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振动陀螺仪 概述 机械陀螺 基于牛顿力学原理 转子陀螺 三浮 静电 制造工艺复杂 成本高 振动陀螺 原理 利用高频振动的质量在被基 座带动旋转时产生的苛氏加速度 特点 结构简单 体积小 重量轻 可靠性高 承载能力大 性能稳 定 成本低 发展 1940s 50s 美国研制音叉陀螺 1960s 美国压电振动陀螺 通用 1970s后 美国研制壳体 谐振陀螺 1980s初 大规模集成电 路工艺 研制微型振动陀 螺 Sperry Draper 精度 音叉 压电 微机械 精度较低 战术导弹 车 辆 坦克 雷达 壳体谐振陀螺 精度较 高 可达惯性级 是光学 陀螺仪的竞争者 1 音叉振动陀螺 基本原理 结构 基本原理 利用音叉 Sonic Prong 端部 的振动质量被基座带动旋转时产生的苛 氏效应来敏感角速度 基本结构 音叉的双臂为弹性臂 受激振时 音叉双臂作对称弯曲振荡 端部质量作对称直线振动 等幅振荡 相位相反 频率几百至几 千赫 振幅百分之几毫米 音叉下部通过挠性轴与基座相连 2 音叉振动陀螺 质点苛氏分析 q音叉两端质量各 m 2 q设某瞬间二者的相向速度为 v q距离中心轴线瞬时距离为 s q基座绕中心轴以 旋转 苛氏加速度 大小和方向 苛氏惯性力 大小和方向 3 音叉振动陀螺 简化音叉模型 苛氏惯性力矩 大小和方向 q如果两端做相背运动 则相 对速度v 苛氏加速度ac 惯 性力Fc 力矩T都变为反向 q整个音叉可等效成上述简化 模型 质量集中于两端 m 2 初始距离s0 q质量的振动位移 振动速度 苛氏惯性力 4 音叉振动陀螺 动力方程 苛氏惯性力矩 假设音叉对中心轴的转动惯量为 J 阻力系数为 c 扭转刚 度为 k 音叉绕中心轴的角位移为 可导出动力学方程 选取 n 0 固有频率 有稳态响应 角位移由传感器检测 输出电压的幅值 q K 输出标度因数 q 输入 输出为线性关系5 微型振动陀螺 压电陀螺 微电子和微机械 Micro Mechanics 结合的产物 对压电石英晶体光刻和化学蚀刻 压电 Piezoelectricity 原理 正压电效应 晶体受外力 产生形变 表面出现电荷 逆压电效应 给晶体施加 电场使晶体产生应力及形变 压电陀螺 用逆压电效应激 振 用正压电效应读取 框架式 微型振动陀螺 对外框架激振 检测质量绕外框架轴振动 线速度 苛氏惯 性力 绕内框架轴苛氏振动 读取电极输出 6 壳体谐振陀螺 Hemispherical Resonant Gyro HRG 工作部件是很薄的圆口壳体 基本原理是振型偏转 缘于布里安 1890 年的发现和分析 半球形的玻璃杯绕中心线旋转时 杯口振动的四波腹图案发生偏转 经分析 该现象源于苛氏效应 该发现长期未引起注意 直到 1980年前后才被利用研制壳体谐振 陀螺仪 核心部分 谐振子 Resonator 一端约束一端开口的薄壁壳体 半球形或圆柱形 7 壳体谐振陀螺 分解 振型 分布图 陀螺分解图 谐振子振型图 力发生器和传感器分布图 谐振子 材料 尺寸 连接 槽口 表面 激振 四波腹振型 力发生器 环形 离 散 环形提供谐振所需 能量 离散形成振型 16个离散电极 激振力 分布及随动 传感器 电容式 检 测波形偏转 8个电极 振型对电极输出的影 响 封装 抽真空 大时 间常数 8 壳体谐振陀螺 振型偏转描述 谐振子分解 弹性质量环 激振 弹性变形 圆 椭圆 圆 椭圆 长短轴反复交替 四波腹振型 基座转动后 振型相对基座有偏转 振型 Resonance Pattern 相对惯性空 间的旋转 比基座滞后了一个角度 造成振型偏转 Shift 或 K 标度因数 对于 4 波节振型 K 0 3 9 壳体谐振陀螺 振型运动分析 波腹位置 径向振动 波节位置 切向振动 其它位置 两种振动合成 振动过程 10 振型偏转分析 1 圆 椭圆1 各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合 11 振型偏转分析 2 椭圆1 圆 各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合 12 振型偏转分析 3 圆 椭圆2 各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合 13 振型偏转分析 4 椭圆2 圆 各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合 总结 每一次变形过程 振型相对基座的偏转都是 和基座转动方向相反 14 壳体谐振陀螺的优点及发展状况 优点 工作精度较高 仪表性能稳定 结构简单 可靠性高 启动时间短 工作频带宽 测量的最 高角速率不受限制 承受过载能力强 抗辐射能力强 能承受电源中断的影响 体积小成本低 发展状况 1970s 末 美国Delco公司始制 1982 制成惯性级精度的样机 1994 Delco 被Litton 收购 1980s 中期 前苏开始研制 1990s 末 俄进入实用 1987 中国开始研制 1994 受Delco被收购的影响 国 内研制陷入停滞 1997 国内重新恢复 15 。