速度角速度為為 ，進(jìn)動(dòng)角進(jìn)動(dòng)角為為 。在理想情況下，可得。在理想情況下，可得積分陀螺微分方程為：積分陀螺

5、微分方程為： 其中其中 為阻尼系數(shù)。為阻尼系數(shù)。 當(dāng)當(dāng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時(shí)，即時(shí)，即 ，陀螺力矩與阻尼力矩平衡，陀螺力矩與阻尼力矩平衡，得：得：00ttyDHdtdtKxDyJKHyDK0DyKH內(nèi)框轉(zhuǎn)角為：內(nèi)框轉(zhuǎn)角為： 陀螺轉(zhuǎn)子繞內(nèi)框軸陀螺轉(zhuǎn)子繞內(nèi)框軸進(jìn)動(dòng)角度進(jìn)動(dòng)角度為基座繞測量軸轉(zhuǎn)動(dòng)為基座繞測量軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度角速度的的積分積分，即，即積分陀螺儀積分陀螺儀名稱的由來。名稱的由來。電子信息工程學(xué)院8 3 3 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電子信息工程學(xué)院9 為保證積分特性，使輸出信號（陀螺轉(zhuǎn)子繞內(nèi)框軸進(jìn)動(dòng)角度）與輸入信號（基座繞陀螺的輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度）成線性關(guān)系，積分陀螺儀的內(nèi)框轉(zhuǎn)角要很小，在角分、角秒（1度=60角分，1角

6、分=60角秒）范圍內(nèi)，需采取以下措施：（1）減小動(dòng)量矩 ，即陀螺尺寸很小，轉(zhuǎn)速也不太高。 JH2iihmJ電子信息工程學(xué)院10（2 2）增大阻尼系數(shù)）增大阻尼系數(shù) 。為此把。為此把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子和和叉架叉架密封裝在密封裝在一個(gè)一個(gè)圓柱形浮筒內(nèi)圓柱形浮筒內(nèi)，浮筒用寶石軸承支承在殼體上，在，浮筒用寶石軸承支承在殼體上，在浮子浮子組件組件( (內(nèi)框組件內(nèi)框組件) )與殼體之間充有比重很大的與殼體之間充有比重很大的氟化物氟化物液體。使浮力液體。使浮力等于等于浮子重量，作用點(diǎn)與浮子浮子重量，作用點(diǎn)與浮子重心重心重（在重（在陀螺支點(diǎn)上），達(dá)到陀螺支點(diǎn)上），達(dá)到全浮全浮狀態(tài)，支承軸狀態(tài)，支承軸不承受不承受負(fù)載，負(fù)

7、載，減減小小內(nèi)框軸上的內(nèi)框軸上的摩擦力矩摩擦力矩，提高陀螺，提高陀螺精度精度和和靈敏度靈敏度。通常。通常用溫控系統(tǒng)保持用溫控系統(tǒng)保持7272度恒溫，提高度恒溫，提高穩(wěn)定性穩(wěn)定性。（3 3）由于輸出角）由于輸出角 很小，要有高靈敏度，高精度的角很小，要有高靈敏度，高精度的角位移傳感器，一般采用高精度的位移傳感器，一般采用高精度的微動(dòng)同步器微動(dòng)同步器。（4 4）當(dāng)工作時(shí)間較長時(shí)，內(nèi)框偏轉(zhuǎn)角）當(dāng)工作時(shí)間較長時(shí)，內(nèi)框偏轉(zhuǎn)角也會增大，因也會增大，因此積分陀螺儀一般都與隨動(dòng)系統(tǒng)相配合，因而內(nèi)框軸上此積分陀螺儀一般都與隨動(dòng)系統(tǒng)相配合，因而內(nèi)框軸上還裝有力矩器，以產(chǎn)生外力矩平衡陀螺力矩。還裝有力矩器，以產(chǎn)生外

