当前课程知识点:惯性导航原理 > 第三章 惯性仪表陀螺仪 > 3.2静电陀螺仪 > 3.2.2 静电陀螺仪
通过前面章节的学习我们知道
为了提高转子陀螺仪的使用精度
采用了不同的支撑技术
比如气浮 液浮 磁悬浮等
这一讲
我们要学习的静电陀螺仪
是采用静电支撑转子的自由陀螺仪
是目前公认的
精度等级最高的转子式陀螺仪
满足长航时
高精度导航应用
我们主要讲三个问题
静电陀螺仪的原理结构
静电陀螺仪的支撑原理
静电陀螺仪角度信号的读取
静电陀螺仪
实际上是一种二自由度框架式结构陀螺
从它的原理结构图可以看出
一个典型静电陀螺仪
主要由金属球形转子
带有球面电极的陶瓷壳体
驱动线圈阻尼线圈
以及角度读取装置等组成
金属的球形转子
放置在带有电极的真空陶瓷球腔内
电极与转子之间的间隙很小
因此
在电极上接通高电压
便产生相当高的电场强度
在这样高的场强之下
3对电极
通过静电感应
对转子产生足够大的静电吸力
把球形转子支撑起来
实现悬浮
已经悬浮的转子
被驱动线圈的旋转磁场
带转到额定转速
然后依靠惯性持续自转
在启动过程中
阻尼线圈的恒定磁场
同时起到定中的作用
使转子极轴与转轴
趋于一致
并与壳体零位对准
因球形转子与壳体完全脱离接触
并具有一定的角动量
故
自转轴能够以很高的精度
相对惯性空间保持方向稳定
当壳体相对惯性空间转动时
借助角度读取装置
便可获得壳体
相对惯性空间的角位移
因此
静电陀螺仪
是一种典型的位置陀螺仪
这里需要注意几个问题
首先
在工程上
球形转子
有空心球和实心球两种结构类型
两种类型的球转子相比
在相同质量的前提下
空心球转子的直径可以做得较大
从而获得较大的静电支承力
和承载能力
同时
还可得到较大的转动惯量
但空心球转子
在高速旋转时
离心变形较大
动态球形度不易控制
导致较大的静电场干扰力矩
因而
限制了陀螺精度的进一步提高
实心球转子
在高速旋转时的离心变形小
质量稳定性好
易于实现低漂移
但其承载能力
不如采用空心球转子大
而且
所要求的电子线路
更为复杂
第二个要注意的是
支撑球形转子所需的球面电极
有正六面体电极
和正八面体电极两种方案
即将球面划分成
面积和形状
都相同的六块或八块电极
正六面体电极
球心与各电极中心的连线
组成三轴正交坐标系
故可构成三轴正交支撑系统
而八面体电极构成的是
四轴非正交支撑系统
正八面体电极
为提高支撑系统的可靠性
实现支撑系统的故障检测
和余度管理提供了可能
最后要注意的是
为维持陀螺仪球腔内所需的超高真空度
陀螺仪表内
都带有小型钛离子泵
定期点燃
以吸收残余气体分子
那么
仅依靠球形电极产生的静电力
就能实现转子
在任何情况下的定中悬浮吗
我们来看一下静电陀螺仪的支撑原理
静电陀螺仪的球面电极
和球形转子之间的静电场
产生静电吸力的作用原理
与一对平行金属电极板之间
静电场产生静电吸力的作用原理是
相同的
从表达式中可看出
静电吸力
与两极板间的间隙成反比
其效果
是力图使两块极板趋向靠近移动
以正六面体电极方案为例
正六面体电极中
三对电极所产生的静电吸力
分别沿着三根正交的坐标轴
如果每对电极所加的电压相同
且转子的球心
位于三对电极的中间位置
即位于电极球面的球心时
则每对电极中的两块电极
对转子的静电吸力
大小相等
而方向相反
这样
转子就处于静电吸力平衡状态
当转子
在加速度场内
受到力的作用而产生位移时
对应电极与转子之间的间隙
会发生变化
例如
当转子
沿A B一对极的轴线方向
移动位移ΔX时
间隙dA小于dB
如果此时
电极A和电极B
所加的电压仍然相同
那么就有FA大于FB
这样就会把转子
吸引到电极A的一边
静电支撑失去了作用
可以看出
在此种情况下
要将FA变小
FB变大
才能将转子球拉回中心
因此
必须相应减小电极A上的电压UA
和增大电极B上的电压UB
工程上又如何实现呢
构造如图所示的桥式电路
采用桥式测量线路
来敏感间隙变化量ΔX
所产生的电容变化量ΔC
通过放大线路
放大敏感电桥输出的电压信号
得到ΔU
将ΔU作为控制电压
便可实现对转子的自动调节支撑
从而实现转子的全悬浮
从静电陀螺仪的框架结构可以看出
