普通陀螺儀和光纖陀螺

普通陀螺儀和光纖陀螺一、概述繞一個支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質(zhì)量均勻分布的，具有軸對稱形狀的剛體，其兒何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸,而現(xiàn)在一般將能夠測量相對慣性空間的角速度和角位移的裝置稱為陀螺。陀螺是一種即使無外界參考信號也能探測出運(yùn)載體本身姿態(tài)和狀態(tài)變化的內(nèi)部傳感器，其功能是測量運(yùn)動體的角度、角速度和角加速度。陀螺儀有兩大特性，即定軸性和進(jìn)動性。利用這兩個特性就可在導(dǎo)彈等運(yùn)載器的飛行過程中建立不變的基準(zhǔn)，從而測量出運(yùn)動體的姿態(tài)角和角速度。同時由加速度計(jì)測出其線加速度，經(jīng)過必要的積分運(yùn)算和坐標(biāo)變換，確定彈（箭）相對于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的瞬時速度和位置。也就是說，可以利用陀螺的特性建立一個相對慣性空間的人工參考坐標(biāo)系，通過陀螺儀和加速度計(jì)測出運(yùn)載器（包括火箭、導(dǎo)彈、潛艇、遠(yuǎn)程飛機(jī)、宇航飛行器等）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)綜合計(jì)算，并指令姿態(tài)控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器的完全自主導(dǎo)航。陀螺儀外形圖陀螺儀外形圖二、工作原理陀螺儀的原理就是，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘兒十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。定軸性：當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時,陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好進(jìn)動性：當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動性。三、陀螺儀分類按照轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的自由度分成雙自由度陀螺儀（也稱三自由度陀螺儀）和單自由度陀螺儀（也稱二自由度陀螺儀）。前者用于測定飛行器的姿態(tài)角，后者用于測定姿態(tài)角速度，因此常稱單自由度陀螺儀為。但通常多按陀螺儀中所采用的支承方式分類。1?滾珠軸承自由陀螺儀它是經(jīng)典的陀螺儀。利用滾珠軸承支承是應(yīng)用最早、最廣泛的支承方式。滾珠軸承靠直接接觸，摩擦力矩大，陀螺儀的精度不高，漂移率為每小時兒度，但工作可靠，迄今還用在精度要求不高的場合。一個自由轉(zhuǎn)子陀螺儀（雙自由度陀螺儀）靠內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸角度傳感元件可以測量兩個姿態(tài)角。2.液浮陀螺儀乂稱浮子陀螺。內(nèi)框架（內(nèi)環(huán)）和轉(zhuǎn)子形成密封球形或圓柱形的浮子組件。轉(zhuǎn)子在浮子組件內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，在浮子組件與殼體間充以浮液,用以產(chǎn)生所需要的浮力和阻尼。浮力與浮子組件的重量相等者，稱為全浮陀螺;浮力小于浮子組件重量者稱為半浮陀螺。由于利用浮力支承，摩擦力矩減小，陀螺儀的精度較高，但因不能定位仍有摩擦存在。為彌補(bǔ)這一不足，通常在液浮的基礎(chǔ)上增加磁懸浮，即由浮液承擔(dān)浮子組件的重量，而用磁場形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。此外，還可利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與內(nèi)框架之間所形成的動壓氣膜支承轉(zhuǎn)子，這種方式稱為動壓氣浮支承?，F(xiàn)代高精度的單自由度液浮陀螺常是液浮、磁浮和動壓氣浮并用的三浮陀螺儀。這種陀螺儀比滾珠軸承陀螺儀的精度高，漂移率為0.01度/時。但液浮陀螺儀要求較高的加工精度、嚴(yán)格的裝配、精確的溫控，因而成本較高靜電陀螺儀乂稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圉裝有均勻分布的高壓電極，對轉(zhuǎn)子形成靜電場，用靜電力支承高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種方式屬于球形支承，轉(zhuǎn)子不僅能繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時也能繞垂直于自轉(zhuǎn)軸的任何方向轉(zhuǎn)動，故屬自由轉(zhuǎn)子陀螺儀類型。靜電場僅有吸力，轉(zhuǎn)子離電極越近吸力就越大，這就使轉(zhuǎn)子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。