微慣性技術(shù)(第二講)慣性元件.ppt

1、1,慣性器件元件,2,主要內(nèi)容,加速度計(jì)與微加速度計(jì) 陀螺儀與微陀螺儀 慣性測(cè)量組合與微型慣性測(cè)量組合,3,微加速度計(jì),加速度計(jì)與微加速度計(jì) 概述 定義 工作原理 分類 信號(hào)檢測(cè) 設(shè)計(jì)程序,4,加速度計(jì)概述,20世紀(jì)40年代初，德國(guó)人研制出了世界上第一只擺式陀螺加速度計(jì)。此后的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，由于航空、航海和航天領(lǐng)域?qū)T性測(cè)量元件的需求，各種新型加速度計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。,5,加速度計(jì)的原理,加速度計(jì)是按照慣性原理相對(duì)慣性空間工作的。加速度(即速度的變化率)本身很難直接測(cè)量，實(shí)際上現(xiàn)有的傳統(tǒng)加速度計(jì)都是借助敏感質(zhì)量變成力進(jìn)行間接測(cè)量的。 加速度計(jì)測(cè)量原理基于牛頓第二

2、定律：作用于物體上的力等于該物體的質(zhì)量乘以加速度。換句話說(shuō)，加速度作用在敏感質(zhì)量上形成慣性力，測(cè)量該慣性力，間接測(cè)量載體受到的加速度。 在慣性空間加速度計(jì)無(wú)法區(qū)分慣性力和萬(wàn)有引力因此加速度計(jì)的輸出反映的是單位檢測(cè)質(zhì)量所受的慣性空間的合力，即慣性力與萬(wàn)行引力之和。慣性技術(shù)領(lǐng)域?qū)挝幻舾匈|(zhì)量所受的力稱為比力，加速度計(jì)的輸出直接反映比力信息，因此加速度計(jì)也稱作比力傳感器。,6,外部加速度對(duì)質(zhì)量塊發(fā)生作用，然后通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊的位移、質(zhì)量塊對(duì)框架的作用力，或保持其位置不同所需的力來(lái)得出加速度值。,7,1.2 基本工作原理,基本物理原理 F=ma,8,加速度計(jì)的種類很多，由發(fā)展時(shí)間的先后依次是:三、四十年

3、代的擺式積分陀螺加速度計(jì)和寶石軸承擺式加速度計(jì)，六十年代中期開始發(fā)展起來(lái)的液浮擺式加速度計(jì)、撓性加速度計(jì)、壓電加速度計(jì)、電磁加速度計(jì)等，七十年代以后是靜電加速度計(jì)、激光加速度計(jì)，目前，除了上述各類加速度計(jì)不斷改進(jìn)提高之外，其它基于新支承形式、新材料、新工藝的加速度計(jì)正在迅速發(fā)展。,9,加速度計(jì)分類 按慣性檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式分類，可分為線加速度計(jì)和擺式加速度計(jì)； 按支撐方式分類，可分為寶石軸承支承加速度計(jì)、液體懸浮支承加速度計(jì)、氣體懸浮支承加速度計(jì)、撓性支撐加速度計(jì)、磁懸浮支承加速度計(jì)和靜電支撐陀螺加速度計(jì)等； 按有無(wú)反饋信號(hào)分類，可分為開環(huán)加速度計(jì)和閉環(huán)加速度計(jì)； 按加矩方式分類，可分為模擬加

4、矩式加速度計(jì)和脈沖加距式加速度計(jì)； 按敏感信號(hào)方式分類，可分為電容式加速度計(jì)、半導(dǎo)體壓阻式加速度計(jì)、電感式加速度計(jì)、壓電式加速度計(jì)； 按工作原理分類，可分為振弦式加速度計(jì)、擺式陀螺加速度計(jì)等。,10,（1）液浮擺式加速度計(jì),四十多年前，將液體懸浮技術(shù)成功地應(yīng)用于擺式加速度計(jì)與單自由度速率積分陀螺，是現(xiàn)代慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。六十年代，液浮慣性元件已發(fā)展到成熟階段，各種類型的液浮擺式加速度計(jì)大量應(yīng)用于飛行器的導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)中，目前作為一種典型的加速度計(jì)，它仍在不斷發(fā)展和廣泛地應(yīng)用。,11,（2）撓性加速度計(jì),雖然液浮擺式加速度計(jì)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，但是隨著發(fā)展低成本慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求

