静电陀螺

静电陀螺概述框架陀螺：精度追求，三浮技术结构复杂，成本高昂静电陀螺：较彻底的支承革新球形转子;电极球腔静电悬浮;超高真空静电陀螺优点：精度高，真正的自由转子陀螺结构简单，可靠性高能全姿态测角应用：战略武器、火箭静电陀螺缺点：工艺要求高角度读取复杂发展概况发展阶段1952年提出1970s初期0.01（0/h）1970s中期0.0001（0/h）1970s末期进入实用1995年0.00001（0/h）目前斯坦福大学10-11（0/h）主要研制机构：1950s后期，美国Honeywell和Autonetics开始研制从1960s末到1980s，法国、英国、前苏联、中国也相继展开静电陀螺的研制结构组成：总述球形转子陶瓷球腔凹形球面电极高电压/小间隙/强电场/悬浮/控制回路稳定驱动线圈：转子起旋定中线圈：转子轴对准钛离子泵：抽真空光电传感器：读取角度结构组成：球形转子两种类型：空心球和实心球材料：铍（密度小、刚度大，有毒）制造工艺：空心球：两个薄壁半球配合而成外径：38~50mm壁厚：0.4~0.5mm赤道处加厚表面粗糙度、圆度：0.1μm实心球：钽丝嵌入铍棒加工而成故意让质心径向偏离球心一段距离两种类型比较：直径、静电支承力变形、转速体积、读取电路结构组成：壳体、电极、驱动与定中壳体：两块陶瓷（碗）密封连接而成电极：碗的内壁制成球面电极内壁研磨，电镀（铜、铬），切割切割方案：正六面体、正八面体转子的驱动与定中平板电极板间电场强度dUE板间电容dSC0电场能量2022121UdSCUW将W对d求导，得到静电引力公式SESdUF20202121球面电极每块微小面积可看作和平板情形相同所以合力SEdSnEF2020221支承原理：从平板到球面电极支承原理：两种球面电极引力公式对于正六面体电极的每块SEF20283.02282.1%)131(461RRS静电引力的方向，如图对于正八面体电极的每块SEF20287.02237.1%)131(481RRS静电引力的方向，如图支承原理：稳定性的保证以正六面体为例，设转子沿着AB轴线，向A方向偏离中心Δx两边引力的变化会进一步把转子吸到A的一边必须设法改变两边静电引力的变化趋势，才能抑制转子的位移。基本思路：测量位移Δx，改变两端电压UA，UB支承原理：位移导致电极电容改变转子位移Δx：通过测量电极和转子之间电容C的改变量ΔC转子位于中心时，两个电极和转子间的电容均为0200200326/4dRdRC转子向A电极移动Δx，两个电极和转子的间距分别变为dA=d0-ΔxdB=d0+Δx电容xdRCA02032)/1(00dxCCC0类似地CCCB0电容改变量ΔC和位移Δx成正比，采用敏感电桥可以测出支承原理：位置反馈回路△U=kC·△C=k·△xUA=U0-k·△xUB=U0+k·△x转子受到的合力BAFFF220283.0BBAAdUdUSxdSkU200066.1xK支承弹簧，K支承刚度支承原理：算例、承载能力例子：正六面体电极支承，转子直径D=38mm，转子与电极之间的平均间隙d0=50μm，电极的预载电压U0=1000V，支承回路放大系数k=1000V/μm，求其支承刚度。电极有效面积2282.1%)131(461RRS241057.6m200066.1dSkUKmNmN/86.3/1086.36静电陀螺承载能力：根据UA=U0-△UUB=U0+△U当△U=U0时，UA=0，FA=0，UB=2U0，最大支承力20002283.0dUSFm20000283.0dUSF所以又可写成Fm=4F0静电陀螺的承载能力mgFnm角度读取概述角度读取壳体相对转子极轴的转角读取范围分类小角度、大角度读取方式分类光电法、质量不平衡调制法光电读取法：刻线区和光电传感器光电读取法：借助光电传感器扫描转子上的刻线刻线区极轴处1×3mm2；倾斜处（狭窄）；光电传感器（两个）；测量原理：起始零位：极轴传感器输出恒值信号，倾斜传感器输出脉冲信号光电读取法原理：光轴向右偏离极轴当壳体转动，使极轴传感器的光轴向对转子极轴偏离一个小角度（比如向右），则在转子绕极周旋转一周的过程中，极轴光电传感器照射光圈的反射面积将呈周期变化，从而输出周期信号。光电读取法原理：光轴向后偏离极轴当壳体转动，使极轴传感器的光轴向对转子极轴偏离一个小角度（向后）光轴偏离角度：根据极轴传感器输出信号的波动幅值光轴偏离方向：根据极轴传感器和倾斜传感器输出信号的相位差测量范围，适用类型：小角度，空心转子类静电陀螺质量不平衡调制法：原理测量范围：大角度适用类型：实心球转子质心偏于赤道平面旋转轴通过质心球心绕质心旋转:偏摆转子与各电极的间隙发生周期性变化在赤道平面内间隙变化最大，沿极轴方向变化最小间隙调制=电容调制=电极输出信号被调制电极旋转角度影响到其输出中的调制信号的强弱旋转角度大小和方向的判断质量不平衡调制法：非正交变换正八面体电极支承及其变换4对电极，每对电极的输出电压tBtAUUtBtAUUtBtAUUtBtAUUsssscossincossincossincossin4444333322221111Us对应转子质心线位移A调制信号同相分量幅值B调制信号正交分量幅值ω转子旋转角速度四轴非正交变换=三轴正交tBtAUUtBtAUUtBtAUUzzszzyysyyxxsxxcossincossincossin比较各轴调制信号的幅值和相位，可计算出转子极轴相对于壳体的角位置空心球转子不适合用质量不平衡调制法（偏心控制难，要求转子的转速高）静电陀螺仪需解决的三个基本问题：一、支承二、读取三、精度（误差控制）静电陀螺误差源分析球加工误差球离心变形球温度变形转子非球形球静平衡误差转子质心轴向位移加速度干扰力矩杂散磁场杂散磁场干扰力矩重力加速度载体加速度振动或冲击转子中心线位移碗装配误差碗中心错位电极球面误差碗温度变形电极表面非球形电极开槽误差碗开孔影响电极面积不相等电容变化电压变化间隙变化场强变化静电场干扰力矩