新型慣性器件 第一部分

1、新型慣性器件及慣性系統(tǒng)授課教師：鄧志紅 2006.3第一章 經典陀螺儀與加速度計1本章提綱1、地球自轉2、參考坐標系3、陀螺儀的數學、物理（力學）基礎 4、陀螺儀的定義、分類及性能參數5、幾種經典陀螺儀介紹6、加速度計2地球自轉1、地球的形狀地球實際上是一個質量非均勻分布、形狀不規(guī)則的幾何體在研究慣性導航問題時,通常把地球看成是一個旋轉橢球體，國際大地測量協(xié)會于1924年將海福德橢球作為標準參考橢球,該橢球長半軸即地球赤道半徑為6378.389公里,短半軸即地球極半徑為6356.912公里,橢圓度為1/297；在研究陀螺儀的運動時,通常把地球近似地看成是一個球體，并取其平均半徑為R=6370

2、公里；地球繞地軸作自轉運動,并且沿橢圓軌道繞太陽作公轉運動地球自轉角速度：ie= 360度/23小時56分4.1秒 = 15.0411度/小時=7.292110-5弧度/秒關于地球的一些定義3地球自轉關于地球的一些定義4地球自轉2、經緯度地軸與地球表面的交點為地球的兩極。通過地理南、北極的大圓弧叫做子午線或經線, 它是表示地理南、北的方向線.子午線與地軸構成的平面叫做子午面.國際上規(guī)定，通過英國格林威治天文臺的子午線為本初子午線,它與地軸構成的平面為本初子午面.子午面與本初子午面之間的夾角叫做經度.經度的數值是以本初子午面為始點計算的.在東半球,以本初子午面為始點向東計算的經度叫做東經,東經共

3、分180度；在西半球,以本初子午面為始點向西計算的經度叫做西經,西經共分180度.關于地球的一些定義5地球自轉2、經緯度通過地心并垂直于地軸的平面為赤道平面,赤道平面與地球表面的交線為赤道.赤道是緯線,且是一個大圈.凡垂直于地軸的平面與地球表面的交線都是緯線,但相對赤道而言, 這些緯線是小圓.地垂線與赤道平面之間的夾角叫做緯度.緯度的數值是以赤道平面為始點計算的。在北半球,以赤道平面為始點向北 計算的緯度叫做北緯,北緯共分90度;在南半球,以赤道平面為始點向南計算的緯度叫做南緯,南緯共分90度。關于地球的一些定義6參考坐標系1、建立參考坐標系的意義 宇宙間的一切物體都是在不斷地運動,但對單個物

4、體是無運動可言的,只有在相對的意義下才可以談運動.一個物體在空間的位置只能相對于另一個物體而確定,這樣,后一個物體就構成了描述前一個物體運動的參考系. 參考系通常采用直角坐標系來代表,稱為參考坐標系或簡稱參考系.在研究陀螺儀或運載體的運動時,同樣需要有參考坐標系才成. 陀螺儀最重要的功用之一就是用它在運載體上模擬地理坐標系或慣性坐標系。 常用坐標系：地心慣性坐標系、地球坐標系、地理坐標系、載體坐標系。7參考坐標系2、幾個參考坐標系的定義慣性坐標系 通常把使得牛頓力學定律成立的參考坐標系,稱為慣性坐標系，簡稱慣性系； 根據選取的坐標系原點不同，分為日心慣性坐標系和地心慣性坐標系。日心慣性坐標系：

5、原點取在太陽的中心,三根軸指向確定的恒星。地心慣性坐標系（Oxiyizi）：原點取在地球的中心,xi和yi軸位于赤道平面內并指向確定的恒星，zi軸與地軸（地球自轉軸）重合。地心慣性坐標系不參與地球自轉。慣性空間：慣性坐標系三根軸所代表的空間。 8參考坐標系2、幾個參考坐標系的定義地球坐標系（Oxeyeze） 與地球固連，原點取在地球的中心,xe和ye軸位于赤道平面內，分別指向本初子午線和東經90子午線，ze軸與地軸重合。 地球坐標系參與地球自轉，它相對于慣性坐標系的轉動角速度就等于地球自轉角速度。 地球相對慣性空間的轉動，可以用地球坐標系相對于慣性坐標系的轉動來表示。 9參考坐標系2、幾個參考