5、，在六十年代中期出現(xiàn)了非液浮的所謂干式加速度計(jì)。由于這種儀表采用撓性支承技術(shù)，結(jié)構(gòu)與工藝大大簡(jiǎn)化，至今在精度及可靠性方面，己完全達(dá)到了現(xiàn)代慣導(dǎo)系統(tǒng)中應(yīng)用的要求。 撓性加速度計(jì)也是一種擺式加速度計(jì)，它與液浮加速度計(jì)的主要區(qū)別在于它的擺組件不是懸浮在液體中，而是彈性地聯(lián)接在某種類型的撓性支承上。因而，消除了類似寶石軸承和軸尖間的摩擦，從而使儀表獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。,12,（3）擺式積分陀螺加速度計(jì)(PIGA),PIGA的基本工作原理就是應(yīng)用由陀螺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力矩來(lái)平衡擺在加速度作用產(chǎn)生的慣性力矩。 第一個(gè)PIGA是由德國(guó)研制的并在第二次世界大戰(zhàn)中用在V2火箭上。后來(lái)根據(jù)這一原理研制出了高精度加速度計(jì)

6、Honeywell和Litton兩家制造商目前正在生產(chǎn)PIGA，法國(guó)和前蘇聯(lián)也生產(chǎn)了一些不同類型的PIGA。 PIGA具有很高的精度，但也非常昂貴。,13,1.3 微加速度計(jì)的分類,按檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)形式來(lái)分： 有角振動(dòng)式和線振動(dòng)式加速度計(jì),14,按檢測(cè)質(zhì)量支承方式來(lái)分： 有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式,15,按控制方式來(lái)分： 有開環(huán)式和閉環(huán)式。,16,根據(jù)梁的個(gè)數(shù) 單梁結(jié)構(gòu)、單端雙梁結(jié)構(gòu)、雙端雙梁結(jié)構(gòu)、多梁結(jié)構(gòu),17,18,根據(jù)敏感軸數(shù)量 單軸、雙軸、三軸,19,按信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)分 壓阻效應(yīng) 電容效應(yīng) 隧穿效應(yīng) 壓電效應(yīng) 電感效應(yīng) 諧振效應(yīng) 熱效應(yīng) 光學(xué)效應(yīng),20,1.1 壓阻式加速度計(jì),特

7、點(diǎn) 讀出電路非常簡(jiǎn)單 壓敏電阻制作難度大 溫度系數(shù)大,21,典型壓阻式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)圖,22,壓阻式微加速度傳感器溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì),零點(diǎn)溫度補(bǔ)償,23,漂移電壓源靈敏度溫度補(bǔ)償,24,1.2 電容式加速度計(jì),特點(diǎn) 敏感器件制作簡(jiǎn)單 不受溫度影響 讀出電路復(fù)雜 易受寄生參數(shù)影響 非線性,25,電容式傳感器需掌握的幾個(gè)公式,26,1.2.1 平板電容式加速度計(jì),當(dāng)無(wú)加速度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量處于中間位置，上下極板與活動(dòng)極板的間隙均為。此時(shí)，極板間電容量C1和C2相等，即,27,圖a,28,4.2.2 扭擺式微機(jī)械加速度計(jì),扭擺式硅微機(jī)械加速度計(jì)最初由美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室研制。 整個(gè)加速度計(jì)由撓性軸、角振動(dòng)

