第三章-2 惯性量的测量

第三章

测量与传感器第二节惯性量的测量南京航空航天大学金城学院赵宾2010，11线加速度传感器加速度计用来测量飞机运动的加速度并输出加速度信号。线加速度传感器角加速度传感器角加速度信号可以通过速率陀螺仪与微分电路得到。线加速度传感器功能装在飞机质心处感受和测量飞机的法向加速度、纵向加速度和侧向加速度。线加速度传感器简单式线加速度传感器线加速度传感器结构与工作原理工作原理：电刷位移=敏感质量块位移-壳体位移得到相应传递函数：式中：线加速度传感器简单式线加速度传感器线加速度传感器结构与工作原理当稳态时：上式表明，当飞机做等加速度运动时，敏感质量块惯性力与弹簧力大小相等，方向相反，从而使质量块处于平衡位置x。输出电压：得到：线加速度传感器的输出电压正比于飞机线加速度计，相位差180°单位加速度所产生的相对位移量定义为线加速度传感器的分辨率：可见，线加速度的分辨率反比于其固有频率的平方，即弹簧刚度越小，质量块的质量越大，线加速度传感器的分辨率就越高。线加速度传感器简单式线加速度传感器线加速度传感器结构与工作原理优点：构造简单，价格低缺点：电刷与电位计的摩擦力较大，线性特性差，灵敏度低为解决上述问题，用力矩系统代替弹簧，增加浮子式阻尼器浮子摆式加速度传感器线加速度传感器线加速度传感器结构与工作原理浮子摆式加速度传感器组成：浮子摆组合件，力矩器，信号传感器放大器，密封壳体浮子摆组合件---单摆，浮筒，信号传感器转子和力矩器转子工作原理：与简单线加速度传感器相同单摆相当于活动质量块线加速度传感器线加速度传感器结构与工作原理浮子摆式加速度传感器根据力矩平衡，得到加速度计传感器输出的电压为：挠性摆式力矩反馈加速度传感器当具有加速度a时，摆组件质量m产生惯性力，并对挠性轴产生惯性力矩M=mla。力矩M使摆组件绕输出轴转动，角位移传感器将该角度位移转换为电信号，并放大调解为直流信号输出。力矩器线圈输入电流，产生电磁力产生恢复力矩线加速度传感器线加速度传感器结构与工作原理挠性摆式力矩反馈加速度传感器输出电流与输入加速度成正比。优点：高精度，高可靠性作为主要的导航级加速度计，在惯性领域得到广泛的应用。陀螺仪精确测量飞行器的姿态角、航向角和角速度。以经典力学为基础的陀螺仪---刚体转子陀螺仪、流体转子陀螺仪和振动陀螺仪以非经典力学为基础的陀螺仪---激光陀螺仪，光导纤维陀螺仪，压电晶体陀螺仪，粒子陀螺仪和核子共振陀螺仪刚体转子陀螺仪仍是学习陀螺仪基本理论的基础高速旋转的物体即为陀螺，为测量运动物体的角位移或角速度，用支架把高速旋转的转子支撑起来即构成陀螺仪---刚体转子陀螺仪。核心：绕自转轴高速旋转的刚体转子。自转轴相对于基座有一个或者两个转动自由度：二自由度陀螺单自由度陀螺陀螺仪二自由度陀螺仪基本结构和组成内环和外环组成的框架装置叫做万向支架。自转轴和内环轴相互垂直且相交，内环轴和外环轴相互垂直且相交。三轴相交于一点---万向交点。对于自转轴，仅具有绕内环轴和外环轴两个轴的转动自由度。陀螺仪二自由度陀螺仪特性1）进动性二自由度陀螺仪受外力矩作用时，若外力矩绕内环轴作用，则陀螺仪绕外环轴转动。若外力矩绕外环轴作用，则陀螺仪绕内环轴转动。陀螺仪二自由度陀螺仪特性陀螺仪的转动方向与外力矩的作用方向相垂直的特性，称为陀螺仪的进动性。---二自由度陀螺的基本特性陀螺进动角速度的方向取决于角动量的方向和外力矩的方向。右手定律从角动量L沿最短的路径握向外力矩M的右手旋进方向即为进动角速度的方向。陀螺仪二自由度陀螺仪特性进动角速度的大小，取决于角动量的大小和外力矩的大小。当角动量为一定值时，进动角速度与外力矩成正比；当外力矩为一定值时，进动角速度与角动量成反比。2）陀螺力矩产生机理：Coriolis效应外界对陀螺仪施加力矩使其进动时，陀螺仪必然存在反作用力矩，大小和外力矩相等，方向与外力矩相反，并且作用在施加力矩的物体上---陀螺力矩陀螺仪二自由度陀螺仪特性角动量沿最短路径握向进动角速度的右手旋进方向即为陀螺力矩的方向。陀螺力矩并不作用在转子本身，而是作用在给陀螺仪施加力矩的物体上。陀螺仪二自由度陀螺仪特性3）定轴性二自由度陀螺仪的转子绕自转轴高速旋转即具有动量矩L时，如果不受外力矩作用，将保持其自转轴相对惯性空间方位稳定的特性---定轴性利用定轴性可以指示和测量飞机的姿态角（相对于地垂线或者水平面）在轴承摩擦力矩和不平衡力矩等的影响下，将使陀螺在原始方向出现偏移误差，称为陀螺的漂移，从而影响其稳定性。主要表现形式是进动漂移陀螺仪二自由度陀螺仪特性定轴性---陀螺自转轴相对于惯性空间稳定地球绕地轴相对于惯性空间转动若以地球为参考基准，将会看到陀螺仪相对于地球的转动---表观运动地球北极处陀螺仪的表观运动地球赤道处陀螺仪的表观运动陀螺仪二自由度陀螺仪特性任意纬度陀螺仪的表观运动欲使陀螺转子方向跟踪当地地垂线或者水平面，必须适当的控制陀螺仪。陀螺仪单自由度陀螺仪特性单自由度陀螺只有一个框架，相对基座，少了一个转动自由度。当基座绕自转轴z轴或框架轴x转动时，框架仍起隔离作用，不会带动转子一起转动。当基座绕y轴转动时，陀螺仪没有转动自由度，强迫陀螺仪绕y轴进动的同时，还强迫陀螺仪绕框架轴进动并出现进动转角，z轴将于y轴重合。单自由度陀螺具有感受绕其输入轴转动的特性。陀螺仪单自由度陀螺仪工作原理单自由度陀螺可以测量飞机的转动角速度，所以称为角速度陀螺，也称速率陀螺。框架式角速度陀螺x/L轴：内环轴，信号输出轴z轴：转子轴y轴：测量轴陀螺仪单自由度陀螺仪工作原理框架式角速度陀螺原理：沿OY轴有转速，沿OY轴出现支架力矩ML，在ML