6、坐標系的定義地理坐標系（OENZ） 其原點與運載體的重心重合,E軸沿當地緯線指東,N軸沿當地子午線指北,Z軸沿當地地垂線指天.其中E軸與N軸構成的平面即為當地水平面,N軸與Z軸構成的平面即為當地子午面. 這種地理坐標系是跟隨運載體運動的,更確切地說應稱為動地理坐標系或當地地理坐標系. 10參考坐標系 當運載體在地球上運動時,運載體相對地球的位置不斷改變;而地球上不同地點的地理坐標系,其相對地球坐標系的角位置是不相同的.也就是說，運載體相對地球運動引起地理坐標系相對地球坐標系轉動.這時地理坐標系相對慣性坐標系的轉動角速度應包括兩個部分：一是地理坐標系相對地球坐標系的轉動角速度:另一是地球坐標系相

7、對慣性坐 的轉動角速度. 地理坐標系的三根軸構成右手直角坐標系，可以按“東、北、天”、“北、西、天”或“北、東、地”順序構成。11參考坐標系2、幾個參考坐標系的定義載體坐標系（Oxbybzb） 與載體固連，其原點與載體的重心重合, xb軸沿載體縱軸方向, yb軸沿載體豎軸方向，zb軸沿載體橫軸方向。 12陀螺儀的數學、物理（力學）基礎一、剛體及其運動剛體：形狀和大小都不發(fā)生任何變化的物體。 即其內部任意兩點之間距離永遠不變，剛體的各部分 之間沒有相對運動。剛體的運動：平動和轉動平動：剛體在運動過程中，其上任意兩點的連線始終保持平行。13 剛體在運動過程中，其上任意兩點的連線始終保持平行?？梢杂?/p>

8、質點動力學的方法來處理剛體的平動問題。陀螺儀的數學、物理（力學）基礎一、剛體及其運動剛體：形狀和大小都不發(fā)生任何變化的物體。 即其內部任意兩點之間距離永遠不變，剛體的各部分 之間沒有相對運動。平動：剛體在運動過程中， 其上任意兩點的連線 始終保持平行。可以用質點動力學的方法來處理剛體的平動問題。14轉動：剛體上所有質點都繞同一直線作圓周運動。這種運動稱為剛體的轉動。這條直線稱為轉軸。定軸轉動：轉軸固定不動的轉動。陀螺儀的數學、物理（力學）基礎15二、描述剛體轉動的物理量角坐標 角位移d陀螺儀的數學、物理（力學）基礎16 角速度的大小： 角速度的方向： 由右手螺旋法則確定。右手彎曲的四指沿轉動方

9、向，伸直的大拇指即為角速度的方向。P點線速度與角速度的關系：17角加速度（定軸）18三、轉動慣量 J2.與轉動慣量有關的因素：剛體的質量；轉軸的位置； 剛體的形狀。1.轉動慣量的物理意義： 轉動慣量是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉動的不同剛體時，它們所獲得的角加速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角加速度小，即角速度改變得慢，也就是保持原有轉動狀態(tài)的慣性大；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角加速度大，即角速度改變得快，也就是保持原有轉動狀態(tài)的慣性小。陀螺儀的數學、物理（力學）基礎19J 的單位：kgm2 量綱：ML2dm為質量元，簡稱質元。其計算

10、方法如下：質量為線分布質量為面分布質量為體分布其中、分別為質量的線密度、面密度和體密度。線分布面分布體分布3.轉動慣量的計算20四、剛體定點運動的運動學21剛體定點運動( fixed-point motion of rigid body)： 剛體在運動過程中其上或其延展體上有一點保持不動。221、剛體定點運動的描述Oxyz為固定參考系Oxyz為固聯(lián)在剛體上的隨體參考系用隨體參考系相對固定參考系的位置描述剛體的定點運動。23進動角(angle of precession)章動角(angle nutation)自旋角(spin angle)歐拉角(Euler angle)24問題：給定歐拉角，如何

11、確定剛體上某一點在空間的位置給定：如何確定：25進動角正交矩陣26272829五. 剛體定軸轉動的動量矩定理和動量矩守恒定律1. 剛體定軸轉動的動量矩 剛體上任一質點對 Z 軸的動量矩都具有相同的方向O(所有質元的動量矩之和)302. 剛體定軸轉動的動量矩定理由轉動定律（動量矩定理積分形式）定軸轉動剛體所受合外力矩的沖量矩等于其動量矩的增量3. 剛體定軸轉動的動量矩守恒定律對定軸轉動剛體動量矩定理微分形式31剛體繞最大慣量主軸的轉動是穩(wěn)定的323334陀螺儀的定義、分類及性能參數一、陀螺儀的定義 35陀螺儀的定義、分類及性能參數古典傳統(tǒng)定義: 對稱平衡的高速旋轉剛體, 用專門的懸掛裝置支承起來