8、力矩平衡陀螺力矩。DK電子信息工程學(xué)院114 4 應(yīng)用應(yīng)用1 1）測角速度測角速度 陀螺信號傳感器陀螺信號傳感器的的輸出輸出接到反饋放大接到反饋放大器器輸入輸入端，經(jīng)放大后端，經(jīng)放大后加到陀螺儀力矩器繞加到陀螺儀力矩器繞組上，產(chǎn)生力矩組上，產(chǎn)生力矩抵消抵消掉掉陀螺力矩，通過測陀螺力矩，通過測量電流大小，計(jì)算后量電流大小，計(jì)算后得到角速度值。得到角速度值。電子信息工程學(xué)院122 2）空間穩(wěn)定）空間穩(wěn)定 當(dāng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)當(dāng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)平臺轉(zhuǎn)動(dòng)，有平臺轉(zhuǎn)動(dòng)，有輸入輸入信號，信號，測得輸出信號，經(jīng)放大測得輸出信號，經(jīng)放大傳給平臺電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)傳給平臺電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)平臺相機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)平臺相

9、對基座對基座反方向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由轉(zhuǎn)動(dòng)。由于積分陀螺反應(yīng)快，可于積分陀螺反應(yīng)快，可保證平臺始終被保證平臺始終被穩(wěn)定穩(wěn)定在在慣性空間位置。慣性空間位置。電子信息工程學(xué)院132 2 三自由度液浮陀螺儀三自由度液浮陀螺儀 陀螺房做成陀螺房做成球形球形，將轉(zhuǎn)子密封在里面，球內(nèi)充上惰，將轉(zhuǎn)子密封在里面，球內(nèi)充上惰性氣體以減小阻力，散熱并防止機(jī)件氧化。在浮球與殼性氣體以減小阻力，散熱并防止機(jī)件氧化。在浮球與殼體間充滿比重較大的液體，產(chǎn)生浮力把浮球全浮起來，體間充滿比重較大的液體，產(chǎn)生浮力把浮球全浮起來，減小減小摩擦力矩摩擦力矩，浮液還對浮球轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，浮液還對浮球轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼力矩阻尼力矩。 三自由度液浮陀螺儀

10、的作用原理與框架式陀螺儀三自由度液浮陀螺儀的作用原理與框架式陀螺儀完全完全一樣一樣，只是把陀螺房做成，只是把陀螺房做成球形球形，并使之懸浮于液體中，以，并使之懸浮于液體中，以減小和消除減小和消除環(huán)架支撐中的環(huán)架支撐中的摩擦摩擦。電子信息工程學(xué)院14 為了消除摩擦力矩為了消除摩擦力矩影響和提高穩(wěn)定性，浮影響和提高穩(wěn)定性，浮球使用球使用磁力定心磁力定心，轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子用動(dòng)壓用動(dòng)壓氣體軸承氣體軸承懸浮，懸浮，陀螺球用陀螺球用液體液體懸浮，這懸浮，這三種措施常稱三種措施常稱“三浮三浮”技術(shù)。技術(shù)。 由于三自由度陀螺儀是雙輸入雙輸出元件，當(dāng)不對由于三自由度陀螺儀是雙輸入雙輸出元件，當(dāng)不對陀螺施加控制力矩時(shí)，

11、輸入輸出均是其基座圍繞兩根正陀螺施加控制力矩時(shí)，輸入輸出均是其基座圍繞兩根正交軸的交軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角轉(zhuǎn)動(dòng)角的，故又稱位置陀螺。的，故又稱位置陀螺。電子信息工程學(xué)院156.2 6.2 激光陀螺和光纖陀螺激光陀螺和光纖陀螺6.2.1激光陀螺一 概述 激光陀螺是一種沒有機(jī)械轉(zhuǎn)子及環(huán)架的新型陀螺，利用光腔繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，順、逆兩束光行程發(fā)生變化的原理，實(shí)際上是能測量旋轉(zhuǎn)角速度的裝置，因此屬于陀螺，并常用于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，有以下特點(diǎn)：1.抗振動(dòng)和沖擊性好由于沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，它比機(jī)電陀螺更能經(jīng)受振動(dòng)和沖擊，耐沖擊高度500g以上，機(jī)械式僅耐40g；2.動(dòng)態(tài)范圍大從0.001度/小時(shí)到100000度/小時(shí)；3.可靠

