[科普中國(guó)]-速率積分陀螺

概述

速率陀螺儀，用以直接測(cè)定運(yùn)載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂 直于要測(cè)量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測(cè)量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對(duì)運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對(duì)旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線(xiàn)性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測(cè)量軸的轉(zhuǎn)角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中使用較多1。

特性具體地說(shuō)，陀螺具有兩大特性，即定軸性和進(jìn)動(dòng)性。定軸性就是當(dāng)陀螺不受外力矩作用時(shí)，陀螺旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于慣性空間保持方向不變；進(jìn)動(dòng)性就是當(dāng)陀螺受到外力矩作用時(shí)，陀螺旋轉(zhuǎn)軸將沿最短的途徑趨向于外力矩矢量，進(jìn)動(dòng)角速度正比于外力矩大小。這種進(jìn)動(dòng)特性當(dāng)輸入和輸出量對(duì)換時(shí)也是成立的，即當(dāng)陀螺存在一個(gè)進(jìn)動(dòng)角速度輸入時(shí)，陀螺將產(chǎn)生一個(gè)力矩輸出。

目前利用陀螺的進(jìn)動(dòng)性和定軸性設(shè)計(jì)的敏感器主要有二自由度陀螺和三自由度陀螺兩種。

工作原理用以直接測(cè)定運(yùn)載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環(huán)固定在運(yùn)載器上并令內(nèi)環(huán)軸垂 直于要測(cè)量角速率的軸。當(dāng)運(yùn)載器連同外環(huán)以角速度繞測(cè)量軸旋進(jìn)時(shí)，陀螺力矩將迫使內(nèi)環(huán)連同轉(zhuǎn)子一起相對(duì)運(yùn)載器旋進(jìn)。陀螺儀中有彈簧限制這個(gè)相對(duì)旋進(jìn)，而內(nèi)環(huán)的旋進(jìn)角正比于彈簧的變形量。由平衡時(shí)的內(nèi)環(huán)旋進(jìn)角即可求得陀螺力矩和運(yùn)載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在于用線(xiàn)性阻尼器代替彈簧約束。當(dāng)運(yùn)載器作任意變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，積分陀螺儀的輸出量是繞測(cè)量軸的轉(zhuǎn)角(即角速度的積分)。以上兩種陀螺儀在遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)控制、慣性導(dǎo)航平臺(tái)中使用較多。

分類(lèi)速率陀螺儀的類(lèi)型很多，最常用的有三類(lèi)。

①扭桿式速率陀螺儀：當(dāng)飛行器繞速率陀螺儀的輸入軸有角速度時(shí)，開(kāi)始瞬間速率陀螺儀的殼體迫使轉(zhuǎn)子跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于沿輸入軸施加一個(gè)外力矩。依據(jù)陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性原理（見(jiàn)陀螺儀），沿速率陀螺儀的輸出軸會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩使轉(zhuǎn)子繞輸出軸進(jìn)動(dòng),引起扭桿扭轉(zhuǎn),沿輸出軸遂產(chǎn)生一個(gè)外加的彈性力矩。同理，在彈性力矩作用下，轉(zhuǎn)子又將繞輸入軸產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)，當(dāng)其進(jìn)動(dòng)角速度與飛行器角速度相等時(shí)，殼體不再向轉(zhuǎn)子施加力矩，因而轉(zhuǎn)子不再繞輸出軸進(jìn)動(dòng)，扭桿也不再繼續(xù)扭轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞輸入軸進(jìn)動(dòng)角速度的大小與外加力矩（這里指彈性力矩）成正比。這時(shí)進(jìn)動(dòng)角速度與飛行器角速度相等，因而彈性力矩與飛行器角速度成正比。而彈性力矩與扭桿的轉(zhuǎn)角成比例，所以轉(zhuǎn)子繞輸出軸的轉(zhuǎn)角（即角度傳感器輸出的信號(hào)）與飛行器的角速度成正比。阻尼器用來(lái)抑制轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的振蕩。扭桿式速率陀螺儀因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而廣泛用于飛行器姿態(tài)控制；它的缺點(diǎn)是存在輸出時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)偏離零位，使輸出產(chǎn)生交叉耦合誤差。輸入角速度越大，這個(gè)誤差越大，因而精度不太高。

②反饋式速率陀螺儀：為了彌補(bǔ)扭桿式速率陀螺儀的缺點(diǎn)，可將角度傳感元件的輸出信號(hào)經(jīng)放大后反饋到輸出軸上的力矩器中構(gòu)成回路,以電彈簧代替扭桿,只要回路的增益足夠大就能使轉(zhuǎn)子始終保持在零位附近。流入力矩器的電流正比于輸入角速度，可作為儀表的輸出。