12、,使旋轉的剛體能繞與自轉軸不相重合或平行的另一條軸或另二條軸轉動的專門裝置。廣義陀螺儀定義： 人們認同能自主地測量物體角速度或角位移的器件，也稱為陀螺儀。 所謂自主指不依賴運動物體外部的光、電、磁、聲等訊號來檢測物體的運動參數,完全依賴物體本身的運動特性,可以制造成獨立的敏感元件。光學陀螺儀、振動陀螺儀、硅微 機械陀螺儀等新型陀螺儀應運而生,擴大了陀螺儀家族的陣營,它們所具有的完全嶄新的特性,給陀螺儀的更廣闊的應用前景帶來了朝氣蓬勃的無限生機。36 二、定軸性、進動性、陀螺反力矩 陀螺儀的定義、分類及性能參數1、陀螺儀的定軸性與陀螺視運動定軸性：在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀主軸 在

13、慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變。動量矩 H = J視運動：由于地球對慣性空間做自轉運動,而陀螺儀的主軸(近似角動量 H軸）相對慣性空間不動,所以人們站在地球上看到的陀螺儀主軸相對地球在轉動。在地球表面所觀察到的陀螺自轉軸方向的運動被稱作陀螺的表觀運動,有時又稱為視運動。 37陀螺儀在地球赤道上的視運動 把陀螺儀放在地球的赤道上,陀螺儀主軸H垂直向上。隨著地球的自轉,經過3小時,6小時,12小時,18小時,陀螺儀分別由的位置依次到達的位置。由于陀螺儀的定軸性,H指向慣性空間的方向不變,在地球上人們看到主軸H由指天,變?yōu)樗街肝?再指地,再水平 指東。38 陀螺儀主軸H圍繞著地球自轉軸轉動,陀螺儀相

14、對地球,方位上和水平上都在作24小時的有規(guī)律的轉動。 我們可以利用陀螺儀的進動性給陀螺儀施加控制力矩，使陀螺儀進 動。當陀螺儀進動速 度與地球自轉角速度 一致時，陀螺儀相對 于地球上的參考坐標 系就沒有相對運動。39 二、定軸性、進動性、陀螺反力矩 陀螺儀的定義、分類及性能參數2、陀螺儀的進動性進動性：在外力矩作用下陀螺儀的運動。 陀螺儀的進動角速度的大小和方向與加的力矩具有嚴格的對應關系，所以可以準確地控制陀螺儀的運動。 巧妙地利用陀螺儀的定軸性與進動性，可以制造各種陀螺儀器和系統(tǒng)。404142 二、定軸性、進動性、陀螺反力矩 陀螺儀的定義、分類及性能參數3、陀螺儀反力矩 廣義地說,世界上一

15、切事物都處于相對的平衡之中。在力學世界中作用的力和力矩總是和反作用力和力矩相平衡。 F=ma M=H 對陀螺儀施加多大的力矩,就會產生相應的多大的進動。有多大的進動,就產生多大的陀螺力矩與施加的作用力矩相平衡。43(一)按陀螺儀研制成功并得到實際應用的先后順序分類第一代陀螺儀 ：框架陀螺儀 20世紀50年代前第二代陀螺儀 ：浮子陀螺儀 20世紀60年代起第三代陀螺儀 ：動調陀螺儀 20世紀70年代 期間高精度靜電陀螺儀技術趨于完善,在高精度領域得到應用。光學陀螺儀：20世紀80年代 激光陀螺儀、光纖陀螺儀 激光陀螺已經達到慣性級的精度,在高中精度的領域得到成功應用。光纖陀螺儀的后來居上,大有挑

