超高精度陀螺的發(fā)展與應(yīng)用

超高精度陀螺的發(fā)展與應(yīng)用

0新型螺栓的種類自螺釘應(yīng)用于航海、航空、航空航天、經(jīng)濟(jì)和其他領(lǐng)域。陀螺及其相關(guān)技術(shù)一直是各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)之一,發(fā)展十分迅速。迄今為止,陀螺儀從傳統(tǒng)的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀到新型的固態(tài)陀螺儀,種類十分繁多。液浮陀螺、靜電陀螺和動(dòng)力調(diào)諧陀螺是技術(shù)成熟的三種剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀,達(dá)到了精密儀器領(lǐng)域內(nèi)的高技術(shù)水平。隨著光電技術(shù)、微米/納米技術(shù)的發(fā)展,新型陀螺儀如激光陀螺、光纖陀螺和微機(jī)械陀螺應(yīng)運(yùn)而生。它們都是廣義上的陀螺儀,是根據(jù)近代物理學(xué)原理制成的具有陀螺效應(yīng)的傳感器。因其無(wú)活動(dòng)部件,稱為固態(tài)陀螺儀。這種新型全固態(tài)的陀螺儀將成為未來(lái)的主導(dǎo)產(chǎn)品,具有廣泛的發(fā)展前途和應(yīng)用前景。1螺栓精度范圍根據(jù)最近幾年國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn),目前常見(jiàn)幾種陀螺的精度范圍如圖1描述:從圖1可以看出,陀螺精度的分布相差大約8個(gè)數(shù)量級(jí),那么根據(jù)其精度范圍可大致分為三部分:超高精度陀螺儀、中高精度陀螺儀和低精度陀螺儀。1.1靜電螺栓在其他方面的應(yīng)用超高精度陀螺儀指精度在10-6°/h～5×10-4°/h范圍內(nèi)的陀螺儀,主要包括靜電陀螺、磁浮陀螺和液浮陀螺。目前最高精度的陀螺儀是靜電陀螺儀,這種陀螺的精度還有進(jìn)一步提高的潛力,至少在未來(lái)一個(gè)階段還將占據(jù)領(lǐng)先地位。液浮陀螺在導(dǎo)航中已得到最廣泛的應(yīng)用,如在艦船的陀螺羅經(jīng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。液浮陀螺在今后幾年還將繼續(xù)發(fā)揮作用,這是因?yàn)橐焊⊥勇菀呀⒘己玫募庸すに?并形成了一定的生產(chǎn)基礎(chǔ)。不過(guò)就目前的現(xiàn)狀來(lái)看,再投入人力物力去研制新的液浮陀螺已沒(méi)有必要,這是因?yàn)檫M(jìn)一步提高液浮陀螺的精度已很困難,并且現(xiàn)在已經(jīng)有高精度的靜電陀螺。磁浮陀螺的研制已有三十多年歷史,但沒(méi)有得到廣泛使用,這是因?yàn)樵诔呔确矫骒o電陀螺更具優(yōu)勢(shì),而在中、高精度方面的應(yīng)用液浮陀螺又長(zhǎng)期占主導(dǎo)地位。所以說(shuō)精度接近10-4°/h的磁浮陀螺只能在一些特定的領(lǐng)域得到使用,此外它的使用還要受成本因素的制約。俄羅斯研制一種球形磁浮陀螺,采用球形磁懸浮轉(zhuǎn)子,在高真空下高速旋轉(zhuǎn),其工作原理類似于靜電陀螺,但它靠的是電磁力作為支承。由于采用低廉的電磁材料及簡(jiǎn)便的生產(chǎn)過(guò)程,并進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn),故價(jià)格較低。同價(jià)格昂貴的靜電陀螺相比具有性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)。球形磁浮陀螺應(yīng)用在半解析式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,體積小精度高,其缺點(diǎn)是過(guò)載能力低,啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),只能適用于航海上。靜電陀螺是利用靜電力支承使球形轉(zhuǎn)子在超高真空的環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)的一種自由轉(zhuǎn)子陀螺儀。轉(zhuǎn)子是由比重輕、剛度大的鋁或鈹制成的空心或?qū)嵭那蝮w,置于超高真空的陶瓷球腔內(nèi),球腔內(nèi)壁經(jīng)過(guò)金屬化處理后再開(kāi)出溝槽,把球腔面分割成上下左右前后六個(gè)支承面,構(gòu)成三對(duì)電極。當(dāng)電極通電時(shí),支承電極之間形成很強(qiáng)的靜電場(chǎng),靜電引力使轉(zhuǎn)子懸浮在球腔的中心,再通過(guò)兩對(duì)軸線正交的驅(qū)動(dòng)線圈所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。由于陀螺轉(zhuǎn)子是靠靜電懸浮支承的,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的無(wú)機(jī)械接觸支承,從而提高了陀螺儀的精度。靜電陀螺儀適用于高精度的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中。靜電陀螺儀組成的靜電陀螺監(jiān)控器(ESGM)與艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)組成SINS/ESGM組合導(dǎo)航系統(tǒng),該系統(tǒng)是目前最高精度等級(jí)的慣性導(dǎo)航設(shè)備,它能滿足潛艇及航母高精度、高可靠性和隱蔽性的要求。