8、板塊和質(zhì)量塊、四個(gè)電極及其電子線路組成。質(zhì)量塊敏感加速度引起板塊的角振動(dòng)，產(chǎn)生電容輸出信號(hào)。,29,無(wú)加速度輸入式 有加速度輸入時(shí)，活動(dòng)極板繞其撓性軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角,30,動(dòng)極板角位移引起敏感極板電容量的變化為,31,4.2.3 梳齒式電容微機(jī)械加速度計(jì),32,33,在沒(méi)有加速度輸入時(shí) 加速度a作用時(shí), 擺片將移動(dòng)一個(gè)小位移,34,4.2.3 用于微弱差動(dòng)電容的檢測(cè)方法,要測(cè)量差動(dòng)電容的變化，可以將電容值轉(zhuǎn)化為電壓、電流或者頻率等容易測(cè)量的物理量，其中最常用的是轉(zhuǎn)換成電壓。,35,4.3 隧道式微機(jī)械加速度計(jì),由物理學(xué)可知，將尺寸很小（109m）的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)它們之間非

9、常接近（1m）時(shí)，在外電場(chǎng)作用下，電子會(huì)穿過(guò)這兩個(gè)電極從一極流向另一極，這就是隧道效應(yīng)。,36,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這兩極間距減少0.1nm，隧道電流將增加10倍，利用這種效應(yīng)可以測(cè)量加速度。電子隧道型加速度計(jì)通常由檢測(cè)質(zhì)量、支承梁、隧道探針和控制電路等部分組成。它的工作原理是，當(dāng)被測(cè)加速度使檢測(cè)質(zhì)量與隧道探針之間距離發(fā)生變化時(shí)，兩極間將產(chǎn)生巨大的電流變化，檢出這一變化信號(hào)就可測(cè)得加速度。,37,特點(diǎn) 極高的靈敏度 不受穩(wěn)定影響 低頻噪音太大 必須閉環(huán)工作,38,39,40,信號(hào)檢測(cè),41,4.4 諧振式加速度計(jì),特點(diǎn) 直接數(shù)字輸出 潛在的高精度,42,工作原理,43,加速度傳感器的分辨率跟下列因素有

10、關(guān)： （1）加速度計(jì)的加工工藝。 工藝精度越高，加工出兩個(gè)諧振梁的特性可以更加接近，固有頻率近似相等，即可以大大地提高傳感器輸出信號(hào)的分辨率。 （2）諧振梁本身的特性有關(guān)。相應(yīng)地增大兩個(gè)諧振梁剛度，提高諧振梁的固有頻率，也可提高傳感器的分辨率，但梁剛度則又影響到了加速度作用時(shí)梁的變形量，所以必須綜合考慮梁的剛度影響。,44,電路設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真,該電路主要包括三個(gè)部分：一是諧振驅(qū)動(dòng)電路，二是頻率檢測(cè)電路，第三部分為差頻電路,45,驅(qū)動(dòng)電路,利用鎖相環(huán)電路或反饋回路來(lái)控制振蕩電路的頻率，使得兩諧振梁在各自的固有頻率下共振，這樣兩個(gè)諧振梁的振幅達(dá)到最大值，從而輸出頻率信號(hào)的幅值達(dá)到最大值。,46,

11、頻率檢測(cè)電路,頻率檢測(cè)電路是間接地通過(guò)測(cè)電容的變化來(lái)測(cè)得輸出信號(hào)頻率的。主要由電荷放大器構(gòu)成，用以將電容的電荷量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。,47,差頻電路,先用乘法器，使得兩個(gè)頻率信號(hào)相乘。然后用一個(gè)低通濾波器濾除掉高頻信號(hào)，則可以得到所要的差頻信號(hào),48,4.5 熱對(duì)流式加速度計(jì),特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)和讀出電路簡(jiǎn)單 響應(yīng)較慢 線性工作范圍小 受溫度影響大,49,工作原理,熱對(duì)流加速度計(jì)包含一個(gè)密閉的腔體， 腔體中充有流體，其中有一個(gè)加熱元件把腔體中加熱元件周圍的流體加熱， 加熱后的流體發(fā)生膨脹而密度下降，在重力的作用下上升，周圍相對(duì)冷的流體填補(bǔ)到空位置上，這樣反復(fù)循環(huán)而造成熱對(duì)流傳導(dǎo)。 加熱元件和兩個(gè)敏感元件都