16、戰(zhàn)激光陀螺之勢,正在向慣性級精度努力。 硅微陀螺儀： 20世紀80年代末90年代初 中低領域三、陀螺儀的分類 陀螺儀的定義、分類及性能參數44(二)按陀螺儀的基本工作原理分類機械轉子陀螺：液浮、動調、靜電以及氣浮自由轉子、磁 浮陀螺和超導陀螺；振動陀螺儀： 音叉振動陀螺、半球諧振陀螺、壓電振動 陀螺、硅微陀螺儀；光學陀螺儀：激光、光纖及集成光學或稱為光波導陀螺。 陀螺儀類型不同,工作原理各異,因而不同類型陀螺儀的誤差機理也有不同,標志陀螺儀性能的參數和陀螺儀的誤差模型也各不相同。三、陀螺儀的分類 陀螺儀的定義、分類及性能參數45(三)按陀螺儀的功能分類自由度：單自由度陀螺儀和二自由度陀螺儀 單

17、自由度陀螺儀只能檢測和控制一條軸,而二自由度陀螺儀可以檢測和穩(wěn)定兩條軸。 檢測的量：位置陀螺儀和速率陀螺儀 用陀螺儀構成穩(wěn)定平臺式系統(tǒng), 無論是空間穩(wěn)定系統(tǒng)還是相對地理坐標系穩(wěn)定的系統(tǒng), 陀螺儀工作在位置狀態(tài)。在速率捷聯(lián)系統(tǒng)中,陀螺儀檢測運載體的角速率,光學陀螺、振動陀螺可以直接輸出角速率信號,機械轉子陀螺與陀螺再平衡回路組合在一起,也可輸出角速率信號。三、陀螺儀的分類 陀螺儀的定義、分類及性能參數46(四)按陀螺儀的精度分類分 類精 度（漂移）用途高精度（慣性級）陀螺儀優(yōu)于10-3 /h遠程運載火 箭、洲際導彈、核潛艇中等精度（導航級）陀螺儀優(yōu)于10- 2/h飛機的航姿系統(tǒng)、船用平臺羅經中低

18、精度陀螺儀0.1/h左右用于工作時間較短的相對精度較低的系統(tǒng),如各戰(zhàn)術武器,發(fā)控穩(wěn)瞄等系統(tǒng)低精度陀螺儀0.11 /h用于交通車輛、工業(yè)的運動檢 測角速率傳感器0.01 /s三、陀螺儀的分類 陀螺儀的定義、分類及性能參數47未來陀螺儀的應用48(一)陀螺儀的物理參數 指陀螺儀的體積、質量、外形尺寸及安裝尺寸、安裝基準及標定方法。(二)結構參數 指轉子陀螺儀的動量矩、陀螺儀的轉速、陀螺儀力矩器的力矩系數、陀螺儀的進動系數、角度信號傳感器的靈敏度、最大角差信號等。 (三)陀螺儀的性能參數 指陀螺儀的最大施矩速率、最大角速率測量范圍和陀螺儀的精度。 陀螺儀的漂移是陀螺儀性能高低的主要表征。漂移是由于制

19、造上的缺陷及干擾產生的偏離穩(wěn)定的輸出,用度每小時來表示。四、陀螺儀的性能參數 陀螺儀的定義、分類及性能參數49 不同類型、不同使用狀態(tài)下陀螺儀的具體性能指標的表 示有所不同,一般都關心的有:陀螺儀的常值漂移及常值漂移的穩(wěn)定性,與g有關的漂移系數,與g2有關的系數等。還有陀螺儀的分辨率、零漂、線性度、頻帶、溫度系數等。(四)可靠性及使用壽命 現在滾珠軸承的陀螺儀壽命可以達到1萬至1.5萬小時,振動、光學陀螺儀的壽命可長達10萬至20萬小時。 高精度的陀螺儀一般都是不可修復的,所以高可靠性指標也就是陀螺儀的壽命指標。 當陀螺儀性能下降,精度已降至使用的指標要求以下時,陀螺儀就將報廢。50(五)陀螺

20、儀的使用條件及環(huán)境適用性 慣性系統(tǒng)的使用必須考慮運載體的活動范圍,如緯度范圍;運載體的動力學特性,如最大的速度范圍,機動特性等;還有環(huán)境溫度濕度、供電條件、環(huán)境的電磁、噪聲、振動和輻射污染等。(六)價格 價格是市場競爭的重要因素,選擇陀螺儀也必須在滿足技術指標要求下考慮是否具有大批量生產能力,以及制造成本、銷售價格和全壽命周期的運行費用。51幾種經典陀螺儀介紹一、機械旋轉陀螺儀的原理結構(一)陀螺儀轉子 陀螺儀轉子是一個對稱平衡的繞定點高速旋轉的剛體。為了使轉子的動量矩H大,一般都用高比重的合金做成外轉子的形式,轉子的質量分布盡量遠離旋轉軸線,使轉子的轉動慣量J增大。為了保證結構的高穩(wěn)定性,先