12、性高平均無故障時(shí)間達(dá)90000小時(shí)以上；4.結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固，成本低；5.直接輸出數(shù)字信號，便于計(jì)算機(jī)處理；6.不需溫控系統(tǒng)可有效解決穩(wěn)定對漂移的影響。電子信息工程學(xué)院16 1 1）19131913年，有資料報(bào)道了薩格納克年，有資料報(bào)道了薩格納克( (sagnacsagnac) ) 效應(yīng)，效應(yīng)，這就是光學(xué)陀螺的基本工作原理。這就是光學(xué)陀螺的基本工作原理。 2 2）19251925年，米歇爾遜和蓋爾年，米歇爾遜和蓋爾(Gale) (Gale) 在芝加哥將這一在芝加哥將這一概念應(yīng)用到一個(gè)周長超過概念應(yīng)用到一個(gè)周長超過1 1英里的環(huán)形陀螺上。把普通光送英里的環(huán)形陀螺上。把普通光送入抽過真空的水管中，他

13、們當(dāng)時(shí)已能測出地球自轉(zhuǎn)所帶來入抽過真空的水管中，他們當(dāng)時(shí)已能測出地球自轉(zhuǎn)所帶來的光學(xué)偏移。的光學(xué)偏移。 3 3）19601960年，麥曼年，麥曼( (MaimanMaiman) )演示了一種激光器，能產(chǎn)生演示了一種激光器，能產(chǎn)生高度平行及單色性極好的電磁能源，頻段在紫外與遠(yuǎn)紅外高度平行及單色性極好的電磁能源，頻段在紫外與遠(yuǎn)紅外之間，具體波長取決于激光器的介質(zhì)。之間，具體波長取決于激光器的介質(zhì)。 4 4）19631963年，第一個(gè)環(huán)形激光器在斯佩里陀螺公司年，第一個(gè)環(huán)形激光器在斯佩里陀螺公司(Sperry gyroscope)(Sperry gyroscope)展出。這標(biāo)志著環(huán)形激光陀螺研發(fā)的展

14、出。這標(biāo)志著環(huán)形激光陀螺研發(fā)的開端。開端。 5 5）約）約10 10 年之后，光纖陀螺問世。年之后，光纖陀螺問世。 光學(xué)陀螺的發(fā)展概況光學(xué)陀螺的發(fā)展概況電子信息工程學(xué)院17發(fā)展：發(fā)展：1960 1960 激光器出現(xiàn)；激光器出現(xiàn)；1963 Sperry 1963 Sperry 制成首臺激光陀螺制成首臺激光陀螺樣機(jī)；樣機(jī)；1970s1970s中中 精度突破，達(dá)慣性級；精度突破，達(dá)慣性級；1980s 1980s 初開始應(yīng)用于初開始應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)領(lǐng)域 早期研制的機(jī)構(gòu)早期研制的機(jī)構(gòu)HoneywellHoneywell：三角形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻：三角形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏頻LittonLitton：四

15、邊形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏：四邊形諧振腔，機(jī)械抖動(dòng)偏SperrySperry：三角諧振腔，磁鏡偏頻：三角諧振腔，磁鏡偏頻國內(nèi)研制、應(yīng)用狀況國內(nèi)研制、應(yīng)用狀況1970s1970s中后期中后期 開始研制；開始研制；19901990前后前后 進(jìn)入實(shí)用；進(jìn)入實(shí)用；1990s1990s中后期中后期 應(yīng)用達(dá)到高峰。應(yīng)用達(dá)到高峰。面臨問題面臨問題成本較高、體積偏大、不能完全適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)的要求成本較高、體積偏大、不能完全適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)的要求電子信息工程學(xué)院18電子信息工程學(xué)院19二 激光基本知識（P251）1.特點(diǎn)：單色性，相干性，亮度高。2.產(chǎn)生機(jī)理:光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收；激光產(chǎn)生的條件3.激光器分類