用一套支承電路改變轉(zhuǎn)子所受的力，可使轉(zhuǎn)子保持在中心位置。靜電陀螺儀釆用非接觸支承，不存在摩擦,所以精度很高，漂移率低達(dá)10?10度/時。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，成本較高。撓性陀螺儀轉(zhuǎn)子裝在彈性支承裝置上的陀螺儀。在撓性陀螺儀中應(yīng)用較廣的是動力調(diào)諧撓性陀螺儀。它由內(nèi)撓性桿、外撓性桿、平衡環(huán)、轉(zhuǎn)子、驅(qū)動軸和電機(jī)等組成。它靠平衡環(huán)扭擺運(yùn)動時產(chǎn)生的動力反作用力矩（陀螺力矩）來平衡撓性桿支承產(chǎn)生的彈性力矩，從而使轉(zhuǎn)子成為一個無約束的自由轉(zhuǎn)子，這種平衡就是調(diào)諧。撓性陀螺儀是60年代迅速發(fā)展起來的慣性元件，它因結(jié)構(gòu)簡單、精度高（與液浮陀螺相近）、成本低，在飛機(jī)和導(dǎo)彈上得到了廣泛應(yīng)用。激光陀螺儀它的結(jié)構(gòu)原理與上面兒種陀螺儀完全不同。激光陀螺實(shí)際上是一種環(huán)形激光器，沒有高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械轉(zhuǎn)子，但它利用激光技術(shù)測量物體相對于慣性空間的角速度，具有速率陀螺儀的功能。激光陀螺儀的結(jié)構(gòu)和工作是：用熱膨脹系數(shù)極小的材料制成三角形空腔。在空腔的各頂點(diǎn)分別安裝三塊反射鏡，形成閉合光路。腔體被抽成真空，充以氨氛氣，并裝設(shè)電極，形成激光發(fā)生器。激光發(fā)生器產(chǎn)生兩束射向相反的激光。當(dāng)環(huán)形激光器處于靜止?fàn)顟B(tài)時，兩束激光繞行一周的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差（頻差）為零，干涉條紋為零。當(dāng)環(huán)形激光器繞垂直于閉合光路平面的軸轉(zhuǎn)動時，與轉(zhuǎn)動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低;另一束光則相反，因而出現(xiàn)頻差，形成干涉條紋。單位時間的干涉條紋數(shù)正比于轉(zhuǎn)動角速度。激光陀螺的漂移率低達(dá)0.1?0.01度/時，可靠性高，不受線加速度等的影響，已在飛行器的慣性導(dǎo)航中得到應(yīng)用，是很有發(fā)展前途的新型陀螺儀。

6.光纖陀蝮儀第一代光學(xué)陀螺為激光陀螺，第二代光學(xué)陀螺是光纖陀螺。光纖陀螺儀按照工作原理來分，可以分為干涉式光纖陀螺儀(I.FOG)、諧振式光纖陀螺儀(R?FOG)和布里淵型光纖陀螺儀(B.FOG)。其中干涉型光纖陀螺儀研究開發(fā)最早，技術(shù)最為成熟，屬于第一代光纖陀螺。光纖陀螺儀的基礎(chǔ)是薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)。?薩格奈克效應(yīng)薩格奈克效應(yīng)首先由Sagnac于1903年首先發(fā)現(xiàn)。光纖陀螺基于薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)，也即當(dāng)環(huán)形干涉儀旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個正比于旋轉(zhuǎn)速率Q的相位差可以考慮一個簡單的理想圓形光路的情形，進(jìn)入該系統(tǒng)的光被分成兩束反向傳播光波，在同一光路中沿相反方向傳播后，同相返回。當(dāng)干涉儀旋轉(zhuǎn)時，一個在慣性參照系中靜止的觀察者，看到光從M點(diǎn)進(jìn)入干涉儀，并以相同的真空中的光速c沿兩個相反方向傳播；但是經(jīng)過光纖環(huán)的傳輸時間t后，分束器己經(jīng)移到M",觀察者將會看到，與旋轉(zhuǎn)同向的光波比反向的光波所經(jīng)歷的路程要長。兩束光的相位之差和旋轉(zhuǎn)角速度成正比，據(jù)此可以計(jì)算出圓盤轉(zhuǎn)速。a)系統(tǒng)靜止b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)a)系統(tǒng)靜止b)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)圖2真空情形F"理想”圓形光路中的薩格奈克效應(yīng)?干涉式光纖陀螺儀如下圖所示，光纖陀螺儀在旋轉(zhuǎn)過程中會使兩束光產(chǎn)生相位差，根據(jù)相位差的大小可以換算出旋轉(zhuǎn)速度。<t光源發(fā)岀的光經(jīng)過耦合器后分為兩束光,其中的一束光進(jìn)入電光相位調(diào)制器（丫波導(dǎo)），經(jīng)過Y波導(dǎo)的內(nèi)部調(diào)巧后輸出的兩束光為滿足光的相I條件,這兩束光在光纖環(huán)中和向傳播，感應(yīng)外部的角速度運(yùn)動?在探測器處檢測［渺信號光強(qiáng)變化,經(jīng)過光電信號處理轉(zhuǎn)換Z后.形成閉環(huán)反饋電