作用下，陀螺动量矩绕OX轴进动，进动角速度为，角出现后，弹簧产生力矩，方向沿X轴正向。在此力矩作用下，陀螺将绕OY轴正向进动，进动角速度与同向。当时，陀螺达到平衡。单自由度陀螺仪输出转角与输入角速度成比例。陀螺仪陀螺仪的应用单自由度陀螺的应用1）角速度的测量测量飞机绕各机体轴转动的角速度。转弯仪：指示飞机转弯的方向，并粗略反映飞机转弯的快慢角速度传感器：提供飞行控制系统的微分信号，提高阻尼，改善动态性能。2）稳定陀螺平台的敏感元件速率积分陀螺仪的输入轴与平台轴重合或者平行安装，当平台受到干扰绕平台轴转动，平台偏离原来方位，速率陀螺仪将感受这个转动，陀螺仪绕内框轴转动，出现转角，信号传感器输出与该角成比例的电压信号，控制伺服电机，电机产生转矩传递到平台，克服干扰力矩，使平台恢复到初始方位。陀螺仪陀螺仪的应用二自由度陀螺的应用垂直陀螺仪：测量飞机俯仰角和滚转角，为自动控制系统提供姿态角航空地平仪：测量飞机的姿态角，并作为指示仪表提供姿态指示纵向安置：外环轴平行于飞机的纵轴，转子轴与地垂线重合测量原理：俯仰时：内环稳定，外环转过角度即为俯仰角。倾斜时：外环稳定，表壳转过角度即为倾斜角。陀螺仪陀螺仪的应用二自由度陀螺的应用为准确测量飞机姿态，必须保证测量基准的准确---始终保持陀螺转子轴与地垂线重合表观运动+干扰力矩