16、：晶體激光器；氣體激光器；半導(dǎo)體激光器4.諧振腔：用于產(chǎn)生和貯藏各代光子的機(jī)構(gòu)。三 二頻激光陀螺 激光陀螺儀是用來敏感角速度的裝置，前身是賽格納克（saqnac）環(huán)形干涉儀。電子信息工程學(xué)院201.1.環(huán)形干涉儀測量角速度原理環(huán)形干涉儀測量角速度原理提出提出：由：由 SagnacSagnac 于于 19131913年年 當(dāng)干涉儀相對慣性空間無轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)干涉儀相對慣性空間無轉(zhuǎn)動(dòng)，則正反繞行的則正反繞行的 A A、B B 兩路光程，兩路光程， 當(dāng)干涉儀以當(dāng)干涉儀以相對慣性空間旋轉(zhuǎn)，相對慣性空間旋轉(zhuǎn)，則會引起兩路光程不等。則會引起兩路光程不等。224( /4)4abLLLLLcc 4ALc c c遠(yuǎn)大

17、于遠(yuǎn)大于LL，上式近似為，上式近似為abLLA A為面積為面積電子信息工程學(xué)院21結(jié)論結(jié)論：環(huán)形干涉儀順、逆兩束：環(huán)形干涉儀順、逆兩束光程差光程差與被測與被測角速度角速度成成正比正比，該，該結(jié)論雖然已正方形環(huán)路得到，但對其它形狀環(huán)路也成立。實(shí)用結(jié)論雖然已正方形環(huán)路得到，但對其它形狀環(huán)路也成立。實(shí)用性分析（性分析（P257P257）說明，靈敏度低，無實(shí)用價(jià)值。）說明，靈敏度低，無實(shí)用價(jià)值。2.2.二頻激光陀螺原理二頻激光陀螺原理 環(huán)形干涉儀靈敏度環(huán)形干涉儀靈敏度不高不高，主要原因是環(huán)路不是，主要原因是環(huán)路不是諧振腔諧振腔。光。光在回路中只能繞在回路中只能繞一圈一圈，如采用環(huán)形諧振腔，光可在腔內(nèi)繞

18、，如采用環(huán)形諧振腔，光可在腔內(nèi)繞很多很多圈圈，并產(chǎn)生，并產(chǎn)生諧振諧振。諧振頻率一定時(shí)，增益大于損耗。當(dāng)環(huán)形諧。諧振頻率一定時(shí)，增益大于損耗。當(dāng)環(huán)形諧振腔有振腔有轉(zhuǎn)動(dòng)角速度轉(zhuǎn)動(dòng)角速度時(shí)，時(shí)，逆逆時(shí)針光束和時(shí)針光束和順順時(shí)針光束的時(shí)針光束的諧振頻率諧振頻率不不同，同，差頻差頻與與角速度角速度成正比，測量到差頻即可測到轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。成正比，測量到差頻即可測到轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。使用了激光諧振腔和測量差頻后，測量靈敏度比環(huán)形干涉儀大使用了激光諧振腔和測量差頻后，測量靈敏度比環(huán)形干涉儀大大提高，使這個(gè)原理有實(shí)用價(jià)值。大提高，使這個(gè)原理有實(shí)用價(jià)值。電子信息工程學(xué)院22 當(dāng)腔體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，正、反行波的諧振頻率因所走的光程

