慣性技術(shù)、陀螺儀、加速度計(jì) - 圖文-

1、慣性技術(shù)與慣性器件簡(jiǎn)介 慣性技術(shù)與慣性器件簡(jiǎn)介慣性技術(shù)簡(jiǎn)介1.什么是慣性技術(shù)2.慣性技術(shù)基本概念3.基本慣性器件4.慣性導(dǎo)航特點(diǎn)陀螺儀簡(jiǎn)介1.什么是陀螺儀2.陀螺儀的特性3.常用陀螺儀的指標(biāo)及其意義4.常見陀螺儀的種類及特點(diǎn)加速度簡(jiǎn)介1.什么是加速度計(jì)2.加速度計(jì)的特性3.常用加速度計(jì)的指標(biāo)及其意義4.常見加速度計(jì)的種類及特點(diǎn)一慣性技術(shù)簡(jiǎn)介 一慣性技術(shù)簡(jiǎn)介1.什么是慣性技術(shù)2.慣性技術(shù)基本概念3.基本慣性器件4.慣性導(dǎo)航特點(diǎn)什么是慣性物體在不受外力或所受外力平衡的條件下,維持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)不變的特性。牛頓三大定律(慣性、加速度、作用力與反作用力。慣性定律成立的空間為慣性空間。

2、經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為,要選取一個(gè)絕對(duì)靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考坐標(biāo)系來考察加速度,牛頓第二定律才能成立。在研究慣性敏感器件和慣性系統(tǒng)的力學(xué)問題時(shí),通常將相對(duì)恒星所確定的參考系稱為慣性空間,空間中靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考坐標(biāo)系為慣性參考坐標(biāo)系。宏觀、絕對(duì)、靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)以太恒星相對(duì)慣性空間穩(wěn)定指向慣性空間某點(diǎn)北NS地磁北真北地理北地球坐標(biāo)系如右圖所示。其原點(diǎn)取在地心;軸沿極軸(地軸方向;軸在赤道平面與本初子午面的交線上;軸在赤道平面上,與構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。e e e z y ox e z e x e y e z e x 地球坐標(biāo)系隨地球轉(zhuǎn)動(dòng)。載體坐標(biāo)為經(jīng)度、緯度、高度。地球上任意點(diǎn)的地球坐標(biāo)固定不

3、變,但是地球坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間改變。t t t z y ox e z 地理坐標(biāo)系隨載體一起線運(yùn)動(dòng),不隨載體角轉(zhuǎn)動(dòng)。地球上任意一點(diǎn)的地理坐標(biāo)系都不相同。地理坐標(biāo)系并不唯一,有東北天、北東地等。地理坐標(biāo)系如左圖所示。其原點(diǎn)位于載體所在的點(diǎn);軸沿當(dāng)?shù)鼐暰€指東;軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€指北;軸沿當(dāng)?shù)氐乩泶咕€指上,并與構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。平面為當(dāng)?shù)厮矫?。平面為?dāng)?shù)刈游缑?。t x t y t z t x t y t t y ox t t z oy載體坐標(biāo)系載體坐標(biāo)系如右圖所示。其原點(diǎn)與載體質(zhì)心重合。軸沿載體橫軸指向右;軸沿載體縱軸向前;軸沿載體豎軸,并與、構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系(右前上。b b b z y ox b

4、x b y b z b x by 載體坐標(biāo)系并不唯一,也可以定義為前、右、下。載體坐標(biāo)系隨載體一起作線運(yùn)動(dòng)與角運(yùn)動(dòng)。地球坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系、載體坐標(biāo)系載體不動(dòng):地球坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng);載體坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系相對(duì)地球坐標(biāo)系不動(dòng),相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng);載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系不動(dòng);載體做線運(yùn)動(dòng):地球坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng);載體坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系相對(duì)地球坐標(biāo)系線運(yùn)動(dòng),相對(duì)慣性空間可能運(yùn)動(dòng);載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系不動(dòng);載體做角運(yùn)動(dòng):地球坐標(biāo)系相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng);載體坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系相對(duì)地球坐標(biāo)系角運(yùn)動(dòng),相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng);載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng);姿態(tài)角載體的姿態(tài)角是根據(jù)載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間

5、的旋轉(zhuǎn)關(guān)系確定的。 基本慣性器件陀螺儀(Gyroscope、Gyro:測(cè)量角速度(速率陀螺、角度(積分陀螺加速度計(jì)(Accelerometer:測(cè)量線加速度慣性導(dǎo)航導(dǎo)航是一個(gè)技術(shù)門類的總稱,它是引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人(總稱作運(yùn)載體安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線,準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的一種手段。慣性導(dǎo)航是指通過測(cè)量飛行器的加速度和角速度,自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算,獲得飛行器瞬時(shí)速度、瞬時(shí)姿態(tài)和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。慣性導(dǎo)航的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):自主導(dǎo)航:無需外界信息,安全,可靠;輸出信息豐富:位置、線速度、角速度、線加速度、角加速度、姿態(tài);應(yīng)用領(lǐng)域廣泛:海、陸、空、天;缺點(diǎn):成本高:成本與精度成指數(shù)級(jí)增長;長時(shí)精度低:因?yàn)?/p>

