3.2.2 静电陀螺仪在线视频

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