[科普中國]-微分陀螺儀

根據(jù)結(jié)構(gòu)中是否具有高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子而分為常規(guī)速率陀螺儀和非常規(guī)速率陀螺儀兩大類。常規(guī)速率陀螺儀是受彈性約束的單自由度陀螺儀，可分為機(jī)械彈簧約束(如扭桿式速率陀螺儀)和電彈簧約束(如力反饋式速率陀螺儀)兩種速率陀螺儀。非常規(guī)速率陀螺儀是指結(jié)構(gòu)中無高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，但有測(cè)量運(yùn)動(dòng)角速度的功能，如振梁式壓電晶體速率陀螺儀、振弦式速率陀螺儀以及撓性片式、磁流體式雙軸速率陀螺等。2

微分陀螺儀，阻尼系數(shù)很小，同時(shí)只考慮載體X軸向的角速度輸入，其傳遞函數(shù)為3 ：

其中， 為進(jìn)動(dòng)角， 為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，H為陀螺的角動(dòng)量， 為載體的角速度輸入， 是彈性系數(shù)。

圖中標(biāo)注直角坐標(biāo)系Oxyz，X軸沿框架軸旋轉(zhuǎn)方向。Y軸稱為陀螺儀的輸入軸。因?yàn)槲⒎滞勇輧x就是測(cè)量它的殼體繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度W，故又稱為測(cè)量軸。Z0的方向?yàn)橹鬏S起始位置，即當(dāng)W=0時(shí)，Z軸應(yīng)與Z0重合。

兩根彈簧應(yīng)調(diào)節(jié)得使主軸在起始位置時(shí)，彈簧作用于框架上的力矩為零。X軸稱為輸出軸，因?yàn)榫哂薪撬俣鹊臍んw將引起框架繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，殼體以角速度W繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)二自由度陀螺特性，將產(chǎn)生陀螺力矩Mg，使H以最短途徑向 運(yùn)動(dòng)，從而將使轉(zhuǎn)子軸抬頭向上轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸將偏離起始位置Z0軸。當(dāng)框架繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈簧將產(chǎn)生彈性力矩My反抗陀螺力矩Mg。只有在陀螺力矩和彈性力矩以及框架轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的摩擦力矩Mf相平衡時(shí)，框架停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)框架運(yùn)動(dòng)的角 就反映了殼體Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 。

陀螺的轉(zhuǎn)子3裝在框架4內(nèi)，框架4支承在殼體5中，它可以繞冀軸轉(zhuǎn)動(dòng)?？蚣苄D(zhuǎn)軸的一邊固定一個(gè)杠桿臂，臂上裝兩根彈簧7，這兩根彈簧的另一端固定在儀表殼體上。彈簧用來產(chǎn)生作用于框架上的力矩，這個(gè)力矩比例于它在任一方向偏離起始位置的偏轉(zhuǎn)角，并使框架向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)?？蚣苄D(zhuǎn)軸的另一邊也有一個(gè)杠桿臂，臂端連接空氣阻尼器2。圖中標(biāo)注了直角坐標(biāo)系Oxyz，x軸沿著框架的旋轉(zhuǎn)軸方向，y軸稱為測(cè)量軸或稱陀螺的輸入軸(因?yàn)檫@種微分陀螺儀是用來
　　測(cè)量它的殼體繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 的)，Z0軸的方向作為陀螺主軸的起始位置，即當(dāng) =0時(shí)Z軸應(yīng)與Z0軸重合。兩根彈簧應(yīng)調(diào)節(jié)得使主軸在起始位置時(shí)彈簟作用于框架上的力矩等于零。x軸稱為陀螺儀的輸出軸，因?yàn)榫哂薪撬俣?img src="http://img-xml.kepuchina.cn/images/newsWire/kFBktdVNNgiEJyLAxNxBYFLav6h7ILYABJgq.jpg" /> 的殼體將引起框架繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。4

它是一種繞輸出軸對(duì)陀螺儀施加機(jī)械彈性約束的單自由度陀螺儀，其工作原理是：當(dāng)基座以角速度 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，立即產(chǎn)生繞輸出軸的陀螺力矩，并使浮子組件繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，扭桿產(chǎn)生彈性恢復(fù)力矩。在轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩效應(yīng)被阻尼器吸收。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，陀螺力矩與彈性恢復(fù)力矩相平衡，輸出轉(zhuǎn)角 與輸入角速度 成比例。2

在自動(dòng)控制飛機(jī)飛行時(shí)，為了使飛機(jī)的自振衰減，不僅要把與飛機(jī)繞其對(duì)稱軸轉(zhuǎn)角成比例的信號(hào)送入控制自動(dòng)器，而且還要把與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度及角加速度成此例的信號(hào)輸入自動(dòng)控制器。二自由度陀螺轉(zhuǎn)速儀可以將飛機(jī)隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)角值加以微分。事實(shí)上，陀螺轉(zhuǎn)速儀繞支架軸轉(zhuǎn)角 的變化近似地與飛機(jī)轉(zhuǎn)角 對(duì)時(shí)間的微分成此例(這里令 )。如果 變化的頻率此陀螺轉(zhuǎn)速儀的自振頻率n大得愈多，那么測(cè)量 的準(zhǔn)確度也就愈大。因此，如果將二自由度陀螺轉(zhuǎn)速儀固定在飛機(jī)上，則可以對(duì)飛機(jī)繞對(duì)稱軸的轉(zhuǎn)角進(jìn)行微分。

直接固定在儀表殼體上的彈簧fB與fC來限制陀螺自由旋轉(zhuǎn)，如右圖所示。此外，外環(huán)裝在內(nèi)環(huán)里面是這種儀表構(gòu)造上的一個(gè)特點(diǎn)。為了減小由于飛機(jī)繞軸Oxe振蕩所引起的儀表指示誤差，我們將陀螺儀的底座裝成與軸Oxe。成一個(gè)角度d。

由于飛機(jī)以角速度 與 繞軸Oze與Oxe旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，陀螺儀的底座將以角速度 與 繞軸BB與CC旋轉(zhuǎn)，陀螺的轉(zhuǎn)角取決于角速度與角加速度。5