21、進的陀螺儀等用鍍材作為轉子和框架的結構材料。(二)陀螺電機 19世紀80年代,電動機技術應用于陀螺儀,解決了陀螺儀長期高速旋轉的關鍵技術。 永磁同步電機是理想的陀螺儀的驅動電機。 52幾種經典陀螺儀介紹(三)陀螺儀轉子支承 高速旋轉的轉子支承,俗稱主軸承。主軸承質量是影響陀螺儀的精度和壽命的關鍵,一般陀螺儀選用滾珠軸承。(四)陀螺儀框架軸的支承 沿陀螺儀框架軸的干擾力矩是產生陀螺儀漂移的主要因素之一。 框架軸承與主軸承不同,它基本工作在靜止的狀態(tài),沒有高速的轉動,也沒有大的相對的轉角。 框架支承的主要技術指標是摩擦力矩要小。 根據陀螺儀框架軸的不同支承方法,可制造成了各種不同的機械旋轉陀螺儀。

22、 53幾種經典陀螺儀介紹(五)陀螺儀角度信號傳感器 陀螺儀角度信號傳感器是用來檢測陀螺儀主軸在殼體內的相對轉動的。 角度信號傳感器的輸出應有較大的靈敏度,有適當的角度測量范圍,有盡可能小的零位輸出和噪聲,有穩(wěn)定的標度因數和高的線性度。特別要求角度信號傳感器不要對陀螺產生干擾力矩,所以傳感器的反作用力矩要小,對軸向、徑向都不要產生拉力,電磁干擾力矩要小;結構盡可能簡單,體積小,功耗小,便于安裝調整,便于制造和降低成本。54幾種經典陀螺儀介紹(六)陀螺儀力矩器 為了對陀螺儀施加控制力矩,陀螺儀中就要有力矩器。對力矩器要求是:要有適當的力矩器標度因數,在可能輸出的最大控制電流時,產生最大力矩,滿足陀

23、螺儀最大進動角速率的要求,零位力矩要小。力矩器有微動同步器式和永磁動圈式力矩器等不同的結構。(七)陀螺儀測溫加溫裝置 溫度變化會引起不同材料的不同的尺寸變化,從而導致結構的變形,產生應力和質心的位移,因而高精度的陀螺儀必須有高精度的溫度控制。 溫控的精度要求優(yōu)于 士1,甚至更高。55幾種經典陀螺儀介紹(八)導電裝置要求:在陀螺殼體上要有導線的插接裝置,再經過內外框架分別傳輸到相應元器件;導線經過有相對轉動的框架部分不能給陀螺帶來有害的干擾力矩;導線要柔軟,要有允許相對轉動的余量,但又不宜做得太細,要考慮電流大小,電線發(fā)熱。特別是向浮子輸電及傳輸信號,導線得做成螺旋狀,拉力要小,還要有一定的機械

24、強度和承受一定電流強度的能力。導電絲的絕緣穩(wěn)定性要好,材料的比重最好與液浮陀螺、浮液的比重相接近,對浮子不產生剩余的重力。56幾種經典陀螺儀介紹(九)陀螺儀殼體 陀螺儀殼體提供了陀螺儀所有元器件、結構的集成空間。陀螺儀殼體用尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的材料制成,有良好的電磁屏蔽性能。殼體上要有精密加工的安裝基準面,陀螺儀安裝在慣性系統(tǒng)總體結構中,靠安裝基準定位。所以必須把陀螺儀的動量矩方向和陀螺儀的輸入輸出軸按陀螺儀的真實坐標與安裝基準嚴格對準, 才能實現準確的安裝標校,減小安裝誤差。殼體結構設計要便于安裝和調整。57幾種經典陀螺儀介紹二、典型的機械旋轉陀螺儀1、液浮陀螺儀 58 靠液體的浮力來支

