静电陀螺课件.ppt

静电陀螺概述静电陀螺概述Ø框架陀螺框架陀螺：精度追求、三浮：精度追求、三浮 结构复杂，成本高昂结构复杂，成本高昂Ø静电陀螺静电陀螺(Electrostatic￿Gyro)(Electrostatic￿Gyro)：较彻底的支承革新：较彻底的支承革新￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿球形转子球形转子;￿￿￿;￿￿￿电极球腔电极球腔 静电悬浮静电悬浮;￿￿￿;￿￿￿超高真空超高真空Ø静电陀螺优点静电陀螺优点：： 精度高，真正的自由转子精度高，真正的自由转子 结构简单，可靠性高结构简单，可靠性高Ø应用应用：战略武器、火箭：战略武器、火箭Ø缺点缺点：工艺：工艺复杂复杂 1静电陀螺发展概况发展概况发展阶段发展阶段 Ø19521952年提出年提出Ø1970s1970s初期初期0.010.01（（0 0/h/h））Ø1970s1970s中期中期0.00010.0001（（0 0/h/h））Ø1970s1970s末期进入实用末期进入实用Ø19951995年年0.000010.00001（（0 0/h/h））Ø0404年斯坦福大学年斯坦福大学1010- -1111（（0 0/h/h）） 主要研制机构主要研制机构：：Ø1950s1950s后期，美国后期，美国HoneywellHoneywell和和AutoneticsAutonetics开始研制开始研制 Ø从从 1960s￿1960s￿末到末到 191980s80s，法国、，法国、英国、前苏联、中国也相继展英国、前苏联、中国也相继展开静电陀螺的研制开静电陀螺的研制 2静电陀螺结构组成：总述结构组成：总述Ø球形转子球形转子Ø陶瓷球腔陶瓷球腔Ø凹形球面电极凹形球面电极高高电电压压/ /小小间间隙隙/ /强强电电场场/ /悬浮悬浮/ /控制回路稳定控制回路稳定 Ø驱动线圈驱动线圈：转子起旋：转子起旋Ø定中线圈定中线圈：转子轴对准：转子轴对准Ø钛离子泵钛离子泵：抽真空：抽真空Ø光电传感光电传感 ：读取角度：读取角度 3静电陀螺结构组成：球形转子结构组成：球形转子 Ø两种类型两种类型：空心球和实心球：空心球和实心球Ø材料材料：铍（密度小、刚度大）：铍（密度小、刚度大）制造工艺：制造工艺：Ø空心球空心球：两个薄壁半球配合而成：两个薄壁半球配合而成 外径：外径：38~50mm38~50mm壁厚：壁厚：0.4~0.5mm0.4~0.5mm赤道处加厚赤道处加厚 Ø实心球实心球：钽丝嵌入铍棒：钽丝嵌入铍棒 让质心偏离球心让质心偏离球心 Ø两种类型比较两种类型比较：： 直径、静电支承力直径、静电支承力 变形、转速变形、转速 4静电陀螺结构组成：壳体、电极、驱动与定中结构组成：壳体、电极、驱动与定中 Ø壳体壳体：两块陶瓷碗密封连接：两块陶瓷碗密封连接Ø电极电极：碗内壁制成球面电极：碗内壁制成球面电极 内壁研磨，电镀，切割内壁研磨，电镀，切割 切割方案：正六、正八面体切割方案：正六、正八面体 5静电陀螺Ø平板电极平板电极 板间电场强度板间电场强度 板间电容板间电容 电场能量电场能量 将将 W￿W￿对对 d￿d￿求导，得到静电引力公式求导，得到静电引力公式 Ø球面电极球面电极 每块微小面积可看作和平板情形相同每块微小面积可看作和平板情形相同所以合力所以合力 支承原理：从平板到球面电极支承原理：从平板到球面电极6静电陀螺支承原理：两种球面电极引力公式支承原理：两种球面电极引力公式Ø对于对于正六面体正六面体电极的每块电极的每块静电引力的方向，如图静电引力的方向，如图Ø对于对于正八面体正八面体电极的每块电极的每块静电引力的方向，如图静电引力的方向，如图 7静电陀螺支承原理：稳定性的保证支承原理：稳定性的保证Ø以正六面体为例，设转子沿以正六面体为例，设转子沿 AB AB 轴朝轴朝 A A 偏离偏离ΔxΔxØ两边引力的变化会进一步把转子吸到两边引力的变化会进一步把转子吸到 A A 的一边的一边Ø必须改变两边静电引力变化，才能抑制转子的位移。