6、存在漂移,單獨(dú)長時(shí)間使用誤差變大;慣性導(dǎo)航的典型應(yīng)用1、二戰(zhàn)時(shí)期的V2導(dǎo)彈,被希特勒譽(yù)為“第三帝國的秘密武器”,是慣導(dǎo)的首次應(yīng)用;2、裝有慣導(dǎo)系統(tǒng)的核潛艇穿越北極點(diǎn)、在大洋上發(fā)射衛(wèi)星、長時(shí)間潛伏深海;3、衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)、外太空試驗(yàn)平臺(tái)都搭載慣導(dǎo)系統(tǒng);4、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、智能炮彈、火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、無人戰(zhàn)車、無人機(jī)、游戲手柄、安全氣囊、游戲機(jī)、計(jì)步器、航模等等;請(qǐng)?zhí)釂?二陀螺儀簡(jiǎn)介 二陀螺儀簡(jiǎn)介1.什么是陀螺儀2.陀螺儀的特性3.常用陀螺儀的指標(biāo)及其意義4.常見陀螺儀的種類及特點(diǎn)什么是陀螺儀廣義:凡是繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體都可稱為陀螺儀(陀螺效應(yīng)不明顯;狹義:只有高速旋轉(zhuǎn)的對(duì)稱剛體,其自轉(zhuǎn)軸能在空

7、間改變所指方向的才能稱為實(shí)用的陀螺儀; 雙自由度陀螺儀陀螺儀自轉(zhuǎn)軸相對(duì)慣性空間指向不變的特性稱為陀螺的定軸性。視運(yùn)動(dòng) 在二自由度陀螺儀上施加力矩,會(huì)引起陀螺動(dòng)量矩矢量相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的特性稱為陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。 陀螺儀主要技術(shù)指標(biāo)概述輸入范圍零偏(零位零偏穩(wěn)定性零偏重復(fù)性(逐次、逐日、隔日.比例因子比例因子線性度比例因子重復(fù)性(逐次、逐日、隔日比例因子對(duì)稱度角度隨機(jī)游走啟動(dòng)時(shí)間非正交性帶寬零位溫度系數(shù)比例因子溫度系數(shù)陀螺儀指標(biāo):輸入范圍輸入極限之間的范圍。輸入范圍:-300deg/s300deg/s、-200deg/h300deg/h最大輸入值:300deg/s陀螺儀指標(biāo):零偏陀螺儀中輸入速率為

8、零時(shí)陀螺儀的輸出量。因?yàn)檩敵隽坎煌?通常用等效的輸入速率表示。同一型號(hào)的產(chǎn)品,零偏越小越好;不同型號(hào)的產(chǎn)品,并不是零偏越小越好;零偏:14.9deg/h05001000150020002500300051015202530sd e g /hThe Bias is14.9027deg/h.The Bias repeatability is8.537deg/h在同樣的條件下及規(guī)定間隔內(nèi)重復(fù)測(cè)量的偏值之間的一致程度。以各次測(cè)得的偏值的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。逐次重復(fù)性、逐日重復(fù)性、隔日重復(fù)性、零偏與零偏重復(fù)性根據(jù)不同應(yīng)用目的綜合考慮。零偏重復(fù)性:9.38deg/h(1對(duì)所有陀螺越小越好(評(píng)價(jià)補(bǔ)償零位的難易程度

9、。05101520253051015202530timesd e g /hThe Bias is15.3232deg/h.The Bias repeatability is9.3826deg/h當(dāng)輸入為零時(shí)輸出量繞其均值的離散程度。以規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的標(biāo)準(zhǔn)偏差相應(yīng)的等效輸入表示。零偏穩(wěn)定性:8.54deg/h(114.90-8.5414.90+8.54主要針對(duì)速率陀螺。對(duì)所有陀螺越小越好(評(píng)價(jià)陀螺精度的一個(gè)重要指標(biāo)。05001000150020002500300051015202530sd e g /hThe Bias is14.9027deg/h.The Bias repeatability

10、 is8.537deg/h陀螺儀指標(biāo):零位漂移陀螺儀輸出量相對(duì)理想輸出量的偏差的時(shí)間變化率。它包含隨機(jī)性的和系統(tǒng)性的兩種分量,并用單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)慣性空間的相應(yīng)輸入角位移表示。零位漂移:0.030deg/s主要針對(duì)積分陀螺。05001000150020002500300020406080100120sd e gThe drift is0.030005deg/s陀螺儀指標(biāo):比例因子輸出的變化與要測(cè)量的輸入變化的比值。比例因子:0.0833V/deg/s單位也可以為其他,如“/P 、mA/deg/s ,具體單位根據(jù)陀螺儀的輸出方式。-60-40-200204060-5-4-3-2-1012345de