25、持陀螺儀浮筒重力的軸承稱為液浮支撐。 氟碳油或浮溴油，具有高比重（2）、化學穩(wěn)定性、無腐蝕、絕緣性好。 液浮陀螺是目前高精度平臺式慣性導航系統(tǒng)中應用最多的陀螺儀。59幾種經典陀螺儀介紹二、典型的機械旋轉陀螺儀2、動力調諧撓性陀螺儀6061當陀螺儀轉子繞內外扭桿扭轉時,扭桿要產生彈性力矩。陀螺框架軸支承的干擾力矩是影響陀螺儀精度的主要因素之一,必須加以消除。中間平衡環(huán)作周期性擺動,中間環(huán)擺動有正弦變化的角速度和角加速度,產生阻尼力矩和慣性力矩。阻尼力矩很小, 慣性力矩正好與扭桿扭轉產生的彈性力矩方向相反。當轉子的轉速達到設計的最佳轉速時,慣性力矩正好與彈性力矩大小相等,互相抵消,這就是動力調諧的

26、狀態(tài)。與液浮陀螺儀比較,它沒有密封的浮子,不需要浮液和輸入輸出軸的支承結構,結構大大簡化。6263幾種經典陀螺儀介紹二、典型的機械旋轉陀螺儀3、靜電陀螺儀 目前得到實際應用的精度最高的陀螺儀; 用靜電懸浮支承的自由轉子陀螺儀;靜電陀螺儀由球形轉子, 帶靜電支承電極的陶瓷球碗以及球碗外的旋轉驅動線圈、起阻尼定中作用的直流線圈、光電信號傳感器、真空密封及吸收氣體分子的鐵離子泵、安裝支座、外殼體、磁屏蔽外罩以及接線端子等組成。球形轉子：精細加工的金屬圓球- 鈹； （1）空心圓球：直徑38毫米,與乒乓球大小相似,重約10克；轉子球的赤道帶壁厚加大,以形成惟一確定的慣性主軸；轉子的轉速一般在三四萬轉每分

27、鐘；為了防止靜電支承力不對稱帶來的干擾力矩,對球轉子的球形度控制很嚴,非6465球形度誤差小于0.1-0.2微米；在光亮的轉子球面上畫有規(guī)律的余弦曲線,在赤道上也要在特定的部位畫有直線,用于光電信號傳感器檢測轉子的偏角。（2）實心圓球：實心轉子直徑10毫米，比空心球小,俗稱小球；實心球比空心球工藝性好,慣性變形也小，可忽略不計；轉子球形度的誤差小于0.05微米；實心轉子作高速旋轉,轉速達到2460轉每秒,接近15萬轉每分鐘；一般采用電容式的角度讀出裝置；光學傳感器只工作在小角度測量范圍。 陶瓷球碗：球碗內表面刻槽并表面金屬涂覆形成靜電支承電極；球碗和轉子球之間的間隙,大球為50微米,球碗非球形

28、度的誤差要小于1微米；小球的間隙只有7.6微米，球碗非球形度的誤差不大于0.125微米；66球碗內抽成真空，保持高真空度，使轉子不受氣體阻力而能高速旋轉；保持真空度是保證靜電陀螺儀壽命的又一重要因素；靜電陀螺儀中還有一組定中線圈,它的作用是使轉子繞慣性主軸旋轉,阻尼轉子的擺動。高精度靜電陀螺儀都是直接應用陀螺儀的定軸性, 即不加任何控制。為了避免陀螺儀外的電磁場對陀螺儀的干擾,陀螺儀殼體外都有良好的由高導磁材料制成的磁屏蔽外罩。 靜電陀螺儀的精度一般在10-4度每小時以上,被應用在要求長時間高精度的慣性系統(tǒng)中，如核潛艇的靜電慣性導航系統(tǒng),靜電監(jiān)控器系統(tǒng),戰(zhàn)略轟炸機慣性導航系統(tǒng),航天飛機慣性導航

29、系統(tǒng)等。67幾種經典陀螺儀介紹三、全固態(tài)長壽命光學陀螺儀(一)Sagnac 效應（1913年 法國科學家 薩格奈克） 當閉合光路相對慣性空間以角速 度旋轉時，順逆光程差可表示為 L = 4A/C* 式中L為光程差，A為光路所包圍的 面積，C是光速，是閉合光路的旋 轉角速度。 68 從光學原理上講，兩束有相同頻率固定相位的光將產生固定的干涉條紋。當兩束干涉光的頻率發(fā)生變化,干涉條紋就發(fā)生移動, 移動的速度和方向與頻率差有關。 1962年，氣體激光器的發(fā)明，使SAGNAC效應得到了實際應用。把激光增益介質引入環(huán) 形諧振腔中,構成環(huán)形激光器,才極大地提高了閉合光路測量角速度的靈敏度。 在閉合光路中,