必须改变两边静电引力变化，才能抑制转子的位移Ø基本思路基本思路：测量位移：测量位移ΔxΔx，改变两端电压，改变两端电压 U UA A，，U UB B 8静电陀螺支承原理：位移导致电极电容改变支承原理：位移导致电极电容改变Ø转子位移转子位移 ΔxΔx：通过测量电：通过测量电极和转子之间电容改变量极和转子之间电容改变量 Ø转子位于中心时，两个电转子位于中心时，两个电极和转子间的电容均为极和转子间的电容均为 Ø转转子子向向 A A 电电极极移移动动ΔxΔx，，两两个个电电极极和和转转子子的的间间距距分分别别变为变为 d dA A = = d d0 0 -Δ -Δx x d dB B = = d d0 0 +Δ +Δx x 电容电容 类似地类似地 Ø电容改变量电容改变量 ΔC ΔC 和位移和位移 Δx Δx 成正比，用敏感电桥可以测出成正比，用敏感电桥可以测出 9静电陀螺支承原理：位置反馈回路支承原理：位置反馈回路△△U￿=￿kU￿=￿kC C· ·△△C￿=￿k·C￿=￿k·△△x￿ x￿U UA A￿=￿U￿=￿U0 0￿ ￿- -￿k·△x￿k·△xU UB B￿=￿U￿=￿U0 0￿+￿k·￿+￿k·△△x￿ x￿转子受到的合力转子受到的合力 支承弹簧，支承弹簧，K K支承刚度支承刚度 10静电陀螺支承原理：承载能力支承原理：承载能力Ø静电陀螺静电陀螺承载能力承载能力(Suspension￿Capability)(Suspension￿Capability)：根据：根据 U UA A = U = U0 0 - △U - △U U UB B = U = U0 0 + + △U △U当当△△U U= =U U0 0 时，时，U UA A= 0= 0，，F FA A= 0= 0，，U UB B = 2= 2U U0 0，最大支承力：，最大支承力：所以又可写成所以又可写成 F Fm m = 4 = 4F F0 0 静电陀螺的承载能力静电陀螺的承载能力 11静电陀螺角度读取概述角度读取概述Ø角度读取角度读取 壳体相对转子极轴的转角壳体相对转子极轴的转角Ø读取范围分类读取范围分类 小角度、大角度小角度、大角度Ø读取方式分类读取方式分类 光电法、质量不平衡调制法光电法、质量不平衡调制法(Imbalanced￿Mass￿Modulation)￿(Imbalanced￿Mass￿Modulation)￿12静电陀螺光电读取法：刻线区和光电传感器光电读取法：刻线区和光电传感器Ø光电读取法光电读取法：借助光电传感器扫描转子上的刻线：借助光电传感器扫描转子上的刻线 ￿￿￿￿￿￿刻线区：刻线区： 极轴处和倾斜处极轴处和倾斜处 光电传感器：光电传感器：（两个）（两个）Ø测量原理测量原理：： 起始零位起始零位：极轴传感器输出恒值信号，倾斜传感器输出脉冲：极轴传感器输出恒值信号，倾斜传感器输出脉冲 13静电陀螺光电读取法：光轴偏离产生周期信号光电读取法：光轴偏离产生周期信号当壳体转动，使极轴传感器的光轴向对转子极轴偏离一小角度当壳体转动，使极轴传感器的光轴向对转子极轴偏离一小角度（比如向右），则在转子绕极周旋转一周的过程中，极轴光电（比如向右），则在转子绕极周旋转一周的过程中，极轴光电传感器输出周期信号传感器输出周期信号。

14静电陀螺质量不平衡调制法：原理质量不平衡调制法：原理测量范围测量范围：大角度：大角度适用类型：实心转子适用类型：实心转子 Ø质心偏于赤道平面质心偏于赤道平面Ø旋转轴通过质心旋转轴通过质心Ø球心绕质心旋转球心绕质心旋转: :偏摆偏摆Ø转子与各电极的间隙发生周期性变化转子与各电极的间隙发生周期性变化 15静电陀螺质量不平衡调制法：原理质量不平衡调制法：原理Ø在赤道平面内间隙变化最大，沿极轴方向变化最小在赤道平面内间隙变化最大，沿极轴方向变化最小 Ø间隙调制间隙调制 =>￿=>￿电容调制电容调制 =>￿=>￿电极输出信号被调制电极输出信号被调制 Ø电极旋转角度影响到其输出中的调制信号的强弱电极旋转角度影响到其输出中的调制信号的强弱Ø旋转角度大小和方向的判断旋转角度大小和方向的判断 Ø正八面体电极支承及其变换正八面体电极支承及其变换 静电陀螺仪的三个基本问题：静电陀螺仪的三个基本问题：一、支承一、支承二、读取二、读取三、精度（误差控制）三、精度（误差控制） 16静电陀螺静电陀螺误差源分析静电陀螺误差源分析球加工误差球加工误差球离心变形球离心变形球温度变形球温度变形转子非球形转子非球形球静平衡误差球静平衡误差转子质心转子质心轴向位移轴向位移加速度加速度干扰力矩干扰力矩杂散磁场杂散磁场杂散磁场杂散磁场干扰力矩干扰力矩重力加速度重力加速度载体加速度载体加速度振动或冲击振动或冲击转子中心线转子中心线位移位移碗装配误差碗装配误差碗中心错位碗中心错位电极球面误差电极球面误差碗温度变形碗温度变形电极表面电极表面非球形非球形电极开槽误差电极开槽误差碗开孔影响碗开孔影响电极面积电极面积不相等不相等电电容容变变化化电电压压变变化化间间隙隙变变化化场场强强变变化化静电场静电场干扰力矩干扰力矩17静电陀螺。