12、是懸空的,50,檢測(cè)電路,51,4.6 壓電式加速度計(jì),壓電傳感器是一種利用壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的變換器。廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、沖擊的測(cè)量，是一種拾取力信號(hào)，輸出電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換部件。常和電荷或電壓放大器一起組成測(cè)量電路,在電子產(chǎn)品檢驗(yàn)部門的振動(dòng)臺(tái)及其檢定中起著重要的作用。,52,特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 無(wú)法測(cè)直流（常加速度） 溫度系數(shù)較大,53,4.7 微型雙軸加速度計(jì),所謂微型雙軸加速度計(jì)是能夠同時(shí)測(cè)量相互正交兩個(gè)軸加速度的微型儀表。 從結(jié)構(gòu)組成上可分為兩類： 一類是在同一硅片上實(shí)現(xiàn)敏感兩個(gè)軸的加速度，最簡(jiǎn)單的做法可將結(jié)構(gòu)完全相同的單自由度加速度計(jì)相互正交的做在同一硅片上，配以相應(yīng)測(cè)量電路； 另一類

13、是將兩只單自由度加速度計(jì)封裝在一起,54,帶折疊梁的叉指電容式微加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,55,4.8 微型三軸加速度計(jì),三軸電容式加速度計(jì),56,三軸硅微壓阻式加速度計(jì),57,Sandia National Laboratories 三軸加速度計(jì),58,微機(jī)械加速度傳感器,59,5 微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)程序,性能指標(biāo) 檢測(cè)原理 機(jī)械結(jié)構(gòu) 電路 控制方式 試驗(yàn)測(cè)試,60,基本指標(biāo)和測(cè)試,量程 分辨率 靈敏度 偏置（零位）穩(wěn)定性 標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性 交叉耦合 重復(fù)性 溫度系數(shù),61,基本設(shè)計(jì)問(wèn)題機(jī)械,質(zhì)量 熱運(yùn)動(dòng)噪聲 剛度 靜電力正反饋 非線性 交叉耦合 加工誤差 殘余應(yīng)力 熱穩(wěn)定性,62,基本設(shè)計(jì)問(wèn)題電

14、路,壓阻效應(yīng) 熱噪聲與電阻值成正比 電容效應(yīng) 寄生電容 低阻放大器 高阻放大器 開關(guān)電容放大器,63,基本設(shè)計(jì)問(wèn)題電路,前置放大器的噪聲和漂移是最主要的誤差源 差動(dòng)檢測(cè)可有效的減小甚至消除一些誤差 數(shù)字化 集成,64,基本設(shè)計(jì)問(wèn)題閉環(huán)控制,閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)： 高精度 高線性度 增大動(dòng)態(tài)范圍 展寬頻帶 調(diào)節(jié)阻尼比,65,基本設(shè)計(jì)問(wèn)題閉環(huán)控制,66,詳細(xì)設(shè)計(jì)、加工過(guò)程,微系統(tǒng)的制造技術(shù)，除包括標(biāo)準(zhǔn)的微電子工藝外，還有微系統(tǒng)的特殊工藝，例如表面加工工藝、體加工工藝、硅硅鍵合和硅玻璃鍵合。,67,68,69,陀螺儀與微陀螺儀,70,陀螺儀簡(jiǎn)介,陀螺是一種用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)角的儀器。 它在運(yùn)輸系統(tǒng)，例

