慣性技術(shù)課件16-振動陀螺(哈工大版,1-16全)

VibratoryGyro振動陀螺1Lecture15--VibratoryGyroOutline振動陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球諧振陀螺2Lecture15--VibratoryGyro1.1振動陀螺:概述機械陀螺----基于牛頓運動定律轉(zhuǎn)子陀螺----液浮，靜電----結(jié)構(gòu)復(fù)雜、昂貴振動陀螺:原理----利用振動的質(zhì)量隨著基座旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的苛氏加速度特點---簡單,輕小,可靠,便宜3Lecture15--VibratoryGyro1.1振動陀螺:發(fā)展歷程Development:1940s-50s---美國研制音叉陀螺1960s---通用汽車（GM）研制壓電陀螺.1970s后期---Delco公司研制半球諧振陀螺1980s早期---Draper和Sperry研制MEMS陀螺精度:音叉,壓電,MEMS:----精度較低(戰(zhàn)術(shù)武器,車輛,坦克,雷達,數(shù)碼產(chǎn)品)半球諧振陀螺(HRG):----較高精度,達到慣性級,光纖陀螺的競爭者.4Lecture15--VibratoryGyroOutline振動陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球諧振陀螺5Lecture15--VibratoryGyro2.1音叉陀螺:結(jié)構(gòu)原理:振動的端部質(zhì)量和基座的轉(zhuǎn)動耦合產(chǎn)生的苛氏效應(yīng)結(jié)構(gòu):

U型的彈性臂.音叉撓性軸阻尼器基座受到激勵后，兩臂做對稱振動，導(dǎo)致兩個端部質(zhì)量做對稱的線振動幾百或幾千Hz,幅值相同(幾百mm)相位相反音叉底部與基座撓性連接6Lecture15--VibratoryGyro2.2音叉陀螺:假設(shè)假設(shè)每個端部質(zhì)量=m/2某個時刻，兩個端部質(zhì)量以速度v相向運動每個質(zhì)量距離中心軸的瞬時距離為s基座繞中心軸以角速度ω

旋轉(zhuǎn)7Lecture15--VibratoryGyro2.3*質(zhì)量的苛氏分析苛氏加速度(大小和方向)苛氏慣性力(大小和方向)苛氏慣性力矩(大小和方向)如果兩個質(zhì)量運動方向相反,則速度v的方向,苛氏加速度ac的方向

,慣性力Fc的方向,和力矩T

的方向都變?yōu)橄喾?8Lecture15--VibratoryGyro2.4音叉的苛氏分析音叉模型的簡化----質(zhì)量集中在兩個端部(m/2),到中心軸的初始距離為s0

.端部質(zhì)量的振動位移振動的速度苛氏加速度苛氏慣性力9Lecture15--VibratoryGyro2.5動態(tài)方程苛氏慣性力矩角位移--------------θ假設(shè)，U型臂繞著中心軸相對基座轉(zhuǎn)動慣量-----------J

阻尼比--------------c扭轉(zhuǎn)剛--------------k則繞中心軸轉(zhuǎn)動的動態(tài)方程可以寫成:10Lecture15--VibratoryGyro2.6I/O特性角位移由傳感器檢測到,輸出電壓信號:

K----輸入輸出比例因子線性的輸入輸出關(guān)系選取ωn=ω0(自然頻率),穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為11Lecture15--VibratoryGyroOutline振動陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球諧振陀螺12Lecture15--VibratoryGyro平板電極3.0電場和靜電力靜電力:ε0---真空介電常數(shù)電容:13Lecture15--VibratoryGyro3.1壓電陀螺壓電效應(yīng):正壓電效應(yīng):F→E當(dāng)晶體受到壓力或張力（形變），產(chǎn)生電勢逆壓電效應(yīng):E→F給晶體施加電場，產(chǎn)生壓力或張力（形變）壓電陀螺利用逆壓電效應(yīng)激振,利用正壓電效應(yīng)讀取信號14Lecture15--VibratoryGyro3.2MEMS陀螺MEMS--Micro-machinedElectromechanicalSystem利用光刻或化學(xué)蝕刻加工石英或硅材料Draper研制的框架式振動陀螺(1990)驅(qū)動軸敏感質(zhì)量內(nèi)框架外框架對外框架激振激振電極敏感質(zhì)量繞外框架軸振動，具有線速度v15Lecture15--VibratoryGyro驅(qū)動軸敏感質(zhì)量3.2MEMS陀螺敏感質(zhì)量繞外框架軸振動，具有線速度v輸入軸