11、g/sVThe Scale Factor is0.083333V/deg/s陀螺儀指標(biāo):比例因子穩(wěn)定性同一測(cè)試條件下標(biāo)度因數(shù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的變化量值。通常用在規(guī)定時(shí)間內(nèi)多次測(cè)試所得標(biāo)度因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與其平均值之比的百分?jǐn)?shù)表示。比例因子穩(wěn)定性:0.1%、0.0005%、5ppm在輸入角速度范圍內(nèi),陀螺儀輸出量相對(duì)于最小二乘法擬合直線的最大偏差值與最大輸出量之比。比例因子非線性度:0.1%、0.0005%、5ppm比例因子非線性度:H/S正輸入和負(fù)輸入兩種情況下測(cè)得的標(biāo)度因數(shù)之間的差別。用分別測(cè)得的標(biāo)度因數(shù)與在整個(gè)輸入量程上測(cè)得的標(biāo)度因數(shù)之差的百分?jǐn)?shù)表示。標(biāo)度因數(shù)不對(duì)稱性意味著輸入一輸出函數(shù)的斜率在

12、零輸入時(shí)中斷。比例因子不對(duì)稱度:5ppm 比例因子不對(duì)稱度:%100-+K K K K+K-Kdeg/sV陀螺儀指標(biāo):啟動(dòng)時(shí)間慣性敏感器從最初供以能量到產(chǎn)生規(guī)定的有用輸出(雖然不一定完全符合規(guī)定性能的精度的時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間:2s、2min不同類型的陀螺儀啟動(dòng)時(shí)間相差很大。陀螺儀指標(biāo):角度隨機(jī)游走陀螺儀中由角速率中的白噪聲產(chǎn)生的隨時(shí)間累積的漂移角。角度隨機(jī)游走:5deg/h1/2陀螺儀的重要指標(biāo)。陀螺儀指標(biāo):帶寬陀螺儀頻率特性測(cè)試中,規(guī)定在測(cè)得的幅頻特性中幅值降低3dB所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。帶寬:100Hz可以通過犧牲陀螺儀帶寬的方式提高陀螺儀的精度。陀螺儀指標(biāo):零偏溫度系數(shù)由于溫度變化引起的偏值變化

13、量與溫度變化量之比。零偏溫度系數(shù):-0.0017deg/h/-40-30-20-1001020304050603.23.43.63.844.24.44.64.85o Cd e g /h The Bias Temperature Factor is-0.016776deg/h/o C溫度系數(shù)可能為正,也可能為負(fù);溫度系數(shù)是非線性的,需要擬合;例 請(qǐng)?zhí)釂?三常見陀螺儀類型 常見陀螺儀類型液浮陀螺儀氣浮陀螺儀靜電陀螺儀撓性陀螺儀動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀諧振式陀螺儀激光陀螺儀光纖陀螺儀MEMS陀螺儀液浮陀螺儀陀螺馬達(dá)安裝在一個(gè)圓柱形的浮筒內(nèi),浮筒再裝在一個(gè)圓柱形的殼體內(nèi)。在浮筒與殼體之間的間隙內(nèi)充滿了浮液。浮液

14、的密度與浮筒的密度相等,浮筒的重力基本上被浮力平衡。0.20.3deg/h摩擦力小導(dǎo)致漂移小帶寬低主要應(yīng)用于艦船、衛(wèi)星動(dòng)壓軸承是靠陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí),在軸徑和軸承之間的間隙內(nèi)產(chǎn)生具有一定剛度的氣膜,使軸頸和陀螺轉(zhuǎn)子懸浮起來,如右圖所示。0.01deg/h不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸與軸承之間接觸;靜壓軸承靠陀螺儀外部的專門氣源將具有一定壓強(qiáng)的氣體通過進(jìn)氣口輸送到軸承內(nèi),使軸懸浮起來,他的出氣口在軸承端部。不論陀螺軸轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn),軸都不與軸承接觸0.01deg/h靜電陀螺儀靜電陀螺儀靠強(qiáng)電場(chǎng)所產(chǎn)生的靜電吸力使球星轉(zhuǎn)子懸浮起來。精度最高的陀螺儀0.0000001deg/h撓性陀螺儀電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過驅(qū)動(dòng)軸和很細(xì)的軸頸帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)。由于軸頸很細(xì),容易撓曲,所以陀螺轉(zhuǎn)子可繞水平軸線自由擺動(dòng)。已逐漸淘汰<0.01deg/h動(dòng)力調(diào)諧陀螺陀螺儀有兩對(duì)互相垂直的內(nèi)外扭桿與平衡環(huán)組成的撓性街頭。正確設(shè)計(jì)撓性街頭的參數(shù)和陀