15、如導(dǎo)航、剎車調(diào)節(jié)控制和加速度測(cè)量等方面有很多應(yīng)用。 宏觀的陀螺可分成兩個(gè)主要種類：非機(jī)械（光學(xué)的）式的或機(jī)械式的。,71,非機(jī)械陀螺利用光環(huán)使光束在相反方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)陀螺結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)光束的多普勒移位。 而宏觀的機(jī)械式的陀螺通常是用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤產(chǎn)生一個(gè)慣性的參照體，由于微機(jī)械方法加工帶有足夠質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)部分很難，所以典型的微機(jī)械陀螺使用振動(dòng)結(jié)構(gòu)。,72,陀螺儀是慣性器件之一 陀螺在任何環(huán)境下都具有自主導(dǎo)航能力的特性 自問(wèn)世以來(lái),被廣泛運(yùn)用于航海、航空、航天、軍事等領(lǐng)域,而且一直是各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一 在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天,與陀螺相關(guān)的技術(shù),仍然是人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一,73,一陀螺的發(fā)展簡(jiǎn)史

16、,陀螺的原意為高速旋轉(zhuǎn)的剛體,而現(xiàn)在一般將能夠測(cè)量相對(duì)慣性空間的角速度和角位移的裝置稱為陀螺。 陀螺是一種即使無(wú)外界參考信號(hào)也能探測(cè)出運(yùn)載體本身姿態(tài)和狀態(tài)變化的傳感器。,74,陀螺的功能是敏感運(yùn)動(dòng)體的角度、角速度和角加速度。 陀螺儀有兩大特性, 即定軸性和進(jìn)動(dòng)性。 利用這兩個(gè)特性就可在導(dǎo)彈等運(yùn)載器的飛行過(guò)程中建立不變的基準(zhǔn), 從而測(cè)量出運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)角和角速度,75,定軸性：陀螺在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中不會(huì)倒下，要?dú)w功于陀螺的第一個(gè)特性，叫做定軸性。 陀螺在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果作用在它上面的外力的力矩為零，由角動(dòng)量定理可知，這時(shí)陀螺對(duì)于支點(diǎn)的角動(dòng)量守恒，在運(yùn)動(dòng)中角動(dòng)量的方向始終保持不變.陀螺上的每一個(gè)點(diǎn)都在一個(gè)跟

17、旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面里沿著一個(gè)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。按照慣性定律，每一個(gè)點(diǎn)隨時(shí)都極力想使自己沿著圓周的一條切線離開圓周，可是所有的切線都與圓周本身在同一個(gè)平面內(nèi)。因此，每一個(gè)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，都極力使自己始終停留在跟旋轉(zhuǎn)軸垂直的那個(gè)平面上。角動(dòng)量守恒在生活中是隨處可見的.花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員把手收攏或者抱胸，她身體的一部分到轉(zhuǎn)軸的距離變小，自轉(zhuǎn)角速度變大，運(yùn)動(dòng)員就飛速旋轉(zhuǎn)起來(lái)了.,76,進(jìn)動(dòng)性 陀螺的第二個(gè)特性是進(jìn)動(dòng)性.當(dāng)陀螺高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺的中心軸像是繞著一個(gè)豎立的桿子在轉(zhuǎn)圈，這種高速自轉(zhuǎn)物體的軸在空間轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象叫做進(jìn)動(dòng)。這是因?yàn)楫?dāng)陀螺受到對(duì)于支點(diǎn)的重力的力矩作用時(shí)，根據(jù)角動(dòng)量定理，角動(dòng)量的矢量方向便隨著陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)

