靜電陀螺概述

1、靜電陀螺概述框架陀螺：精度追求、三浮 結構復雜，成本高昂靜電陀螺(Electrostatic Gyro)：較徹底的支承革新 球形轉子; 電極球腔 靜電懸浮; 超高真空靜電陀螺優(yōu)點： 精度高，真正的自由轉子 結構簡單，可靠性高：戰(zhàn)略武器、火箭缺點：工藝復雜 1發(fā)展概況發(fā)展階段 1952年提出1970s初期0.01（0/h）1970s中期0.0001（0/h）1970s末期進入實用1995年0.00001（0/h）04年斯坦福大學10-11（0/h） 主要研制機構：1950s后期，美國Honeywell和Autonetics開始研制 從 1960s 末到 1980s，法國、英國、前蘇聯(lián)、中國也相繼

2、展開靜電陀螺的研制 2結構組成：總述球形轉子陶瓷球腔凹形球面電極高電壓/小間隙/強電場/懸浮/控制回路穩(wěn)定 驅動線圈：轉子起旋定中線圈：轉子軸對準鈦離子泵：抽真空光電傳感 ：讀取角度 3結構組成：球形轉子 兩種類型：空心球和實心球材料：鈹（密度小、剛度大）制造工藝：空心球：兩個薄壁半球配合而成 外徑：3850mm壁厚：0.40.5mm赤道處加厚 實心球：鉭絲嵌入鈹棒 讓質心偏離球心 兩種類型比較： 直徑、靜電支承力 變形、轉速 4結構組成：殼體、電極、驅動與定中 殼體：兩塊陶瓷碗密封連接電極：碗內壁制成球面電極 內壁研磨，電鍍，切割 切割方案：正六、正八面體 5平板電極 板間電場強度 板間電容

3、 電場能量 將 W 對 d 求導，得到靜電引力公式 球面電極 每塊微小面積可看作和平板情形相同所以合力 支承原理：從平板到球面電極6支承原理：兩種球面電極引力公式對于正六面體電極的每塊靜電引力的方向，如圖對于正八面體電極的每塊靜電引力的方向，如圖 7支承原理：穩(wěn)定性的保證以正六面體為例，設轉子沿 AB 軸朝 A 偏離x兩邊引力的變化會進一步把轉子吸到 A 的一邊必須改變兩邊靜電引力變化，才能抑制轉子的位移。基本思路：測量位移x，改變兩端電壓 UA，UB 8支承原理：位移導致電極電容改變轉子位移 x：通過測量電極和轉子之間電容改變量 轉子位于中心時，兩個電極和轉子間的電容均為 轉子向 A 電極移

4、動x，兩個電極和轉子的間距分別變?yōu)?dA = d0 -x dB = d0 +x 電容 類似地 電容改變量 C 和位移 x 成正比，用敏感電橋可以測出 9支承原理：位置反饋回路U = kCC = kx UA = U0 - kxUB = U0 + kx 轉子受到的合力 支承彈簧，K支承剛度 10支承原理：承載能力靜電陀螺承載能力(Suspension Capability)：根據(jù) UA = U0 - U UB = U0 + U當U=U0 時，UA= 0，F(xiàn)A= 0，UB = 2U0，最大支承力：所以又可寫成 Fm = 4F0 靜電陀螺的承載能力 11角度讀取概述角度讀取 殼體相對轉子極軸的轉角讀取

5、范圍分類 小角度、大角度讀取方式分類 光電法、質量不平衡調制法(Imbalanced Mass Modulation) 12光電讀取法：刻線區(qū)和光電傳感器光電讀取法：借助光電傳感器掃描轉子上的刻線 刻線區(qū)： 極軸處和傾斜處 光電傳感器：（兩個）測量原理： 起始零位：極軸傳感器輸出恒值信號，傾斜傳感器輸出脈沖 13光電讀取法：光軸偏離產(chǎn)生周期信號當殼體轉動，使極軸傳感器的光軸向對轉子極軸偏離一小角度（比如向右），則在轉子繞極周旋轉一周的過程中，極軸光電傳感器輸出周期信號。 14質量不平衡調制法：原理測量范圍：大角度適用類型：實心轉子 質心偏于赤道平面旋轉軸通過質心球心繞質心旋轉:偏擺轉子與各電極的間隙發(fā)生周期性變化 15質量不平衡調制法：原理在赤道平面內間隙變化最大，沿極軸方向變化最小 間隙調制 = 電容調制 = 電極輸出信號被調制 電極旋轉角度影響到其輸出中的調制信號的強弱旋轉角度大小和方向的判斷 正八面體電極支承及其變換 靜電陀螺儀的三個基本問題：一、支承二、讀取三、精度（誤差控制） 16靜電陀螺誤差源分析球加工誤差球離心變形球溫度變形轉子非球形球靜平衡誤差轉子質心軸向位移加速度干擾力矩雜散磁場雜散磁場干擾力矩重力加