19、不同而不同。依據(jù)諧振條件(p256)，有:21NLLNLLNLLNLL21LLcNcfLLcNcf2211順,逆兩束激光波長為：對應(yīng)的激光頻率為:兩束光的頻差為:LAf4電子信息工程學(xué)院233.3.激光陀螺的誤差激光陀螺的誤差（1）閉鎖：當(dāng)輸入角速度絕對值小于閾值時(shí)，陀螺沒有頻差輸出。主要是由于環(huán)路的非均勻性。減小閉鎖的辦法是提高加工精度，機(jī)械抖動(dòng)偏頻法、磁鏡法、差動(dòng)法。（2）比例因子不穩(wěn)定：輸入輸出比例因子不恒定。主要原因與激光器的幾何形狀和尺寸有關(guān)。要保持比例因子恒定，采用低膨脹系數(shù)的材料做腔體，采用溫度補(bǔ)償?shù)却胧＃?）零點(diǎn)漂移誤差：沒有輸入角速度時(shí)，有輸出。主要原因有流動(dòng)介質(zhì)引起的朗謬

20、爾流，磁場影響，出現(xiàn)多膜等。采用完全對稱的雙陽極共陰極結(jié)構(gòu)并使用穩(wěn)定分流電路，加磁屏蔽。電子信息工程學(xué)院24四四 飛機(jī)激光陀螺飛機(jī)激光陀螺電子信息工程學(xué)院25內(nèi)內(nèi)腔腔是是二二頻頻激激光光陀陀螺螺結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)電子信息工程學(xué)院26飛機(jī)激光陀螺組件位置飛機(jī)激光陀螺組件位置電子信息工程學(xué)院276.2.26.2.2光纖陀螺光纖陀螺一一 概述概述電子信息工程學(xué)院28 光纖陀螺儀適應(yīng)捷聯(lián)系統(tǒng)需求而出現(xiàn)?；驹硗す馔勇?，只是激光束來自外部，用光導(dǎo)纖維做傳播環(huán)路。優(yōu)點(diǎn)：成本低、體積小、重量輕。發(fā)展：1970s 光纖技術(shù)發(fā)展； 1976 年猶它大學(xué)瓦里提出設(shè)想和演示； 1978 麥道研制出第一個(gè)實(shí)用光纖陀螺； 1

21、980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以 及英、法、德、日、蘇等國也展開了研制。 國內(nèi)：1980s初，原理研究、試驗(yàn)（少數(shù)大學(xué)）； 1980s末，實(shí)質(zhì)性研制； 2000s，進(jìn)入實(shí)用階段。精度：國外 0.001度/小時(shí)；國內(nèi) 0.01度/小時(shí) 電子信息工程學(xué)院29二 分類 光纖陀螺從原理上主要分為光纖諧振陀螺和光纖干涉陀螺。1.光纖諧振陀螺 光纖諧振陀螺是從無源腔激光陀螺的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，不同點(diǎn)在于：（1）以光纖代替反射鏡片組成諧振腔和傳播光路；（2）以光耦合器代替透射鏡片及半反射鏡片對光的輸入輸 出及分光作用；（3）不能控制腔長，目前精度較低有待改進(jìn)。電子信息工程學(xué)

22、院30 來自 LR 的激光經(jīng)分束器 SL 分離，從兩端進(jìn)入光纖線圈（諧振器）。光纖陀螺繞輸入軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩束光的諧振頻率改變，頻差由兩組光檢測器和相敏解調(diào)器測量，與輸入角速度成正比 。PM PM 相位調(diào)制器相位調(diào)制器PSD PSD 相敏解調(diào)器相敏解調(diào)器D D 檢測器檢測器電子信息工程學(xué)院312.2.光纖干涉陀螺光纖干涉陀螺 光纖干涉陀螺是根據(jù)Sagnac環(huán)形干涉原理發(fā)展而來的。PM 相位調(diào)制器PSD 相敏解調(diào)器 SF伺服放大器PT相位變換器電子信息工程學(xué)院32電子信息工程學(xué)院33高精度光纖陀螺陀螺精度國內(nèi)最高陀螺精度國內(nèi)最高零偏穩(wěn)定性零偏穩(wěn)定性0.02o/h (1 ）標(biāo)度因數(shù)非線性標(biāo)度因數(shù)非線性