18、，描出一個(gè)圓錐體。 其實(shí)，由于太陽(yáng)和月球施加的潮汐力，我們的地球一直在不斷地緩慢地進(jìn)動(dòng)著，長(zhǎng)期的進(jìn)動(dòng)就成為歲差。 在我們的日常生活中，也可以常?？吹竭M(jìn)動(dòng)，例如自行車在行駛過(guò)程中，如果它稍有歪斜，只要把車頭向另一方稍微轉(zhuǎn)動(dòng)一下，車子就平衡了.這是重力對(duì)于輪胎支點(diǎn)形成了進(jìn)動(dòng)力矩，促使車子恢復(fù)了平衡.,77,章動(dòng)性 陀螺的第三個(gè)特點(diǎn)是章動(dòng)性.陀螺不可能永無(wú)止境地旋轉(zhuǎn)下去，當(dāng)陀螺由于摩擦而開始慢慢下落時(shí)，所做的運(yùn)動(dòng)就是章動(dòng)。章動(dòng)是指剛體做進(jìn)動(dòng)時(shí)，繞自轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量的傾角在兩個(gè)角度之間變化，拉丁語(yǔ)的意思就是點(diǎn)頭.陀螺在做進(jìn)動(dòng)的同時(shí)，它的頂部還在做著“點(diǎn)頭”運(yùn)動(dòng). 章動(dòng)在天體中是一個(gè)非常常見的運(yùn)動(dòng)，地球也存

19、在著章動(dòng)，地球“點(diǎn)一次頭”要花18.6年.我國(guó)古代歷法將19年稱為一章，因此這種運(yùn)動(dòng)就被稱為章動(dòng).,78,自1910 年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來(lái), 陀螺已有近100 年的發(fā)展史, 發(fā)展過(guò)程大致分為4 個(gè)階段: 第一階段是滾珠軸承支承陀螺馬達(dá)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(lái)的液浮和氣浮陀螺 第三階段是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來(lái)的干式動(dòng)力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺 目前陀螺的發(fā)展已進(jìn)入第四個(gè)階段, 即靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和振動(dòng)陀螺,79,二 各個(gè)陀螺儀的基本原理及應(yīng)用,靜電陀螺 激光陀螺 光纖陀螺 振動(dòng)陀螺,80,1 靜電陀螺,定義： 靜電陀螺儀是利用靜電引力

20、使金屬球形轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái), 是自由轉(zhuǎn)子陀螺。 特性: 在宇宙航行中, 對(duì)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。,81,靜電陀螺儀結(jié)構(gòu)圖,結(jié)構(gòu)： 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(duì)稱密封殼體內(nèi)而形成陀螺組件。,82,原理： 給電極充電后, 只要沿空間相互垂直三個(gè)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(lái)。 靜電懸浮必須在超真空( 1.33 10-5 10-7 Pa) 環(huán)境下才有可能實(shí)現(xiàn),否則會(huì)擊穿放電，破壞靜電支承力。超真空使氣體阻

21、力矩減小到最低限度, 這樣起動(dòng)后就能靠慣性長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)下去, 可以運(yùn)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(duì)殼體的位移信號(hào), 這就有可能使陀螺兼起3 個(gè)方向加速度計(jì)的作用, 靈敏度為10-3 g 10-7 g, 這種多功能陀螺, 只有靜電陀螺才能實(shí)現(xiàn)。,83,2 激光陀螺,84,傳統(tǒng)的陀螺， 無(wú)論是早期的滾珠軸承陀螺， 還是后來(lái)發(fā)展起來(lái)的液浮陀螺、靜電陀螺，都離不開高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子， 由于高速轉(zhuǎn)子容易產(chǎn)生質(zhì)量不平衡、容易受到加速度的影響， 而且需要一段預(yù)熱時(shí)間轉(zhuǎn)速才能達(dá)到穩(wěn)定等問(wèn)題， 使用起來(lái)很不方便，因此研制沒(méi)有高速轉(zhuǎn)子的陀螺一直是人們極為關(guān)心的問(wèn)題。,85,Sagnac效應(yīng)是1

