時間:2018-08-16 13:58:09來源:網(wǎng)絡轉(zhuǎn)載
對于角速度傳感器,很多人可能會比較陌生,不過,如果提到它的另一個名字——陀螺儀,相信有不少人知道。
陀螺儀的原理
陀螺儀,是一種用來感測與維持方向的裝置,基于角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn),由于輪子的角動量,陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。
通俗地說,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。大家如果玩過陀螺就會知道,旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時,它的軸的方向是不會隨著外力的方向發(fā)生改變的。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒,因為車軸有一股保持水平的力量
人們根據(jù)這個道理,用它來保持方向,制造出來的東西就叫做陀螺儀,然后再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)。
陀螺儀的基本部件包括
1、陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)。
2、內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán),它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構)。
3、附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。
陀螺儀的兩個重要特性
陀螺儀有兩個非常重要的基本特性:一為定軸性,另一是進動性,這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。
定軸性
當陀螺轉(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。
其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變:
1、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大,穩(wěn)定性愈好;
2、轉(zhuǎn)子角速度愈大,穩(wěn)定性愈好。
所謂的“轉(zhuǎn)動慣量”,是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時,它們所獲得的角速度一般是不一樣的,轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小,也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大;反之,轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大,也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。
進動性
當轉(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,叫做陀螺儀的進動性。
進動性的大小有三個影響的因素:
1、外界作用力愈大,其進動角速度也愈大;
2、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大,進動角速度愈小;
3、轉(zhuǎn)子的角速度愈大,進動角速度愈小。
陀螺儀的前世今生
陀螺儀由1850年法國物理學家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發(fā)明出來的,類似像是把一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個萬向支架上,靠陀螺的方向來計算角速度,和現(xiàn)在小巧的芯片造型大相徑庭。
陀螺儀發(fā)明以后,首先被用在航海上(當年還沒有發(fā)明飛機),后來被用在航空上。因為飛機飛在空中,是無法像地面一樣靠肉眼辨認方向的,而飛行中方向都看不清楚危險性極高,所以陀螺儀迅速得到了應用,成為飛行儀表的核心。
到了第二次世界大戰(zhàn),各個國家都玩命的制造新式武器,德國人搞了飛彈去炸英國,這是今天導彈的雛形。從德國飛到英國,千里迢迢怎么讓飛彈能飛到,還能落到目標呢?于是,德國人搞出來慣性制導系統(tǒng)。慣性制導系統(tǒng)采用用陀螺儀確定方向和角速度,用加速度計測試加速度,然后通過數(shù)學計算,就可以算出飛彈飛行的距離和路線,然后控制飛行姿態(tài),爭取讓飛彈落到想去的地方。不過那時候計算機也好,儀器也好,精度都是不太夠的,所以德國的飛彈偏差很大,想要炸倫敦,結(jié)果炸得到處都是,頗讓英國人恐慌了一陣。
不過,從此以后,以陀螺儀為核心的慣性制導系統(tǒng)就被廣泛應用于航空航天,今天的導彈里面依然有這套東西,而隨著需求的刺激,陀螺儀也在不斷進化。
傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機械式的陀螺儀,機械式的陀螺儀對工藝結(jié)構的要求很高,結(jié)構復雜,它的精度受到了很多方面的制約。
自從上個世紀七十年代以來,現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進入了一個全新的階段。1976年等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設想,到八十年代以后,現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展,與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。由于光纖陀螺儀具有結(jié)構緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優(yōu)點,所以目前光纖陀螺儀在很多的領域已經(jīng)完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀,成為現(xiàn)代導航儀器中的關鍵部件。
同時,激光陀螺儀也有突破,它通過光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度,優(yōu)點和光纖陀螺儀差不多,但成本高一些。
而我們現(xiàn)在智能手機上采用的陀螺儀是MEMS(微機電)陀螺儀,它精度并不如前面說到的光纖和激光陀螺儀,需要參考其他傳感器的數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)功能,但其體積小、功耗低、易于數(shù)字化和智能化,特別是成本低,易于批量生產(chǎn),非常適合手機、汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)療器材這些需要大規(guī)模生產(chǎn)的設備。
陀螺儀的分類
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:
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,漂移率為每小時幾度,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。
液浮陀螺儀
又稱浮子陀螺。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。為彌補這一不足,通常在液浮的基礎上增加磁懸浮,即由浮液承擔浮子組件的重量,而用磁場形成的推力使浮子組件懸浮在中心位置。
現(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、嚴格的裝配、精確的溫控,因而成本較高。
靜電陀螺儀
又稱電浮陀螺。在金屬球形空心轉(zhuǎn)子的周圍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。靜電陀螺儀采用非接觸支承,不存在摩擦,所以精度很高,漂移率低達10~10度/時。它不能承受較大的沖擊和振動。它的缺點是結(jié)構和制造工藝復雜,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)動軸和電機等組成。
它靠平衡環(huán)扭擺運動時產(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)構簡單、精度高(與液浮陀螺相近)、成本低,在飛機和導彈上得到了廣泛應用。
激光陀螺儀
它的結(jié)構原理與上面幾種陀螺儀完全不同。激光陀螺實際上是一種環(huán)形激光器,沒有高速旋轉(zhuǎn)的機械轉(zhuǎn)子,但它利用激光技術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。在空腔的各頂點分別安裝三塊反射鏡,形成閉合光路。腔體被抽成真空,充以氦氖氣,并裝設電極,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。當環(huán)形激光器處于靜止狀態(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航中得到應用,是很有發(fā)展前途的新型陀螺儀。
MEMS陀螺儀
即硅微機電陀螺儀,絕大多數(shù)的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是指集機械元素、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng)。
MEMS陀螺儀是利用coriolis定理,將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的直流電壓信號,其核心部件通過摻雜技術、光刻技術、腐蝕技術、LIGA技術、封裝技術等批量生產(chǎn)的。
它主要特點:
1、體積小、重量輕,其邊長都小于1mm,器件核心的重量僅為1.2mg。
2、成本低。
3、可靠性好,工作壽命超過10萬小時,能承受1000g的沖擊。
4、測量范圍大。
一百多年以前,萊昂·傅科發(fā)明陀螺儀是為了科學研究。如今,這個小東西卻讓我們的生活有了翻天覆地的改變。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表,而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件,即可作為信號傳感器。
根據(jù)需要,陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號,以便駕駛員或用自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行,而在導彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中,則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。
作為穩(wěn)定器,陀螺儀器能使列車在單軌上行駛,能減小船舶在風浪中的搖擺,能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。
作為精密測試儀器,陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發(fā)射井等提供準確的方位基準。
如果沒有它,就沒有飛機,沒有火箭,沒有現(xiàn)代生活,這恐怕是他的發(fā)明者都沒有想到的。小小的陀螺儀,讓我們的世界變得更美好。
在接下來的內(nèi)容中,我們將更多地了解陀螺儀在國民生活應用中的表現(xiàn)。
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