[科普中國]-擺式積分陀螺加速度計(jì)

基本簡介

擺式積分陀螺加速度計(jì)是利用在自轉(zhuǎn)軸上有一定擺性的積分陀螺來測量比力的裝置。多用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)。由積分陀螺、伺服電機(jī)和單軸轉(zhuǎn)臺等組成。在陀螺的自轉(zhuǎn)軸上，有一個(gè)偏離輸出軸一定距離的不平衡質(zhì)量，形成擺。當(dāng)沿輸入軸有加速度作用時(shí)，慣性力矩使擺繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器即產(chǎn)生一個(gè)正比于框架轉(zhuǎn)角的電壓信號，經(jīng)放大后送入伺服電機(jī)、使裝有陀螺的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)而在陀螺框架上產(chǎn)生一個(gè)陀螺力矩來平衡慣性力矩，使陀螺轉(zhuǎn)子軸趨向于零位。單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角即加速度的量度3。

擺式積分陀螺加速度計(jì)（以下簡稱陀螺加速度計(jì)）是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心儀表，其精度的高低會直接影響慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的控制精度，現(xiàn)有的陀螺加速度計(jì)其外環(huán)采用傳統(tǒng)的滾珠軸承支撐，因此儀表外環(huán)軸存在摩擦力矩。

設(shè)計(jì)原理陀螺加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如下圖，陀螺加速度計(jì)的殼體坐標(biāo)系為OXYZ，外環(huán)坐標(biāo)系為 OX1Y1Z1，殼體坐標(biāo)系與外環(huán)坐標(biāo)系重合，即 OX軸與外環(huán)軸 OX1 重合， OY1、 OZ1 與 OX1 垂直取向， 內(nèi)環(huán)坐標(biāo)系為 OX2Y2Z2，其中 OZ2 為馬達(dá)角動(dòng)量方向，OY2 為陀螺擺的輸出軸。陀螺加速度計(jì)輸入軸定義為外環(huán)軸 OX1 方向，此軸又是陀螺加速度計(jì)的輸出軸。陀螺加速度計(jì)輸出的誤差模型為：

其中，α 為加速度計(jì)輸出值；k0為加速度計(jì)零位偏值； k1 為加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)；

k1δ 為安裝誤差角系數(shù)； k2x 、 k2y 為二階非線性系數(shù)； ax 、ay 為沿加速度計(jì) OX 軸、OY 軸方向的線加速度；ε 為隨機(jī)誤差項(xiàng)4。

工作原理積分陀螺加速度表(PIGA)被廣泛用于火箭和導(dǎo)彈的射程控制系統(tǒng)，用來測量載體的視加速度，其工作原理是利用擺性m·l在視加速度a的作用卜，構(gòu)成擺力矩m·l·a作用在儀表內(nèi)環(huán)軸上，由陀螺所敏感,輸出與視加速度成正比的角速度信號。顯然，作為射程控制敏感器件，希望其刻度因數(shù)K具有高的穩(wěn)定性，在各種環(huán)境條件下，儀表刻度因數(shù)K維持不變。穩(wěn)定性用刻度因數(shù)的相對變化△K/K表示,希望相對誤差小于1X10?？潭纫驍?shù)k與儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的許多因素有關(guān)，可用公式表示為：

H = JΩ

式中，m-儀表的偏心質(zhì)量；

l-偏心質(zhì)量中心至內(nèi)環(huán)軸的距(擺長);

H-儀表的角動(dòng)量;

J-儀表飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Ω-馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

可見。刻度因數(shù)是擺長l，馬達(dá)轉(zhuǎn)速Ω和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的函數(shù)，其中唯擺長l的變化最為復(fù)雜。為目前尚無高精度的測量方法，確定一個(gè)復(fù)擺的擺長大小，更難控制在各種條件下這個(gè)擺長的變化。但是只有掌握擺長變化的規(guī)律，儀表的精度才會隨之提高，因而有關(guān)擺長的變化規(guī)律及其對積分陀螺加速度表影響的研究，受到廣泛的重視。通常所談的儀表精度不穩(wěn)定，大多數(shù)是指擺性的熱效應(yīng)，即擺長受熱的于擾引起線性膨脹，溫度升高時(shí)擺長受熱變長，儀表的刻度因數(shù)變大；相反溫度降低時(shí)擺長變短,儀表的刻度因數(shù)變小。這種熱干擾來自環(huán)境溫度的波動(dòng)，或者來自儀表本身。陀螺儀表是個(gè)自熱裝置，陀螺馬達(dá)電功熱要連續(xù)傳導(dǎo)至儀表的各部份，使零件溫度升高。儀表在無溫控的條件下工作，要在很長時(shí)間后，才能使各零組件達(dá)到動(dòng)態(tài)熱平衡。此外，不僅僅是溫升所引起的擺長的線膨脹，而且還有溫度場的不均勻，溫度變化引起的變形以及溫度對馬達(dá)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響等等，都需要有一個(gè)逐漸平衡和穩(wěn)定過程，所以儀表的刻度因數(shù)很難維持在一個(gè)固定值上。這對儀表精度的評定和使用是很不利的，故國內(nèi)外專家都很重視這方面的研究，力圖通過各種技術(shù)途徑，包括儀表的恒溫控制，構(gòu)件材料膨脹系數(shù)的匹配,零件及結(jié)構(gòu)的等剛度設(shè)計(jì)、降低馬達(dá)功耗等等方法，,以求減小擺性的熱效應(yīng)誤差5。