22、913 年在研究轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)形干涉儀時(shí)提出來(lái)的。 1960年激光技術(shù)出現(xiàn)以后, 應(yīng)用薩格奈克原理的激光陀螺儀得到了迅速發(fā)展。 到20 世紀(jì)80 年代， 激光陀螺成功用于飛機(jī)和地面車輛的導(dǎo)航、艦炮穩(wěn)定等，開始取代機(jī)械陀螺，并進(jìn)行了用于導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等更高精度的試驗(yàn)。,86,下圖是激光陀螺結(jié)構(gòu)圖,87,工作原理 在環(huán)形光路中, 沿順、逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ膬晒馐? 當(dāng)環(huán)形光路相對(duì)慣性空間不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 順、逆時(shí)針的光程長(zhǎng)度相同 當(dāng)環(huán)形光路相對(duì)慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)角速度時(shí), 順、逆光程就有差異,其光程差L 正比于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度值。 測(cè)出L 值即可測(cè)出角速度。,88,給電極通電后, 氣體放電激發(fā)出兩束方向相反的連續(xù)激光,

23、當(dāng)環(huán)形光路相對(duì)慣性空間靜止時(shí), 順、逆時(shí)針?lè)较虻膬墒す庖酝瑯拥臅r(shí)間傳播一圈, 光程和頻率相同。,89,而環(huán)形光路相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)時(shí), 順、逆時(shí)針?lè)较虻膬墒す鈧鞑ヒ蝗Φ墓獬毯皖l率不同, 當(dāng)環(huán)形光路在慣性空間以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí), 順、逆時(shí)針的激光行波的頻率決定于環(huán)形空腔的順、逆閉合腔長(zhǎng)(即光程),90,順時(shí)針?lè)较虻墓獬套冮L(zhǎng),頻率減小, 逆時(shí)針?lè)较蚬馐墓獬套兌? 頻率增加, 順、逆時(shí)針把光程差轉(zhuǎn)換為頻率差, 測(cè)出順、逆時(shí)針激光行波的頻差, 就可以測(cè)出陀螺儀的旋轉(zhuǎn)角速度。 由于激光陀螺儀是與運(yùn)載器固連的, 因而也就知道運(yùn)載器的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。,91,激光陀螺儀較為突出的優(yōu)點(diǎn)是: 具有大動(dòng)態(tài)范圍和高速

24、率性能; 精度高, 激光陀螺儀的漂移率已達(dá)到0. 001 ( ) /h 起動(dòng)時(shí)間短, 一般只需要千分之幾秒(機(jī)電陀螺需4min 才進(jìn)入工作狀態(tài)) 壽命長(zhǎng), 可達(dá)(25) 104 h (機(jī)電陀螺使用600h后就需進(jìn)行檢查) 可靠性高。,92,激光陀螺儀的缺點(diǎn): 存在閉鎖現(xiàn)象, 即在低角速度區(qū)域里, 產(chǎn)生頻率牽引, 使拍頻為零而不能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角速度 價(jià)格昂貴, 制作工藝復(fù)雜且材料昂貴 體積較大, 受靈敏度限制不能減小。,93,發(fā)展（國(guó)際上） 霍尼韋爾公司研制的激光陀螺水平最高, 生產(chǎn)的陀螺主要用于波音757 和767 客機(jī)的慣導(dǎo)系統(tǒng)。 利頓公司研制的激光陀螺主要用于歐洲的大型遠(yuǎn)程和近程客機(jī), 以及遠(yuǎn)

25、程、近程導(dǎo)彈。在高性能的慣導(dǎo)領(lǐng)域中, 激光陀螺具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。,94,3 光纖陀螺,1976 年, 美國(guó)猶他大學(xué)的Vali和R. W. Shorthil首次提出了光纖陀螺( Fiber op tic gyro)的概念。 它標(biāo)志著第二代光學(xué)陀螺光纖陀螺的誕生(第一代光學(xué)陀螺為激光陀螺) 。,95,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(cè)出隨轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算出旋轉(zhuǎn)的角速度。,96,與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比, 光纖陀螺具有如下顯著特點(diǎn) ： 無(wú)運(yùn)動(dòng)部件, 儀器牢固穩(wěn)定, 耐沖擊和抗加速度運(yùn)動(dòng) 繞制的光纖增長(zhǎng)了激光束的檢測(cè)光路, 使檢測(cè)