目前,靜電陀螺的研制者還將開(kāi)發(fā)其新的應(yīng)用前景。首先,在宇航方面利用靜電陀螺建立高精度的定位系統(tǒng)。目前靜電陀螺在航天器上還未得到使用,但根據(jù)其工作原理靜電陀螺在失重條件下工作應(yīng)十分有效?？梢灶A(yù)料,靜電陀螺儀在航天器上的應(yīng)用將從根本上簡(jiǎn)化航天器的定位系統(tǒng)。其次,靜電陀螺儀在陀螺經(jīng)緯儀上的應(yīng)用,這是因?yàn)槔渺o電陀螺儀可以克服微小加速度干擾,提高穩(wěn)定性,并縮短啟動(dòng)時(shí)間。Vol.26No.22004SHIPENGINEERING111.2旋轉(zhuǎn)角速度的應(yīng)用光纖螺釘是一個(gè)國(guó)際概念中高精度陀螺儀指精度在5×10-4°/h到10-1°/h的陀螺儀。這種精度范圍的陀螺儀種類很多,這樣經(jīng)濟(jì)成本就成為選擇陀螺儀的一個(gè)重要因素。目前最具有發(fā)展前景的陀螺儀就是光學(xué)陀螺儀,主要指激光陀螺和光纖陀螺,其工作原理都是基于薩納克(Sagnac)效應(yīng)。光纖陀螺的工作原理與激光陀螺的不同之處僅在于光纖陀螺是用光導(dǎo)纖維纏繞成一個(gè)線圈所構(gòu)成的光路來(lái)代替用石英玻璃加工出的密封空腔光路。薩納克效應(yīng)是相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的閉環(huán)光路中所傳播光的一種普遍的相關(guān)效應(yīng),即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出的兩束特征相等的光,以相反的方向進(jìn)行傳播,最后匯合到同一探測(cè)點(diǎn)。若繞垂直于閉合光路所在平面的軸線,相對(duì)慣性空間存在著轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,則正、反方向傳播的光束走過(guò)的光程不同,就產(chǎn)生光程差,其光程差與旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。因而只要知道了光程差及與之相應(yīng)的相位差的信息,即可得到旋轉(zhuǎn)角速度。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)陸?？杖姷那嗖A。這是因?yàn)楣饫w陀螺同機(jī)電陀螺或激光陀螺相比,其主要優(yōu)點(diǎn)在于:①無(wú)活動(dòng)部件,體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,耐沖擊;②啟動(dòng)時(shí)間短,僅需零點(diǎn)幾秒即可工作;動(dòng)態(tài)范圍寬,測(cè)量范圍在0.01°/h～400°/s;③易于采用集成光路技術(shù),信息穩(wěn)定可靠,可直接數(shù)字輸出,便于與計(jì)算機(jī)接口;④檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺儀提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí),克服了激光陀螺儀的閉鎖問(wèn)題。有關(guān)專家認(rèn)為:精度在10-2°/h或者更高的光纖陀螺將代替激光陀螺,這是發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)是率先研制和應(yīng)用光纖陀螺的國(guó)家,其中利頓(Litton)和霍尼韋爾(Honeywell)公司研制的光纖陀螺達(dá)到了國(guó)際上的最高水平并且已得到廣泛應(yīng)用。在軍用方面,飛機(jī)、艦艇、潛艇以及導(dǎo)彈均將裝備光纖陀螺用以導(dǎo)航和制導(dǎo),而且衛(wèi)星、宇宙飛船上也將會(huì)裝備光纖陀螺儀用于與地形跟蹤匹配和導(dǎo)向,火箭發(fā)射場(chǎng)上光纖陀螺儀用于火箭升空發(fā)射跟蹤及測(cè)定等。在民用方面,光纖陀螺儀可用于飛機(jī)導(dǎo)航和石油勘察、鉆井導(dǎo)向(確定下鉆的位置),特別是在工業(yè)上的應(yīng)用具有極大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)最新報(bào)道,Honeywell公司研制的干涉型光纖陀螺(IFOG)的最高精度已達(dá)到0.00038°/h。隨美國(guó)之后,英、法、德、日以及前蘇聯(lián)等國(guó)也先后開(kāi)展了光纖陀螺的應(yīng)用研究以裝備海軍和空軍。如英國(guó)的航空系統(tǒng)設(shè)備公司已推出漂移率10°/h的小型光纖陀螺,目前已裝備海軍和空軍。而日本和法國(guó)于20世紀(jì)80年代末分別研制出精度為0.1～10°/h以及小于0.1°/h的小型光纖陀螺,目前均裝備于導(dǎo)航和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中。目前國(guó)內(nèi)光纖陀螺的研制尚處于實(shí)驗(yàn)室階段,正處于工程化和實(shí)用化的攻關(guān)階段。國(guó)內(nèi)的很多研究所和高校開(kāi)展了光纖陀螺的研究和開(kāi)發(fā)工作,并取得了一定成績(jī),有的樣機(jī)已在車載導(dǎo)航系統(tǒng)和航天器上得到試用,而在艦船導(dǎo)航中的應(yīng)用還停留在預(yù)研階段,可望向工程化和實(shí)用化發(fā)展。表1列出了不同精度的光纖陀螺在各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。