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振动陀螺仪 概述

振动陀螺仪 概述. 机械陀螺：基于牛顿力学原理. 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。. 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

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振动陀螺仪 概述

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  1. 振动陀螺仪 概述 机械陀螺：基于牛顿力学原理 • 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。 • 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）

  2. 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。

  3. 音叉振动陀螺 质点苛氏分析 苛氏加速度（大小和方向） • 音叉两端质量各 m / 2 • 设某瞬间二者的相向速度为 v • 距离中心轴线瞬时距离为 s • 基座绕中心轴以ω旋转 苛氏惯性力（大小和方向）

  4. 音叉振动陀螺 简化音叉模型 苛氏惯性力矩（大小和方向） • 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 • 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 • 质量的振动位移： 振动速度 苛氏惯性力

  5. 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θ，可导出动力学方程 选取ωn = ω0（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 • K 输出标度因数 • 输入、输出为线性关系

  6. 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

  7. 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

  8. 壳体谐振陀螺 分解\振型\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 • 陀螺分解图 • 谐振子振型图 • 力发生器和传感器分布图

  9. 壳体谐振陀螺 振型偏转描述 • 谐振子分解：弹性质量环 • 基座转动后，振型相对基座有偏转 • 激振、弹性变形： • 圆椭圆圆椭圆 • 长短轴反复交替 • 四波腹振型 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

  10. 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：

  11. 振型偏转分析 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

  12. 振型偏转分析 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

  13. 振型偏转分析 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

  14. 振型偏转分析 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

  15. 壳体谐振陀螺的优点及发展状况 优点 • 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 • 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

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