23、50ppm 動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍： 300/s工作溫度：工作溫度： -40 C +60 C輕小型三軸光纖陀螺國內(nèi)最小、最輕的三軸組合國內(nèi)最小、最輕的三軸組合重量重量: 800g 小型中精度光纖陀螺零偏穩(wěn)定性零偏穩(wěn)定性0.2o/h (1 ）標(biāo)度因數(shù)非線性標(biāo)度因數(shù)非線性100ppm動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍: 500500/s/s重量重量: 200g電子信息工程學(xué)院34法國IXSEA公司研制的高精度光纖陀螺精度為0.001/h美國LITTON公司正在研制戰(zhàn)略級光纖陀螺精度達(dá)10-4 /h量級電子信息工程學(xué)院356.3 6.3 加速度計(jì)加速度計(jì) 慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)是對加速度的測量慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)是對加速度的測量, ,

24、加速度計(jì)用加速度計(jì)用來測量飛機(jī)的線加速度，提取后通過積分獲得速度和來測量飛機(jī)的線加速度，提取后通過積分獲得速度和位置位置, ,并輸出電信號供導(dǎo)航計(jì)算和控制飛機(jī)。慣導(dǎo)中并輸出電信號供導(dǎo)航計(jì)算和控制飛機(jī)。慣導(dǎo)中重要元件之一，航空導(dǎo)航中應(yīng)用最廣的是重要元件之一，航空導(dǎo)航中應(yīng)用最廣的是液浮擺式液浮擺式加加速度計(jì)和速度計(jì)和撓性撓性加速度計(jì)。加速度計(jì)。 加速度本身難以直接測量，因此通過測量敏感質(zhì)加速度本身難以直接測量，因此通過測量敏感質(zhì)量塊上形成的量塊上形成的慣性力慣性力，間接測量載體受到的，間接測量載體受到的加速度加速度。 在慣性空間，加速度計(jì)無法區(qū)分在慣性空間，加速度計(jì)無法區(qū)分慣性力慣性力和和萬有引萬

25、有引力力。因此加速度計(jì)的輸出反映的是單位檢測質(zhì)量所受。因此加速度計(jì)的輸出反映的是單位檢測質(zhì)量所受的慣性空間的的慣性空間的合力合力，即慣性力與萬有引力的，即慣性力與萬有引力的矢量和矢量和。電子信息工程學(xué)院36 加速度計(jì)的測量值，是載體相對于慣性空加速度計(jì)的測量值，是載體相對于慣性空間的間的絕對絕對加速度和導(dǎo)航系統(tǒng)所在地的加速度和導(dǎo)航系統(tǒng)所在地的萬有引力萬有引力加速度加速度 的和值，稱為的和值，稱為“比力比力”。（比力。（比力Specific Force Specific Force ） 因此，比力也被稱為因此，比力也被稱為“非引力加速度非引力加速度”，要想使加速度計(jì)的測量值與慣性加速度聯(lián)系起要想

26、使加速度計(jì)的測量值與慣性加速度聯(lián)系起來，就必須對來，就必須對重力場重力場有所了解。有所了解。電子信息工程學(xué)院37l按測量的運(yùn)動(dòng)方式分類：線加速度計(jì)擺式加速度計(jì)( (如：液浮、撓性等 ) )l按支承輸出軸的方式分類：寶石液浮撓性電子信息工程學(xué)院38l按測量加速度計(jì)的原理和工作分類： 寶石軸承擺式 液浮擺式 撓性擺式 陀螺擺式 壓阻式 壓電式 石英振梁式 激光和光纖式等 電子信息工程學(xué)院39l按檢測方式是否反饋分類： 開環(huán)加速度計(jì)（結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)） 閉環(huán)加速度計(jì)(力反饋式加速度計(jì) )l按照精度高低來分類： 高精度 中等精度 低精度電子信息工程學(xué)院40一一 擺式加速度計(jì)原理擺式加速度計(jì)原理 擺式加

