《惯性技术课件16--振动陀螺(哈工大版,1-16全).》由会员分享，可在线阅读，更多相关《惯性技术课件16--振动陀螺(哈工大版,1-16全).（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、Vibratory Gyro 振动陀螺 1Lecture 15 - Vibratory Gyro Outline 1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺 2Lecture 15 - Vibratory Gyro 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 q 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 3Lecture 15 - Vibratory Gyro 1.1 振动陀螺: 发展历程 Development: q 1940s-5
2、0s - 美国研制音叉陀螺 q 1960s - 通用汽车（GM）研制压电陀螺. q 1970s后期 - Delco 公司研制半球谐振陀螺 q 1980s早期 - Draper 和 Sperry 研制 MEMS 陀螺 精度: q 音叉, 压电, MEMS: - 精度较低 (战术武器, 车辆, 坦克, 雷达,数码产品) q 半球谐振陀螺 (HRG): - 较高精度, 达到惯性级, 光纤陀螺的竞争者. 4Lecture 15 - Vibratory Gyro Outline 1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺 5Lecture 15 - Vibratory
3、Gyro 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: q U 型的弹性臂. 音叉 挠性轴 阻尼器 基座 q 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 q 几百或几千 Hz, 幅值相同(几百 mm) 相位相反 q 音叉底部与基座挠性连接 6Lecture 15 - Vibratory Gyro 2.2 音叉陀螺: 假设 q 假设每个端部质量 = m/2 q 某个时刻，两个端部质量以速度 v 相向运动 q 每个质量距离中心轴的瞬时距离为 s q 基座绕中心轴以角速度 旋转 7Lecture 15 - Vibratory Gyro 2.
4、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. 8Lecture 15 - Vibratory Gyro 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 9Lecture 15 - Vibratory Gyro 2.5 动态方程 苛氏惯性力矩 角位移 - 假设，U 型臂绕着 中心轴
5、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: 10Lecture 15 - Vibratory Gyro 2.6 I/O 特性 角位移由传感器检测到, 输出电压信号: q K - 输入输出比例因子 q 线性的输入输出关系 选取 n = 0 (自然频率), 稳态响应为 11Lecture 15 - Vibratory Gyro Outline 1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺 12Lecture 15 - Vibratory Gyro 平板电极 3.0 电场和静电力 静电力: 0 - 真空介电常数
6、电容: 13Lecture 15 - Vibratory Gyro 3.1 压电陀螺 压电效应: q 正压电效应: FE 当晶体受到压力或张力（形变）， 产生电势 q 逆压电效应: EF 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 14Lecture 15 - Vibratory Gyro 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 q 对外框架
7、激振 激振电极 q 敏感质量绕外框架轴振动 ，具有线速度 v 15Lecture 15 - Vibratory Gyro 驱动轴 敏感质量 3.2 MEMS 陀螺 q 敏感质量绕外框架轴振 动，具有线速度 v 输入 轴 q 和输入角速度 耦合 q 产生苛氏惯性力 Fc q 引起绕内框架轴的振动 输出轴 q 由内框架上的电极读取输出 读取电 极 16Lecture 15 - Vibratory Gyro 3.3 使用了 MEMS 陀螺的 SINS MEMS 陀螺 MEMS 加速度计 17Lecture 15 - Vibratory Gyro 3.3 基于 MEMS 器件的无线笔 18Lectur
8、e 15 - Vibratory Gyro Outline 1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺 19Lecture 15 - Vibratory Gyro 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 20Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.2 半球谐振陀螺的优点 q 较高的精度, 标度因数稳定 q 小体积、低成本 q 结构简单，可靠性高
9、(定向钻探) q 性能稳定 q 启动时间短 q 高带宽 (输入范围几乎无限) q 承受过载能力强 q 抗辐射能力强 q 能够承受暂时的断电 21Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.3 发展状况 q 1970s 末 - 美国Delco公司试制 q 1982 - 制成首台惯性级精度的样机 q 1994 - Delco 被Litton (Northrop Grumman) 收购 q 1980s 中期 - 前苏开始研制 q 1990s 末 - 俄进入实用 q 1987 - 中国开始研制 q 1994 - 受Delco被收购的影响，国内研制一度陷入停滞 q 1997 - 国内重新
10、恢复 22Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.4 组成 解剖图: q 上下底座 上底座 下底座 q 谐振子及连接 半球谐振子 q 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: q 石英 q 直径 58mm q 金属镀膜 q 4-(波节)波腹振型 波节 波腹 23Lecture 15 - Vibratory Gyro 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: q 环形和离散 q 环形提供能量 q 离散提供振型离散力发生 器 谐振子 q 16 个离散电极 读取: 读取电极 q 电容式 q 8 个电极 q
11、 敏感振型偏转 封装: 抽真空，大时间常数 24Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.5 振型偏转描述 谐振子模型 - 弹性质量环 激振、弹性变形 q 圆 q 椭圆 1 q 圆 q 椭圆 2 长轴、短轴反复交替 4-波腹振型 25Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.5 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，造成振型偏转 or K - 标度因数; 对于 4 波节振型，K 0.3 node 26Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.6 振型偏转分析 q 波腹位置：径向振动
12、q 波节位置：切向振动 q 其它位置：两种振动合成 振动节拍： 圆 椭圆 1 椭圆 2 27Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.7*振型偏转解释（1） 圆椭圆1 q 各位置的速度 q 各位置的苛氏惯性力 q 质量环原来的变形趋势 q 苛氏惯性力作用下质量 环的变形趋势 q 上述两种趋势的综合 28Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.7 振型偏转解释（2） 椭圆1圆 q 各位置的速度 q 各位置的苛氏惯性力 q 质量环原来的变形趋势 q 苛氏惯性力作用下质量 环的变形趋势 q 上述两种趋势的综合 29Lecture 15 - Vibratory G
13、yro 4.7 振型偏转解释（3） 圆椭圆2 q 各位置的速度 q 各位置的苛氏惯性力 q 质量环原来的变形趋势 q 苛氏惯性力作用下质量 环的变形趋势 q 上述两种趋势的综合 30Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.7 振型偏转解释（4） 椭圆2 圆 q 各位置的速度 q 各位置的苛氏惯性力 q 质量环原来的变形趋势 q 苛氏惯性力作用下质量 环的变形趋势 q 上述两种趋势的综合 31Lecture 15 - Vibratory Gyro 4.7 振型偏转 总结 总结: 每一次变形过程 振型相对基座的偏转 都是和基座转动方向 相反 32Lecture 15 - Vibratory Gyro End 33Lecture 15 - Vibratory Gyro
