【文章內(nèi)容簡介】 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)。 41 42 43 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(shù) 陀螺儀反力矩 廣義地說 ,世界上一切事物都處于相對的平衡之中。在 力學(xué)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=Hω 對陀螺儀施加多大的力矩 ,就會產(chǎn)生相應(yīng)的多大的進動。 有多大的進動 ,就產(chǎn)生多大的陀螺力矩與施加的作用力矩相平 衡。 44 (一 )按陀螺儀研制成功并得到實際應(yīng)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(diào)陀螺儀 20世紀 70年代 期間高精度靜電陀螺儀技術(shù)趨于完善 ,在高精度領(lǐng)域 得到應(yīng)用。 ? 光學(xué)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(jīng)達到慣性級的精度 ,在高中精度的領(lǐng)域得 到成功應(yīng)用。光纖陀螺儀的后來居上 ,大有挑戰(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(lǐng)域 三、陀螺儀的分類 陀螺儀的定義、分類及性能參數(shù) 45 (二 )按陀螺儀的基本工作原理分類 ? 機械轉(zhuǎn)子陀螺 ：液浮、動調(diào)、靜電以及氣浮自由轉(zhuǎn)子、磁 浮陀螺和超導(dǎo)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(xué)陀螺儀 ：激光、光纖及集成光學(xué)或稱為光波導(dǎo)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(shù)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(shù) 46 (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(gòu)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(xué)陀螺、振 動陀螺可以直接輸出角速率信號 ,機械轉(zhuǎn)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(shù) 47 (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 103 176。 /h 遠程運載火 箭、洲際導(dǎo)彈、核潛艇 中等精度（導(dǎo)航級）陀螺儀 優(yōu)于 10 2176。 /h 飛機的航姿系統(tǒng)、船用平臺羅經(jīng) 中低精度陀螺儀 176。 /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(shù)武器 ,發(fā)控穩(wěn)瞄等系統(tǒng) 低精度陀螺儀 ~1 176。 /h 用于交通車輛、工業(yè)的運動檢 測 角速率傳感器 176。 /s 三、陀螺儀的分類 陀螺儀的定義、分類及性能參數(shù) 48 未來陀螺儀的應(yīng)用 49 (一 )陀螺儀的物理參數(shù) 指陀螺儀的體積、質(zhì)量、外形尺寸及安裝尺寸、安裝基準 及標定方法。 (二 )結(jié)構(gòu)參數(shù) 指轉(zhuǎn)子陀螺儀的動量矩、陀螺儀的轉(zhuǎn)速、陀螺儀力矩器的 力矩系數(shù)、陀螺儀的進動系數(shù)、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(shù) 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 制造上的缺陷及干擾產(chǎn)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(shù) 陀螺儀的定義、分類及性能參數(shù) 50 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(guān)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(guān)的漂移系數(shù) ,與 g2有關(guān)的系數(shù)等。還有陀 螺儀的 分辨率、零漂、線性度、頻帶、溫度系數(shù) 等。 (四 )可靠性及使用壽命 現(xiàn)在滾珠軸承的陀螺儀壽命可以達到 1萬至 , 振動、光學(xué)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(fù)的 ,所以高可靠性指 標也就是陀螺儀的壽命指標。 當(dāng)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。 51 (五 )陀螺儀的使用條件及環(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(xué)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(shù)指標要求下考慮是否具有大批量生產(chǎn)能力 ,以及制造成 本、銷售價格和全壽命周期的運行費用。 52 幾種經(jīng)典陀螺儀介紹 一、機械旋轉(zhuǎn)陀螺儀的原理結(jié)構(gòu) (一 )陀螺儀轉(zhuǎn)子 陀螺儀轉(zhuǎn)子是一個對稱平衡的繞定點高速旋轉(zhuǎn)的剛體。 為了使轉(zhuǎn)子的動量矩 H大 ,一般都用高比重的合金做成外轉(zhuǎn) 子的形式 ,轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布盡量遠離旋轉(zhuǎn)軸線 ,使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 動慣量 J增大。為了保證結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性 ,先進的陀螺儀等 用鍍材作為轉(zhuǎn)子和框架的結(jié)構(gòu)材料。 (二 )陀螺電機 19世紀 80年代 ,電動機技術(shù)應(yīng)用于陀螺儀 ,解決了陀螺 儀長期高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。 永磁同步電機是理想的陀螺儀的驅(qū)動電機。 53 幾種經(jīng)典陀螺儀介紹 (三 )陀螺儀轉(zhuǎn)子支承 高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子支承 ,俗稱主軸承。主軸承質(zhì)量是影響 陀螺儀的精度和壽命的關(guān)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(chǎn)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(zhuǎn)動 ,也沒有大的相對的轉(zhuǎn)角。 框架支承的主要技術(shù)指標是摩擦力矩要小。 根據(jù)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(zhuǎn)陀螺儀。 54 幾種經(jīng)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(nèi) 的相對轉(zhuǎn)動的。 角度信號傳感器的輸出應(yīng)有較大的靈敏度 ,有適當(dāng)?shù)慕嵌? 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(shù) 和高的線性度。特別要求角度信號傳感器不要對陀螺產(chǎn)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(chǎn)生拉力 ,電磁干擾力矩要小 。結(jié)構(gòu)盡可能簡單 ,體積小 ,功耗 小 ,便于安裝調(diào)整 ,便于制造和降低成本。 55 幾種經(jīng)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(dāng)?shù)牧仄鳂硕纫驍?shù) ,在可能輸出的最 大控制電流時 ,產(chǎn)生最大力矩 ,滿足陀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(jié)構(gòu)。 (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(dǎo)致結(jié) 構(gòu)的變形 ,產(chǎn)生應(yīng)力和質(zhì)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。 56 幾種經(jīng)典陀螺儀介紹 (八 )導(dǎo)電裝置 要求 :在陀螺殼體上要有導(dǎo)線的插接裝置 ,再經(jīng)過內(nèi)外框架分 別傳輸?shù)较鄳?yīng)元器件 。導(dǎo)線經(jīng)過有相對轉(zhuǎn)動的框架部分不能 給陀螺帶來有害的干擾力矩 。導(dǎo)線要柔軟 ,要有允許相對轉(zhuǎn)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