27、速度計(jì)包括：重錘（擺錘）、平衡彈簧、擺式加速度計(jì)包括：重錘（擺錘）、平衡彈簧、輸出或顯示裝置。輸出或顯示裝置。電子信息工程學(xué)院41 質(zhì)量為質(zhì)量為m m的重錘用臂長為的重錘用臂長為l l的金屬掛在轉(zhuǎn)軸的金屬掛在轉(zhuǎn)軸y y上。轉(zhuǎn)軸兩端用軸承上。轉(zhuǎn)軸兩端用軸承支承在殼體上。彈簧內(nèi)端與轉(zhuǎn)軸固連，外端與殼體固連。當(dāng)轉(zhuǎn)軸相支承在殼體上。彈簧內(nèi)端與轉(zhuǎn)軸固連，外端與殼體固連。當(dāng)轉(zhuǎn)軸相對殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩，其大小與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度成對殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩，其大小與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度成正比，即正比，即 ,(,( 為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角，為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角，k k為彈性系數(shù)為彈性系數(shù)) )， 的方向是的方向是力求使轉(zhuǎn)軸

28、轉(zhuǎn)過的偏角力求使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的偏角恢復(fù)恢復(fù)為零。為零。kMkkM電子信息工程學(xué)院42 當(dāng)飛機(jī)有沿當(dāng)飛機(jī)有沿x x軸的加速度是，軸的加速度是，擺錘受慣性力作用方向與加速擺錘受慣性力作用方向與加速度相反。擺錘在慣性力作用下度相反。擺錘在慣性力作用下繞繞y y軸產(chǎn)生軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使擺和，使擺和y y軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 偏 離 起 始 位 置 。軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 偏 離 起 始 位 置 。當(dāng)很小時(shí)，cos 1，sin0得sincosmglkmalamglkmlmglkmal當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸停止當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí)，轉(zhuǎn)軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)：轉(zhuǎn)動(dòng)：aKa電子信息工程學(xué)院43二 慣導(dǎo)對加速度測量的要求1.靈敏限小:

29、靈敏限為加速度計(jì)能感受的最小加速度值。如不能測量，帶來速度誤差和距離誤差。慣導(dǎo)中要求在10-5g以下。2.摩擦力距小:摩擦力距直接影響到加速度計(jì)的靈敏限。慣導(dǎo)用加速度計(jì)轉(zhuǎn)軸上的摩擦力距必須控制在9.8*10-9牛頓米以內(nèi)。這個(gè)要求非常苛刻，任何精密儀表軸承無法達(dá)到，要特殊支承技術(shù)，是加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。3.量程大：指測量加速度的最大值和最小值的范圍。飛機(jī)上要求測量的范圍為10-5g-6g ，最大可達(dá)12g甚至20g。要求轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角小，保證輸入輸出成線性關(guān)系。需增大彈簧剛度，采用電彈簧代替機(jī)械彈簧，把轉(zhuǎn)角控制在幾角秒至幾角分之內(nèi)。電子信息工程學(xué)院44三 液浮擺式加速度計(jì) 液浮擺式加速度計(jì)廣泛用于慣

30、導(dǎo)系統(tǒng)中，有兩種結(jié)構(gòu)，一種是用彈性扭桿產(chǎn)生彈性力矩的擺式加速度計(jì)，另一種是用力矩器產(chǎn)生平衡力矩的擺式加速度計(jì)，二者均為液懸浮式。1.彈性扭桿液浮加速度計(jì) 由重錘、浮筒、彈性扭桿、信號器、寶石軸承、密封殼體等組成?；驹砼c前面所述內(nèi)容相同，都是用重錘敏感加速度。電子信息工程學(xué)院45 空心圓筒把重錘密封起來（浮筒組件），一端通過寶石軸承與殼體相連，另一端用彈性扭桿與殼體相連，彈性扭桿代替前述中的彈簧產(chǎn)生恢復(fù)力矩，浮筒與殼體之間充滿液體（產(chǎn)生浮力、減少摩擦、增加阻尼）。彈性扭桿剛度不可能做得很大，因此擺的轉(zhuǎn)角不可能很小，輸出線性度較差。并受溫度影響產(chǎn)生較大誤差，用于慣導(dǎo)初期和要求不太高的裝置中。電

