惯性技术课件16-振动陀螺(哈工大版,1-16全)

VibratoryGyro振动陀螺1Lecture15--VibratoryGyroOutline振动陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球谐振陀螺2Lecture15--VibratoryGyro1.1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3Lecture15--VibratoryGyro1.1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.4Lecture15--VibratoryGyroOutline振动陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球谐振陀螺5Lecture15--VibratoryGyro2.1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6Lecture15--VibratoryGyro2.2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7Lecture15--VibratoryGyro2.3*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.8Lecture15--VibratoryGyro2.4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9Lecture15--VibratoryGyro2.5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:10Lecture15--VibratoryGyro2.6I/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11Lecture15--VibratoryGyroOutline振动陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球谐振陀螺12Lecture15--VibratoryGyro平板电极3.0电场和静电力静电力:ε0---真空介电常数电容:13Lecture15--VibratoryGyro3.1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14Lecture15--VibratoryGyro3.2MEMS陀螺MEMS--Micro-machinedElectromechanicalSystem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v15Lecture15--VibratoryGyro驱动轴敏感质量3.2MEMS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16Lecture15--VibratoryGyro3.3使用了MEMS陀螺的SINSMEMS陀螺MEMS加速度计17Lecture15--VibratoryGyro3.3基于MEMS器件的无线笔18Lecture15--VibratoryGyroOutline振动陀螺概述音叉陀螺MEMS陀螺半球谐振陀螺19Lecture15--VibratoryGyro4.1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Bryan1890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20Lecture15--VibratoryGyro4.2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21Lecture15--VibratoryGyro4.3发展状况

1970s末--美国Delco公司试制

1982--制成首台惯性级精度的样机

1994--Delco被Litton(NorthropGrumman)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，国内研制一度陷入停滞

1997--国内重新恢复22Lecture15--VibratoryGyro4.4组成解剖图:

上下底座上底座下底座

谐振子及连接半球谐振子

力发生器和读取电极离散力发生器环形力发生器读取谐振子:

石英

直径58mm

金属镀膜4-(波节)波腹振型波节波腹23Lecture15--VibratoryGyro上底座下底座半球谐振子离散力发生器环形力发生器读取4.4组成力发生器:

环形和离散

环形提供能量

离散提供振型离散力发生器谐振子16个离散电极读取:读取电极

电容式8个电极

敏感振型偏转封装:抽真空，大时间常数24Lecture15--VibratoryGyro4.5振型偏转描述谐振子模型---弹性质量环激振、弹性变形

圆

椭圆1

圆

椭圆2长轴、短轴反复交替4-波腹振型25Lecture15--VibratoryGyro4.5振型偏转描述基座转动后，振型相对基座有偏转振型相对惯性空间的旋转，比基座滞后了一个角度ψ，造成振型偏转orK--标度因数;对于4波节振型，K≈0.3node26Lecture15--VibratoryGyro4.6振型偏转分析波腹位置：径向振动波节位置：切向振动其它位置：两种振动合成振动节拍：

圆椭圆1①②椭圆2③④27Lecture15--VibratoryGyro4.7*振型偏转解释（1）圆椭圆1

各位置的速度

各位置的苛氏惯性力

质量环原来的变形趋势

苛氏惯性力作用下质量环的变形趋势

上述两种趋势的综合28Lecture15--VibratoryGyro4.7振型偏转解释（2）椭圆1圆

各位置的速度

各位置的苛氏惯性力

质量环原来的变形趋势

苛氏惯性力作用下质量环的变形趋势

上述两种趋势的综合29Lecture15--VibratoryGyro4.7振型偏转解释（3）圆椭圆2各位置的速度各位置的苛氏惯性力质量环原来的变形趋势苛氏惯性力作用下质量环的变形趋势

上述两种趋势的综合30Lecture15--VibratoryGyro4.7振型偏转解释（4）椭圆2