30、激光束在諧振腔中諧振時,光程的長度是光波長的整數倍。光路長L,波長,則L =n*。光波長與頻率相乘就是光速C = f*,所以f =C/= n/L*。可以方便地推導出順、逆兩束激光諧振的頻率差f為: f = f1-f2 = nC/L2 - nC/L1 69 當已知環(huán)路的光程長度L，兩束光的光程差為4A/C*，光程L2 = L-1/2L， L1 = L+1/2L，可得 f = 4A/(L*)* ，=0.6328微米 在環(huán)形激光器中兩束不同頻率的光波合成產生移動的干涉條紋,經光電檢測器,把移動的干涉條紋變成脈沖輸出。單位時間的脈沖數比例于角速度 。把脈沖數累加起來,就是激光陀螺儀基座的轉角。 記脈沖

31、數為N，則單位時間的脈沖數N/T =4A/(L)，記K = A/(L)，稱為激光陀螺儀的標度因數（刻度系數），表示單位轉角輸出的脈沖數。 70激光陀螺儀生產線71（二）激光陀螺儀72 激光陀螺儀的閉鎖效應的解決方案： 從激光陀螺儀的輸出特性曲線看, 如果使陀螺儀工作在輸出特性的線 性段,避開閉鎖區(qū)和非線性嚴重的 輸出區(qū),就可得到滿意的結果 偏 頻技術。 偏頻技術分為直流偏頻和交流偏頻兩種，直流偏頻技術是給陀螺儀施加恒定的旋轉角速率,相當于選擇一個合適的工作點（速率偏頻）。 交流偏頻技術是施加正、負交變的旋轉速率,如給陀螺儀加正弦變化的角速率,幅值大于激光陀螺儀的鎖區(qū)（抖動偏頻技術）。73激光陀

32、螺儀的優(yōu)點：1.可靠性高,壽命長。2.激光陀螺儀測量的動態(tài)范圍大。3.激光陀螺儀的精度與g無關,激光陀螺儀沒有機械旋轉陀螺儀因質心位移產生的靜不平衡力矩引起的陀螺儀漂移,也沒有與g2有關的漂移。它對交叉軸的線加速度、角加速度和轉動角速度都不敏感,沒有因正交耦合產生的誤差。4.啟動快。5.具有耐沖擊,抗高過載的能力。6.激光陀螺儀直接的數字化信號輸出,沒有傳統(tǒng)陀螺儀中的信號傳感器和力矩器,也無須把輸出的電信號經過模數轉換電路?？梢苑奖愕嘏c計算機接口。7.功耗低。74激光陀螺儀的不足： 為保證激光陀螺儀的精度，有嚴格的加工裝配要求：（1）選用接近零膨脹系數 的石英晶體材料加工諧振腔體和做反射鏡的基

33、片,精細 加工的尺寸、形狀、表面的平直度達到了接近納米的量 級(1納米等于10-3微米,10-9米);（2）反射鏡面的質量直接影響陀螺儀的閉鎖區(qū),要求表面的透射率、散射率非常小,鏡面的反射率要達到99.9%以上； 為達到高反射率,對鏡面要進行幾十層的金屬氧化物的涂覆；（3）反射鏡的裝配,也是加工中的技術難點,要保證鏡面的裝配的位置和角度，應用光膠技術才解決了反射鏡的安裝難點。光膠是把相對粘接材料加工到材料分子尺寸的平面度,利用材料分子力而連接在一起,其加工和裝配的工藝要求相當嚴格。75（三）光纖陀螺儀 光纖陀螺有兩種結構形式,一種是把順、逆兩束光傳播的時間差,轉換成頻率差,它與環(huán)形激光陀螺儀相