1.3微機(jī)械螺釘結(jié)構(gòu)類型低精度陀螺儀指精度范圍超過(guò)10-1°/h的陀螺儀。傳統(tǒng)上都認(rèn)為該精度的陀螺在導(dǎo)航方面應(yīng)用范圍很窄,在其它領(lǐng)域的應(yīng)用前景也很暗淡。但是微慣性元件(微機(jī)械陀螺、微加速度計(jì))的產(chǎn)生使這一看法發(fā)生了徹底轉(zhuǎn)變。微機(jī)械陀螺的研制是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始,其中最具代表性的有美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室的硅微機(jī)械陀螺、美國(guó)SistonDonner公司的石英微機(jī)械陀螺和日本Murata公司的壓電陶瓷微機(jī)械陀螺。微機(jī)械陀螺是采用微電子技術(shù),利用化學(xué)蝕刻方法在單晶硅片上制成的一種超小型的測(cè)角裝置,具有外形尺寸小,質(zhì)量輕,功耗低,啟動(dòng)快、成本低、可靠性高和易于數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn),其加工工藝可以保證大規(guī)模生產(chǎn),因而成本很低,但它最大的缺點(diǎn)是精度低。微機(jī)械陀螺目前精度在102°/h左右,還將進(jìn)一步提高到101°/h。隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展,預(yù)計(jì)微機(jī)械陀螺的價(jià)格將會(huì)在一美元到幾百美元之間。其低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景,有望在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用,如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo),甚至是玩具上。微機(jī)械陀螺目前常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類型有音叉式(圖2)、框架式(圖3)和振動(dòng)輪式(圖4)幾種。理論分析表明,振動(dòng)輪式MEMS陀螺在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中,具有最高的靈敏度,且便于加工實(shí)現(xiàn),是微機(jī)械陀螺重點(diǎn)發(fā)展的方向。音叉式微機(jī)械陀螺的工作原理是,當(dāng)有角速度輸入時(shí),將產(chǎn)生哥氏力使其繞撓性軸振動(dòng),振動(dòng)的幅度與輸入角速度成正比?？蚣苁浇Y(jié)構(gòu)由內(nèi)框架和外框架組成,二者相互正交,均為撓性軸。檢測(cè)質(zhì)量固定在內(nèi)框架上。檢測(cè)質(zhì)量繞驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng),由于振動(dòng)角很小,故檢測(cè)質(zhì)量點(diǎn)的振動(dòng)可認(rèn)為是沿輸出軸的線振動(dòng)。當(dāng)有角速度輸入時(shí),哥氏力作用在檢測(cè)質(zhì)量上,使其繞輸出軸振動(dòng),測(cè)量電容差值的變化,得到正比于輸入角速度的輸出電壓信號(hào)。振動(dòng)輪式基本工作原理是:梳狀驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)一對(duì)撓性軸與外框架相連,還通過(guò)四根支撐梁與中心支柱相連。給定齒施加簡(jiǎn)諧驅(qū)動(dòng)電壓,定齒與動(dòng)齒間形成靜電驅(qū)動(dòng)力,在靜電驅(qū)動(dòng)力作用下,帶有陀螺檢測(cè)質(zhì)量和梳齒的振動(dòng)輪帶動(dòng)外框架繞其中心軸在XY平面內(nèi)振動(dòng)。當(dāng)輸入軸X有角速度輸入時(shí),作用在陀螺檢測(cè)質(zhì)量上的哥氏力將使振動(dòng)輪帶動(dòng)外框架繞其輸出軸Y振動(dòng),于是與基片上檢測(cè)電極間形成一對(duì)差分電容。根據(jù)其電容變化的大小就可測(cè)得輸入角速度的值。盡管中、低精度陀螺不能滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的要求,但可以同全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS或GLONASS)組合成造價(jià)低廉的微型組合導(dǎo)航系統(tǒng),這是一個(gè)發(fā)展方向。在這樣的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,陀螺儀和GPS兩個(gè)組成部分互相取長(zhǎng)補(bǔ)短,組合導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)期精度由誤差不隨時(shí)間積累的GPS來(lái)保證,當(dāng)短時(shí)間失去GPS信號(hào)時(shí),由微慣性元件提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)和導(dǎo)航信息,而GPS正常工作時(shí)微慣性元件利用GPS信息進(jìn)行校正,以提高精度。表2列出了日本、美國(guó)、俄羅斯幾種中、低精度陀螺儀的主要性能參數(shù),其中GyrostarENC型和GyrostarENV型為壓電陶瓷微機(jī)械陀螺,Gyrochip為音叉式硅微機(jī)械陀螺,ВОГ910為閉環(huán)光纖陀螺,РВГ-1М為振動(dòng)