一般的转子 定子式角度传感器
没有办法直接安装在仪表上
将敏感到的载体角度信号
转为电信号输出
静电陀螺仪角度信号读取方法
有光电测量方法
和转子质量不平衡调制法
分别针对载体小角度测量
和大角度测量
这里主要介绍光电测量法
光电测量法
是借助光电传感器
瞄视转子上的刻线
而获取角度信号的
在转子极轴与表面的交点处
有宽约一毫米
长约三毫米的刻线区
这样的表面
对光便起到漫射作用
在通过极点
和刻线边界的大圆弧上
刻有参考线
这是一条较窄的漫射区
在转子极轴方向安装一个光电传感器
其光点
瞄视转子极点处的刻线区域
同时在倾斜方向
安装另一个光电传感器
其光点
瞄视转子上的参考线
由于光电传感器接收到的光强
与光点的反射光强成正比
所以它输出的电压信号
亦与光点的反射光强成正比
如图所示
在起始零位时
转子极轴
与光电传感器的光轴重合
发自极轴光电传感器的小圆光点
恰好一半照在转子的强反射面上
另一半
照在刻线漫射面上
在转子
绕极轴旋转一周的过程中
转子对小圆光点的反射面积没有改变
均为小圆光点面积的一半
因而反射光强不变
极轴光电传感器输出的电压信号
为一恒值
倾斜光电传感器的小圆光点
只有照在参考线上的瞬间
才被漫射
因而
它的输出
为脉冲电压信号
当安装载体出现角姿态
陀螺仪表壳体随之转动
而转子保持定轴性
从而使传感器光轴
偏离转子极轴一个小角度
这样
在转子
绕极轴旋转一周的过程中
极轴光电传感器
小圆光点的反射面积
将发生变化
故输出信号发生相应的变化
测量出
极轴光电传感器
输出电压信号的幅值
便可确定出
壳体
相对转子极轴的
偏角大小
将极轴光电传感器输出的信号波形
与倾斜光电传感器
输出的脉冲信号相比较
则可鉴别出它的相位
从而
确定出壳体
相对转子极轴的偏转方向
好
这一讲的内容就到这里
谢谢大家
-1.1惯性导航基本概念
--1.1.3 小节测试
-1.2惯性导航技术发展史
--1.2 知识导授
--1.2.3 小节测试
-1.3惯性导航常用坐标系
--1.3 知识导授
--1.3.1 小节测试
--1.3.2 小节测试
--1.3.3 小节测试
-2.1陀螺仪的定义及分类
--2.1.3 小节测试
-2.2刚体转子陀螺仪的基本特性
--2.2 知识导授
--2.2.3 小节测试
-2.3陀螺仪运动方程的建立
--2.3 知识导授
--2.3.1 小节测试
--2.3.2 小节测试
--2.3.3 小节测试
-2.4陀螺仪运动特性分析
--2.4 知识导授
--2.4.1 小节测试
--2.4.2 小节测试
-第二章 主观题
-3.1三浮陀螺仪
--3.1.3 小节测试
-3.2静电陀螺仪
--3.2.3 小节测试
-3.3动力调谐陀螺仪
--3.3.3 小节测试
-3.4光学陀螺仪
--3.4 知识导授
--3.4.1 小节测试
--3.4.2 小节测试
--3.4.3 小节测试
-3.5振动陀螺仪
--3.5.3 小节测试
-3.6 原子陀螺仪
--3.6.3 小节测试
-第三章 主观题
-4.1加速度计的测量原理
--4.1.3 小节测试
--4.1.5 小节测试
-4.2石英挠性摆式加速度计
--4.2.3 小节测试
-4.3陀螺积分加速度计
--4.3.3 小节测试
-第四章 主观题
-5.1基本概念
--5.1.3 小节测试
-5.2陀螺仪静态误差模型
--5.2.3 小节测试
-5.3加速度计静态误差模型
--5.3.3 小节测试
-5.4惯性仪表误差标定测试
--5.4.3 小节测试
-第五章 主观题
-6.1陀螺稳定平台功能、组成
--6.1.3 小节测试
-6.2陀螺稳定平台工作原理
--6.2.3 小节测试
-6.3陀螺稳定平台性能分析
--6.3.3 小节测试
-6.4平台式惯导系统导航原理
--6.4 知识导授
--6.4.1 小节测试
--6.4.2小节测试
-第六章 主观题
-7.1捷联式惯导系统工作原理
--7.1.3 小节测试
-7.2 四元数及坐标转换
--7.2.3 小节测试
-7.3捷联式惯导系统导航参数解算
--7.3.3 小节测试
-第七章主观题