34、似,光纖傳播的光路是諧振腔, 稱為諧振式光纖陀螺儀(RFOG)。另一種光纖陀螺儀把時間差轉換成兩束干涉光的直接相位測量,稱為干涉式光纖陀螺儀(IFOG)。 光纖陀螺儀的工作狀態(tài)還可分為開環(huán)式工作狀態(tài)和閉環(huán)式工作狀態(tài)。開環(huán)式系統(tǒng)標度因數的非線性度比較大,精度低,測量的動態(tài)范圍小。閉環(huán)式系統(tǒng)進行相位調制反饋,采用數字電路,顯著地提高了光纖陀螺儀的精度。 76分束器光纖線圈透鏡光探測器光源透鏡77 光纖陀螺儀由以下部件組成:1.光源：光纖陀螺儀的光源有激光二極管和超發(fā)光二極管。 超發(fā)光二極管功率大,噪聲小,是理想的光源。2.光纖圈：用性能優(yōu)越的單模保偏光纖纏繞在線圈骨架上制成。光纖用石英材料制成,芯

35、線直徑在10 微米以下,外面涂覆有保護層,外徑僅有0.2毫米左右。3.分束器：用分束器把一束光合成相等兩束光。4.偏振器：使光束沿一個偏振態(tài)傳播,消除其他的偏振態(tài)。偏振器要有大的消光比,與保偏光線組合, 對保證光纖陀螺儀精度起重要的作用。5.相位調制器：使順、逆兩光束產生相位移,通過對相位調制器的控制,使光纖陀螺儀工作在對角速率最靈敏的工作點。786.電光調制器：電光調制器應用在閉環(huán)光纖陀螺工作狀態(tài),把閉環(huán)反饋回路的電信號轉變成光信號。7.探測器：把薩格奈克相移產生的光強變化轉換成電信號輸出。 光纖陀螺儀具有激光陀螺儀的各種優(yōu)點,它比激光陀螺體積要小,它沒有高壓電源,沒有激光介質泄漏, 沒有機

36、械抖動機構,可靠性更高,體積更小,功耗更低。光纖陀螺儀的出現,對激光陀螺儀構成了強有力的挑戰(zhàn)。目前光纖陀螺儀的精度還略低于激光陀螺儀。目前激光陀螺儀精度也已超過了10-2度每小時水平,正在向10-3度每小時水平進展。79幾種經典陀螺儀介紹三、振動陀螺儀8081幾種經典陀螺儀介紹四、硅微陀螺儀 微機電陀螺儀是在一塊硅基片上應用由集成電路制造技術發(fā)展起來的微納米加工技術,刻蝕加工成陀螺儀的慣性質量和相應的電路,封裝后,猶似一般集成電路的芯片一樣。一旦研制成功,制造工藝確定以后,制造成千上萬個微機電陀螺與制造一個陀螺一樣方便。 硅微陀螺儀除價格低廉外還有許多突出的優(yōu)點：(1)體積小。(2)重量輕。(

37、3)功耗低。(4)硅微機電陀螺儀批量生產, 性能一致性好、穩(wěn)定性好的特點。(5)能夠忍受高過載高沖擊的動態(tài)環(huán)境。(6)可靠性好。828384加速度計1、加速度計的力學模型 85 加速度這個物理量是難以直接測量的，目前人們是通過測量（檢測）相應的力來間接測量加速度。 mg+ma+F=0 g+a+f=0 f=-g-a f稱為比力，加速度計就是用反饋的約束力來測量地球的引力和物體的運動加速度，在測量值里除去引力，就得到需要測量的加速度a，所以加速度計也叫比力計。862、加速度計的類型（1）按慣性檢測質量的運動方式分類，可分為線加速度計和擺式加速度計。擺式加速度計的力學模型 擺式加速度計的轉軸平衡原理

38、872、加速度計的類型（2）按支承方式分為寶石支承、撓性支承、氣體 懸浮、液體懸浮、磁力支承和靜電支承的加速度計。（3）按檢測方式是否需將所測加速度由輸出端再反饋到輸 入端來分類,有開環(huán)加速度計和閉環(huán)加速度計兩類。 閉環(huán)加速度計又稱力反饋式加速度計,采用反饋原理,把輸出反饋到輸入端,通過不斷地調整輸出量使之與輸入量逐漸接近相等,構成閉環(huán)系統(tǒng)。（4）按其使用的信 號傳感器的類別分類有電容式加速度計、半導體壓阻式加速 度計、電感式加速度計、電位器式加速度計等;（5）按其工作原理分類有振弦式加速度計、靜電式加速度計、擺式陀螺加速度計等等。88石英振梁加速度計主要技術指標項 目指 標測量范圍100g偏值月穩(wěn)定性（1）400ug分辨率20ug標度因數80Hz/g標度因