研究成果外環(huán)摩擦試驗(yàn)研究陸仲達(dá),徐鳳霞 ,曾鳴等在中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)發(fā)表《分離擺式積分陀螺加速度計(jì)外環(huán)摩擦試驗(yàn)研究》中，為分離擺式積分陀螺加速度計(jì)外環(huán)摩擦力，提出一種在高精度三軸轉(zhuǎn)臺上測試擺式積分陀螺加速度計(jì)的新試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)采用三軸轉(zhuǎn)臺中環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨動(dòng)擺式積分陀螺加速度計(jì)外環(huán)進(jìn)動(dòng)角速度，從而分離儀表外環(huán)軸摩擦力的方案。為研究三軸轉(zhuǎn)臺存在的動(dòng)不平衡對擺式積分陀螺加速度計(jì)測試試驗(yàn)的影響，建立了三軸轉(zhuǎn)臺的動(dòng)不平衡模型，分析了三軸轉(zhuǎn)臺的動(dòng)不平衡對轉(zhuǎn)臺定位精度的影響，并通過提高三軸轉(zhuǎn)臺的帶寬和改變工作點(diǎn)來獲得高的定位精度，消除三軸轉(zhuǎn)臺的動(dòng)不平衡擾動(dòng)影響，完成分離擺式積分陀螺加速度計(jì)的外環(huán)摩擦力的試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出外環(huán)摩擦力的存在影響了擺式積分陀螺加速度計(jì)精度，為進(jìn)一步改進(jìn)儀表結(jié)構(gòu)以提高儀表的精度提供了試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。

試驗(yàn)中采用了三軸空氣軸承轉(zhuǎn)臺，并對轉(zhuǎn)臺中存在的動(dòng)不平衡力矩進(jìn)行了分析和抑制，消除了試驗(yàn)測試設(shè)備精度對儀表測試結(jié)果的影響，通過原理分析及試驗(yàn)結(jié)果可以得出，由于轉(zhuǎn)臺中環(huán)框架具有比儀表外環(huán)組件大得多的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及被氣浮之后很小的干擾力矩，有利于分離陀螺加速度計(jì)的外環(huán)摩擦試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出由于存在儀表外環(huán)軸摩擦，會對加速度計(jì)的精度產(chǎn)生很大的影響，因此可以采用減小軸承摩擦的方法，選用摩擦力較小的軸承或采用浮外環(huán)的方法來提高儀表的精度，為改進(jìn)加速度計(jì)的工藝和補(bǔ)償外環(huán)干擾力矩對加速度計(jì)誤差模型的影響提供試驗(yàn)基礎(chǔ)4。

重力效應(yīng)研究劉希杰,易維沖在導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)《積分陀螺加速度表擺性的重力效應(yīng)》研究了擺性的另一種效應(yīng),即擺長在重力場作用卜的變化。我們注意到了這樣一種現(xiàn)象,當(dāng)將儀表的外環(huán)軸分別垂直安裝和水平方向安裝后,儀表所測得的刻度因數(shù)不同,而且水平方向安裝后,儀表的刻度因數(shù)離散增加,使儀表的精度卜降。因?yàn)槠渌麠l件完全相同,僅僅改變了安裝方向,所以首先分析在不同安裝方向下儀表所出現(xiàn)的變化。當(dāng)儀表外環(huán)軸垂良方向安裝時(shí),儀表擺軸與重力場方向相垂直,重力場不改變擺長的大小。而當(dāng)外環(huán)軸水平安裝時(shí)(圖2),擺軸可以繞外環(huán)軸在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),停留在任意位置。當(dāng)擺軸角動(dòng)量H朝下時(shí),擺軸方向與重力場方向一致,擺長在重力作用下“拉伸變長”;相反,擺軸角動(dòng)量H朝上時(shí),擺長“壓縮變短”,這種類似乎在重力作用下的“拉伸”和“壓縮”現(xiàn)象,改變了儀表的刻度因數(shù)。故而我們這種現(xiàn)象為擺性的重力效應(yīng)。通過儀表的多次試驗(yàn)證明了這種現(xiàn)象的客觀存在。下圖表示了測試數(shù)據(jù)的規(guī)律。當(dāng)一個(gè)儀表的擺錘朝上狀態(tài)放置一段時(shí)間(實(shí)驗(yàn)時(shí)通常放置8h以上)。然后進(jìn)行測量,再將儀表的擺錘朝下狀態(tài)放置一段時(shí)問,進(jìn)行測量,所得到的K值與標(biāo)準(zhǔn)K值的差為△K,△K與標(biāo)準(zhǔn)K位的比K/K就是儀表的相對誤差(標(biāo)準(zhǔn)K值是指儀表正常測試時(shí)所得到的儀表刻度因數(shù))。下圖中表示5個(gè)儀表的測試結(jié)果。每個(gè)儀表測試3次,其中△K位都超過了規(guī)定的卡關(guān)值5。

對于一個(gè)精密陀螺儀表,馬達(dá)裝配質(zhì)量是至關(guān)重要的,馬達(dá)裝配質(zhì)量不僅僅局限于一般的技術(shù)指標(biāo)要求,如工作電流,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間,動(dòng)不平衡精度等等,雖然這典指標(biāo)說明了馬達(dá)本身的工作質(zhì)量。對陀螺儀表來說,還應(yīng)當(dāng)更加關(guān)心馬達(dá)質(zhì)心的穩(wěn)定性,質(zhì)心的穩(wěn)定與否,改接影響陀螺精度,而又難以預(yù)測和控制。擺性的重力效應(yīng)就是質(zhì)心不穩(wěn)定的反應(yīng)。結(jié)構(gòu)和工藝的改進(jìn)能改善質(zhì)心穩(wěn)定性,使儀表精度不斷提高5。