26、靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí), 從而有效地克服了激光陀螺儀的閉鎖問(wèn)題 無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件, 不存在磨損問(wèn)題, 因而具有較長(zhǎng)的使用壽命,97,相干光束的傳播時(shí)間極短, 因而原理上可瞬間啟動(dòng) 易于采用集成光路技術(shù), 信號(hào)穩(wěn)定可靠, 且可直接用數(shù)字輸出, 并與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)接 具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍,約為2 000 ( ) / s 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低, 體積小, 質(zhì)量輕。,98,光纖陀螺分類： 光纖陀螺就原理與結(jié)構(gòu)而言, 可以將其分為 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 Fabry2Perot光纖陀螺,99,從檢測(cè)相位的方法看, 也可將其分為 開環(huán)光纖陀螺 閉環(huán)光纖

27、陀螺,100,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 延時(shí)調(diào)制式光纖陀螺,101,光纖陀螺的發(fā)展： 光纖陀螺不僅具有環(huán)形激光陀螺的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn), 而且在某些方面還優(yōu)于環(huán)形激光陀螺, 無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域里都擁有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力和廣闊的潛在市場(chǎng)。,102,隨著光纖技術(shù)和集成光路技術(shù)的發(fā)展, 光纖陀螺正朝著高精度和小型化發(fā)展。 漂移率低達(dá)0. 001( ) /h的新型高性能精密慣導(dǎo)光纖陀螺將步入實(shí)用化, 廣泛裝備于導(dǎo)彈、飛機(jī)和艦艇的導(dǎo)航系統(tǒng)以及軍用衛(wèi)星與地形跟蹤匹配等系統(tǒng)中。,103,據(jù)統(tǒng)計(jì), 美國(guó)從1983年到1994年的10余年間, 各類慣性陀螺儀由86%下降到35% 激光

28、陀螺儀由14%略增加到16% , 并從1988 年開始未見上升趨勢(shì) 而光纖陀螺儀則由0%上升到49%,104,角速率傳感器基本工作原理,旋轉(zhuǎn)剛體 定軸性 進(jìn)動(dòng)性 振動(dòng)剛體 傅科擺,105,陀螺儀簡(jiǎn)介,106,音叉式陀螺儀原理介紹,音叉式振動(dòng)陀螺儀的典型結(jié)構(gòu)如上圖所示。其簡(jiǎn)化示意圖如上所示，設(shè)音叉兩臂的質(zhì)量都分別集中于其端點(diǎn)，且為m0，設(shè)在某一瞬時(shí)，兩集中質(zhì)量相向速度分別為v1及v2，且有關(guān)系式v1=v2=v，載體繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為x，由于哥氏效應(yīng)，兩集中質(zhì)量的哥氏加速度絕對(duì)值為ac=2 x v，方向如圖所示，哥氏力Fc=2m x v，哥氏力矩M=4mR x v。我們就通過(guò)檢測(cè)哥氏力或哥氏力矩的大小來(lái)得到載體的角速度x。,107,角速率傳感器基本工作原理,108,角速率傳感器音叉式,109,典型的陀螺儀,可用于軍事、民用航空、汽車、導(dǎo)彈等領(lǐng)域的高性能長(zhǎng)壽命的微型陀螺儀，其大小比襯衫的紐扣還小，重量不足1克。,110,典型的陀螺儀,日本的CRS-03 陀螺,中間是一個(gè)磁鐵,111,典型的陀螺儀,AD公司生產(chǎn)的陀螺內(nèi)部結(jié)構(gòu),112,典型的陀螺儀,AD 公司 雙軸陀螺,113,美國(guó)BEI公司生產(chǎn)的QR14,114,陀螺儀的分類,非機(jī)械式 激光陀螺和光纖陀螺 機(jī)械式（主要介紹微機(jī)械式） 1）振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀 2）轉(zhuǎn)子式微機(jī)械陀螺儀 3）微機(jī)械加速度計(jì)陀螺儀,115,1）振動(dòng)式微