31、子信息工程學(xué)院462.具有平衡回路的液浮擺式加速度計(jì) 這種加速度計(jì)原理與彈性扭桿是基本相同。不同之處在于，在輸出軸上加裝一個(gè)力矩器取代彈性扭桿，作用相當(dāng)于彈性扭桿，靠電流控制產(chǎn)生力矩，故稱電彈簧。彈性系數(shù)可以很大，擺錘轉(zhuǎn)角很小，輸出線性度好。設(shè)有溫控系統(tǒng)，保證浮力和穩(wěn)定度。也稱閉環(huán)結(jié)構(gòu)。電子信息工程學(xué)院47電子信息工程學(xué)院48電子信息工程學(xué)院49四 撓性加速度計(jì)（p277）1.組成和原理2.特點(diǎn)（1）無支承摩擦力矩（2）溫控要求低（3）結(jié)構(gòu)簡單電子信息工程學(xué)院50電子信息工程學(xué)院51電子信息工程學(xué)院52l MEMS MEMS（Micro Electro-Mechanical SystemsMi

32、cro Electro-Mechanical Systems）l 1980 1980年代中后期以來，隨著微電子、精細(xì)加工等技年代中后期以來，隨著微電子、精細(xì)加工等技術(shù)和制造工藝的成熟，術(shù)和制造工藝的成熟，MEMSMEMS技術(shù)得到了快速的發(fā)展。技術(shù)得到了快速的發(fā)展。l MEMS MEMS技術(shù)的發(fā)展直接推動(dòng)著微型傳感器的產(chǎn)生、發(fā)技術(shù)的發(fā)展直接推動(dòng)著微型傳感器的產(chǎn)生、發(fā)展和展和 應(yīng)用。采用應(yīng)用。采用MEMSMEMS技術(shù)的慣性傳感器技術(shù)的慣性傳感器微加速度微加速度計(jì)計(jì)和和微陀螺微陀螺是一類重要的應(yīng)用廣泛的微傳感器，直接是一類重要的應(yīng)用廣泛的微傳感器，直接促進(jìn)慣性促進(jìn)慣性 導(dǎo)航系統(tǒng)向微小型化發(fā)展。導(dǎo)航系

33、統(tǒng)向微小型化發(fā)展。lMEMSMEMS慣性傳感器采用慣性傳感器采用腐蝕腐蝕、光刻光刻等集成電路的制造工等集成電路的制造工藝，在藝，在硅硅、石英石英等晶片上直接加工出感應(yīng)部件和專用等晶片上直接加工出感應(yīng)部件和專用集成電路集成電路6.4 6.4 微電子機(jī)械系統(tǒng)微電子機(jī)械系統(tǒng) MEMSMEMS電子信息工程學(xué)院53 電子信息工程學(xué)院54國內(nèi)外MEMS傳感器發(fā)展概況電子信息工程學(xué)院55電子信息工程學(xué)院56電子信息工程學(xué)院57電子信息工程學(xué)院58 JDAMJDAM低成本制導(dǎo)武器低成本制導(dǎo)武器彈道導(dǎo)彈彈道導(dǎo)彈遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈艦空導(dǎo)彈艦空導(dǎo)彈電子信息工程學(xué)院59電子信息工程學(xué)院60電子信息工程學(xué)院61 微型飛行器：最大尺寸不超過微型飛行器：最大尺寸不超過1515厘米，續(xù)航時(shí)間厘米，續(xù)航時(shí)間20206060分鐘，航程達(dá)到分鐘，航程達(dá)到1010公里以上，飛行速度公里以上，飛行速度22224545公里公里/ /小時(shí)小時(shí), ,可以攜帶有效載荷，完成一定任務(wù)的飛行可以攜帶有效載荷，完成一定任務(wù)的飛行器。器。電子信息工程學(xué)院62AR.Dron