③積分陀螺儀：去掉速率陀螺儀的扭桿(或彈簧)而僅保留阻尼器則成為積分陀螺儀。當(dāng)飛行器繞積分陀螺儀輸入軸有角速度時(shí)，一開(kāi)始的狀況與速率陀螺儀相同，轉(zhuǎn)子繞輸出軸進(jìn)動(dòng)。阻尼器產(chǎn)生的阻尼力矩又引起轉(zhuǎn)子繞輸入軸進(jìn)動(dòng)。由于阻尼力矩與角速度成比例，轉(zhuǎn)子繼續(xù)繞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)（無(wú)扭桿約束），其轉(zhuǎn)速與飛行器的角速度成正比，因而輸出軸上的角度傳感器輸出與飛行器轉(zhuǎn)角成正比的信號(hào)。由于輸入是角速度而輸出是角度信號(hào)，故稱(chēng)為積分陀螺儀。它在慣性導(dǎo)航中得到廣泛應(yīng)用。

④光纖陀螺儀：主要有干涉型，諧振型和受激布里淵散射型，都是基于Sagnac效應(yīng)的，即，當(dāng)一環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光路內(nèi)相向傳播的兩列光將因慣性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致兩束相干光波的干涉。光程差對(duì)應(yīng)的位相差與旋轉(zhuǎn)角速率之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)對(duì)干涉光強(qiáng)信號(hào)的檢測(cè)和解調(diào)，即可確定旋轉(zhuǎn)角速率。

結(jié)構(gòu)1．二自由度陀螺

若轉(zhuǎn)子被迫以某個(gè)角速度繞輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則繞輸出軸(框架)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力矩。同時(shí)在輸出軸也裝有一個(gè)平衡彈簧，從而這個(gè)力矩使輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，這個(gè)輸出角度正比于這個(gè)力矩，也就是正比于輸入軸的角速度。

作為姿態(tài)敏感器來(lái)說(shuō)，二自由度陀螺有速率陀螺和速率積分陀螺兩個(gè)基本類(lèi)型。它們都是根據(jù)陀螺進(jìn)動(dòng)性原理工作的。速率積分陀螺是把速率陀螺的輸出量再進(jìn)行一次積分，這種功能除了可由速率積分陀螺裝置完成以外，也可以由星載計(jì)算機(jī)完成。速率積分陀螺用來(lái)直接測(cè)量航天器的角位置。速率陀螺測(cè)量航天器的角速度，通常是進(jìn)行自旋速率控制或作為姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)的一個(gè)速率反饋敏感器2。

2．三自由度陀螺

三自由度陀螺利用定軸性工作，用來(lái)測(cè)量姿態(tài)角，通常也稱(chēng)它為位置陀螺。位置陀螺測(cè)量姿態(tài)角的原理如下：

在陀螺儀的內(nèi)環(huán)和外環(huán)都安裝了傳感器。傳感器由定子和轉(zhuǎn)子組成，當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子均在零位時(shí)輸出為零，輸出信號(hào)和極性與定子和轉(zhuǎn)子之間的角度成比例關(guān)系。安裝在內(nèi)環(huán)上的傳感器的轉(zhuǎn)子與內(nèi)環(huán)固聯(lián)，定子與外環(huán)固聯(lián)。安裝在外環(huán)上的傳感器轉(zhuǎn)子與外環(huán)固聯(lián)，而其定子與殼體固聯(lián)。當(dāng)航天器姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，由于陀螺轉(zhuǎn)軸具有定軸性，因此內(nèi)、外環(huán)均要發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)以保持陀螺轉(zhuǎn)軸相對(duì)于慣性空間不變。此時(shí)內(nèi)、外環(huán)上的傳感器就輸出內(nèi)、外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，表征了航天器姿態(tài)變化的角度。

影響陀螺技術(shù)性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素是陀螺漂移，也就是說(shuō)陀螺自旋軸在慣性空間的方向不是絕對(duì)不變的，在干擾力矩作用下會(huì)產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為漂移，以單位小時(shí)產(chǎn)生漂移度數(shù)來(lái)表示。對(duì)于航天器應(yīng)用的陀螺，通常需要對(duì)其漂移進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償修正。

航天器應(yīng)用的陀螺具有如下特點(diǎn)：①長(zhǎng)壽命——航天器上使用的陀螺，其壽命最短也有幾天，最長(zhǎng)達(dá)幾年，而導(dǎo)彈上使用的陀螺只工作幾分鐘或幾十分鐘；②低功耗——由于航天器工作時(shí)間長(zhǎng)而且質(zhì)量限制很大，所以要求航天器上的設(shè)備都具有低功耗；③高可靠性——由于陀螺是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)體，要求長(zhǎng)期工作，因此須保證其高可靠性；④低漂移。

最新發(fā)展最新的MEMS陀螺儀--HTG系列陀螺儀是用來(lái)測(cè)量角速率的固態(tài)傳感器, 采用MEMS芯片，制造采用BIMOS生產(chǎn)工藝和載流焊工藝技術(shù)。HTG系列MEMS陀螺儀具有高可靠性和高封裝堅(jiān)固性;可用于慣性測(cè)量元件、高可靠性的汽車(chē)電子、導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制、飛行器穩(wěn)定控制、天線(xiàn)穩(wěn)定、攝像、數(shù)碼攝影、機(jī)器人等系統(tǒng)。具有休眠模式,休眠模式下消耗電流小于10uA。