和輸入角速度ω耦合產(chǎn)生苛氏慣性力Fc引起繞內(nèi)框架軸的振動輸出軸由內(nèi)框架上的電極讀取輸出讀取電極16Lecture15--VibratoryGyro3.3使用了MEMS陀螺的SINSMEMS陀螺MEMS加速度計17Lecture15--VibratoryGyro3.3基于MEMS器件的無線筆18Lecture15--VibratoryGyroOutline振動陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球諧振陀螺19Lecture15--VibratoryGyro4.1半球諧振陀螺(HRG)HRG諧振的部件為酒杯狀的薄壁測量是基于振型的偏轉(zhuǎn)Bryan1890年的發(fā)現(xiàn):----酒杯振型的偏轉(zhuǎn)是由于苛氏加速度的影響該發(fā)現(xiàn)直到1970s才被重視核心部件--諧振子,半球或圓柱狀20Lecture15--VibratoryGyro4.2半球諧振陀螺的優(yōu)點

較高的精度,標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定

小體積、低成本

結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高(定向鉆探)

性能穩(wěn)定

啟動時間短

高帶寬(輸入范圍幾乎無限)

承受過載能力強

抗輻射能力強

能夠承受暫時的斷電21Lecture15--VibratoryGyro4.3發(fā)展?fàn)顩r

1970s末--美國Delco公司試制

1982--制成首臺慣性級精度的樣機

1994--Delco被Litton(NorthropGrumman)收購

1980s中期--前蘇開始研制

1990s末--俄進入實用

1987--中國開始研制

1994--受Delco被收購的影響，國內(nèi)研制一度陷入停滯

1997--國內(nèi)重新恢復(fù)22Lecture15--VibratoryGyro4.4組成解剖圖:

上下底座上底座下底座

諧振子及連接半球諧振子

力發(fā)生器和讀取電極離散力發(fā)生器環(huán)形力發(fā)生器讀取諧振子:

石英

直徑58mm

金屬鍍膜4-(波節(jié))波腹振型波節(jié)波腹23Lecture15--VibratoryGyro上底座下底座半球諧振子離散力發(fā)生器環(huán)形力發(fā)生器讀取4.4組成力發(fā)生器:

環(huán)形和離散

環(huán)形提供能量

離散提供振型離散力發(fā)生器諧振子16個離散電極讀取:讀取電極

電容式8個電極

敏感振型偏轉(zhuǎn)封裝:抽真空，大時間常數(shù)24Lecture15--VibratoryGyro4.5振型偏轉(zhuǎn)描述諧振子模型---彈性質(zhì)量環(huán)激振、彈性變形

圓

橢圓1

圓

橢圓2長軸、短軸反復(fù)交替4-波腹振型25Lecture15--VibratoryGyro4.5振型偏轉(zhuǎn)描述基座轉(zhuǎn)動后，振型相對基座有偏轉(zhuǎn)振型相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)，比基座滯后了一個角度ψ，造成振型偏轉(zhuǎn)orK--標(biāo)度因數(shù);對于4波節(jié)振型，K≈0.3node26Lecture15--VibratoryGyro4.6振型偏轉(zhuǎn)分析波腹位置：徑向振動波節(jié)位置：切向振動其它位置：兩種振動合成振動節(jié)拍：

圓橢圓1①②橢圓2③④27Lecture15--VibratoryGyro4.7*振型偏轉(zhuǎn)解釋（1）圓橢圓1

各位置的速度

各位置的苛氏慣性力

質(zhì)量環(huán)原來的變形趨勢

苛氏慣性力作用下質(zhì)量環(huán)的變形趨勢

上述兩種趨勢的綜合28Lecture15--VibratoryGyro4.7振型偏轉(zhuǎn)解釋（2）橢圓1圓

各位置的速度

各位置的苛氏慣性力

質(zhì)量環(huán)原來的變形趨勢

苛氏慣性力作用下質(zhì)量環(huán)的變形趨勢

上述兩種趨勢的綜合29Lecture15--VibratoryGyro4.7振型偏轉(zhuǎn)解釋（3）圓橢圓2各位置的速度各位置的苛氏慣性力質(zhì)量環(huán)原來的變形趨勢苛氏慣性力作用下質(zhì)量環(huán)的變形趨勢

上述兩種趨勢的綜合30Lecture15--VibratoryGyro4.7振型偏轉(zhuǎn)解釋（4）橢圓2