慣性器件應(yīng)用介紹

慣性器件

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測(cè)量裝臵、計(jì)算機(jī)、顯示器等組成。慣性測(cè)量裝 臵由兩大核心慣性元器件組成:加速度計(jì)和陀螺儀。三個(gè)自由度的陀螺用來(lái)測(cè)量 飛行器的角加速度，三個(gè)加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量飛行器的加速度，計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)得的 角加速 度和加速度數(shù)據(jù)計(jì)算出飛行器的速度和位子數(shù)據(jù)。性能先進(jìn)的慣性器件是 先進(jìn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的前提。

陀螺儀

傳統(tǒng)意義上的陀螺儀是安裝在框架中繞回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)的物體。 陀螺儀具有穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性，利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感 角偏差的位置陀螺。由于光學(xué)、MEMS 等技術(shù)被引入于陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝臵統(tǒng)稱(chēng)為陀螺。

陀螺儀種類(lèi)多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數(shù)目可分為二自由 度陀螺儀和單自由度陀螺儀;按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承支承陀螺，液浮、氣浮 與磁浮陀螺，撓性陀螺(動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀)，靜電陀螺;按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，和利用其他物理原理工作的半球諧振 陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。

根據(jù)其精度范圍大致分為超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺 儀。超高精度陀螺儀指精度范圍在 10-6 o/h~5*10-4 o/h 范圍內(nèi)的陀螺儀，主要包括液浮陀螺、靜電陀螺等，目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀。中高精度陀螺 儀指精度在 5*10-4 o/h~10-1 o/h 的陀螺儀，目前最有發(fā)展前景的陀螺儀是光學(xué)陀螺儀，激光陀螺屬于第一代光學(xué)陀螺，光纖陀螺屬于第二代光學(xué)陀螺，最近幾年 ，由于光纖陀螺在精度、性能和尺寸上具有更大的潛力，越來(lái)越受到各國(guó)軍方的 青睞。低精度陀螺儀是指精度范圍超過(guò) 10-1 o/h 的陀螺儀，目前發(fā)展前景較好的是MEMS 陀螺儀，雖然精度低，但低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景。

機(jī)電陀螺

機(jī)電陀螺是傳統(tǒng)的第一、二代陀螺儀，主要包括第一代液浮、氣浮、磁懸浮陀螺，以及撓性、靜電等第二代陀螺。機(jī)電陀螺的共同點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子都是安裝在框 架中繞回轉(zhuǎn)體的對(duì)稱(chēng)軸高速旋轉(zhuǎn)，屬于剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀，不同點(diǎn)在于支撐系統(tǒng)不 一樣。第一代液浮、氣浮、磁懸浮陀螺精度雖高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難、成本 很高。隨著慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣，尤其是在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用，尋求一種中高精 度、但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的陀螺成為當(dāng)時(shí)迫切需要解決的問(wèn)題。

撓性陀螺

60 年代初，出現(xiàn)了一種新穎支撐原理的撓性陀螺解決了第一代陀螺儀的問(wèn)題。撓性陀螺的轉(zhuǎn)子利用撓性接頭支撐，去除了支承軸上的摩擦干擾力矩，具有體積小、重量輕、可靠性高、成本低、能夠消除支承摩擦的優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用范圍廣 泛，從平臺(tái)式到捷聯(lián)式，從飛機(jī)、導(dǎo)彈到艦船、航天飛行器均有所應(yīng)用。

靜電陀螺

靜電陀螺是應(yīng)用電場(chǎng)原理，在超真空的腔體內(nèi)由靜電場(chǎng)產(chǎn)生的吸力來(lái)支承 球形轉(zhuǎn)子的一種自由轉(zhuǎn)子陀螺，和撓性陀螺同屬第二代陀螺儀。靜電陀螺技術(shù)是 當(dāng)今世界上最高精度的慣性技術(shù)，目前世界上只有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和中國(guó)掌 握并成功地應(yīng)用了這一技術(shù)。靜電陀螺慣性系統(tǒng)價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)體積較為龐大， 一般應(yīng)用在彈道導(dǎo)彈核潛艇或航空母艦上。

光學(xué)陀螺

光學(xué)儀器被用來(lái)測(cè)量地球的轉(zhuǎn)動(dòng)始于 1913 年法國(guó)物理學(xué)家 Sagnac 提出的 Sagnac效應(yīng)，真正實(shí)用的激光陀螺在 1963 年研制成功。此后，基于 Sagnac 效應(yīng)的光學(xué)陀螺迅速發(fā)展，激光陀螺和光纖陀螺是目前軍事應(yīng)用領(lǐng)域使用最廣泛的陀 螺，以其為主要慣性器件的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更是逐步取代成本高昂的基于機(jī)電 陀螺的平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

加速度計(jì)

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的另一核心元件。加速度計(jì)是用來(lái)感測(cè)運(yùn)動(dòng)載體 沿一定方向的比力的慣性器件，可以測(cè)量出加速度和重力，從而計(jì)算載體的速度和位臵。加速度計(jì)的分類(lèi):按照輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積 分型;按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計(jì)包括擺式積分加速度計(jì)、 液浮擺式加速度計(jì)和撓性擺式加速度計(jì)，非擺式加速度計(jì)包括振梁加速度計(jì)和靜 電加速度計(jì);按測(cè)量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸;按測(cè)量精度可分為高精 度(優(yōu)于 10-4m/s2)、中精度(10-2 m/s2–10-3 m/s2)和低精度(低于 0.1m/s2)三類(lèi)。lw