惯性技术课件16--振动陀螺(哈工大版,1-16全).ppt

Lecture 15 -- Vibratory Gyro * * Vibratory Gyro 振动陀螺 Outline 振动陀螺概述 音叉陀螺 MEMS 陀螺 半球谐振陀螺 1.1 振动陀螺: 概述 机械陀螺 ---- 基于牛顿运动定律 转子陀螺 ---- 液浮，静电 ---- 结构复杂、昂贵 振动陀螺: 原理 ---- 利用振动的质量随着基座旋转时产生的苛氏加速度 特点 --- 简单, 轻小, 可靠, 便宜 1.1 振动陀螺: 发展历程 Development: 1940s-50s --- 美国研制音叉陀螺 1960s --- 通用汽车（GM）研制压电陀螺. 1970s后期 --- Delco 公司研制半球谐振陀螺 1980s早期 --- Draper 和 Sperry 研制 MEMS 陀螺 精度: 音叉, 压电, MEMS: ---- 精度较低 (战术武器, 车辆, 坦克, 雷达,数码产品) 半球谐振陀螺 (HRG): ---- 较高精度, 达到惯性级, 光纤陀螺的竞争者. Outline 振动陀螺概述 音叉陀螺 MEMS 陀螺 半球谐振陀螺 2.1 音叉陀螺: 结构 原理: 振动的端部质量和基座的转动耦合产生的苛氏效应 结构: U 型的弹性臂. 音叉 挠性轴 阻尼器 基座 受到激励后，两臂做对称振动，导致两个端部质量做对称的线振动 几百或几千 Hz, 幅值相同(几百 mm)相位相反 音叉底部与基座挠性连接 2.2 音叉陀螺: 假设 假设每个端部质量 = m/2 某个时刻，两个端部质量以速度 v 相向运动 每个质量距离中心轴的瞬时距离为 s 基座绕中心轴以角速度 ω 旋转 2.3*质量的苛氏分析 苛氏加速度 (大小和方向) 苛氏惯性力 (大小和方向) 苛氏惯性力矩 (大小和方向) 如果两个质量运动方向相反, 则速度 v 的方向, 苛氏加速度 ac 的方向 , 惯性力 Fc 的方向 , 和力矩 T 的方向都变为相反. 2.4 音叉的苛氏分析 音叉模型的简化 ---- 质量集中在两个端部 (m/2), 到中心轴的初始距离为 s0 . 端部质量的振动位移 振动的速度 苛氏加速度 苛氏惯性力 2.5 动态方程 苛氏惯性力矩 角位移 --------------θ 假设，U型臂绕着中心轴相对基座 转动惯量 ----------- J 阻尼比 -------------- c 扭转刚-- ------------ k 则绕中心轴转动的动态方程可以写成: 2.6 I/O 特性 角位移由传感器检测到, 输出电压信号: K ---- 输入输出比例因子 线性的输入输出关系 选取 ωn = ω0 (自然频率), 稳态响应为 Outline 振动陀螺概述 音叉陀螺 MEMS 陀螺 半球谐振陀螺 平板电极 3.0 电场和静电力 静电力: ε0 --- 真空介电常数 电容: 3.1 压电陀螺 压电效应: 正压电效应: F→E 当晶体受到压力或张力（形变），产生电势 逆压电效应: E→F 给晶体施加电场，产生压力或张力（形变） 压电陀螺 利用逆压电效应激振, 利用正压电效应读取信号 3.2 MEMS 陀螺 MEMS -- Micro-machined Electromechanical System 利用光刻或化学蚀刻加工石英或硅材料 Draper 研制的框架式振动陀螺 ( 1990) 驱动轴 敏感质量 内框架 外框架 对外框架激振 激振电极 敏感质量绕外框架轴振动，具有线速度 v 驱动轴 敏感质量 3.2 MEMS 陀螺 敏感质量绕外框架轴振动，具有线速度 v 输入轴 和输入角速度 ω 耦合 产生苛氏惯性力 Fc 引起绕内框架轴的振动 输出轴 由内框架上的电极读取输出 读取电极 3.3 使用了 MEMS 陀螺的 SINS MEMS 陀螺 MEMS 加速度计 3.3 基于 MEMS 器件的无线笔 Outline 振动陀螺概述 音叉陀螺 MEMS 陀螺 半球谐振陀螺 4.1 半球谐振陀螺 (HRG) HRG 谐振的部件为酒杯状的薄壁 测量是基于振型的偏转 Bryan 1890 年的发现: ---- 酒杯振型的偏转是由于苛氏加速度的影响 该发现直到 1970s 才被重视 核心部件 -- 谐振子, 半球或圆柱状 4.2 半球谐振陀螺的优点 较高的精度, 标度因数稳定 小体积、低成本 结构简单，可靠性高 (定向钻探) 性能稳定 启动时间短 高带宽 (输入范围几乎无限) 承受过载能力强 抗辐射能力强 能够承受暂时的断电 4.3 发