陀螺仪的发展历程以及现状的文献综述

1陀螺仪的发展历程以及现状的文献综述摘要概述了陀螺的发展情况，论述了光纤、静电陀螺等几种现代陀螺的基本原理、分类以及其中一些国内外的研究现状。关键词光纤陀螺静电陀螺激光陀螺振动陀螺2作者简介：男，北京航空航天大学，本科生31.陀螺的发展简史陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。[1]2.光纤陀螺光纤陀螺(FOG)是一种利用萨格奈克(Sagnac)效应测量旋转角速率的新型全固态惯性仪表。自从1976年Vali和Shoahil首次提出光纤陀螺的概念以来，引起了国内外人们极大的重视和强烈的兴趣，由于光纤陀螺与机电陀螺或激光陀螺相比有一系列优点，诸如体积小，质量轻，成本低等，特别引起海、陆、空三军的高度重视。在这短短的20多年里，光纤陀螺得到了很大的发展。国外中、低精度光纤陀螺已经产业化，高精度的光纤陀螺的开发和研制也正逐步走向成熟。美国Honeywell公司的保偏型光纤陀螺的零偏稳定性已经达到0．00038°／h，是目前报道的最高精度的光纤陀螺，拟用于潜艇导航或深层空间飞行器。光纤陀螺现已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。国内光纤陀螺仪研制水平已接近惯性导航系统的中、低精度要求，但大多数未到工程实用阶段，也没有可靠性数据。光纤陀螺仪属于所谓“敏感技术”，在目前复杂的技术环境中，很难从他人那里得到更多的借鉴和参考，只有靠我们自力更生走符合。[2]光纤陀螺采用的是Sagnac干涉原理，用光纤绕成环形光路并检测出随转动而产生的反向旋转的两路激光束之间的相位差，由此计算出旋转的角速度。光纤陀螺就原理与结构而言，可以将其分为干涉式光纤陀螺、谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁定模式光纤陀螺及Fabry2Perot光纤陀螺等5种；从检测相位的方法看，也可将其分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类；从其构成方式，可分为相位差偏置式光纤陀螺、光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤陀螺等等。[1]3.静电陀螺在宇宙航行中，对陀螺仪的精度要求很高，漂移误差约为0.001(°)/h，或更高。静电陀螺仪是能满足这种要求的陀螺仪之一。静电陀螺仪是利用静电引力使金属球形转子悬浮起来，是自由转子陀螺。其基本结构是一只金属球形转子，加上两只碗形电极壳体，壳体外为陶瓷，内壁上固定6只金属电极，将球形转子放在对称密封壳体内而形成陀螺组件。如图2所示。4图1静电陀螺仪结构图给电极充电后，只要沿空间相互垂直三个方向的静电引力的合力，能与转子本身的重力和惯性力相平衡，转子就能浮起来。静电悬浮必须在超真空(1.33×105～107Pa)环境下才有可能实现，否则会击穿放电，破坏静电支承力。超真空使气体阻力矩减小到最低限度，这样起动后就能靠惯性长期运转下去，可以运转数月，甚至数年。静电陀螺的支承系统可以给出转子相对壳体的位移信号，这就有可能使陀螺兼起3个方向加速度计的作用，灵敏度为103g～107g，这种多功能陀螺，只有静电陀螺才能实现。[1]4.激光陀螺激光陀螺实际上是一种环形激光器，没有高速旋转的机械转子，但它利用激光技术测量物体相对于惯性空间的角速度，具有速率陀螺仪的功能。激光陀螺仪的结构和工作是：用热膨胀系数极小的材料制成三角形空腔。在空腔的各顶点分别安装三块反射镜，形成闭合光路。腔体被抽成真空，充以氦氖气，并装设电极，形成激光发生器。激光发生器产生两束射向相反的激光。当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程相等，因而频率相同，两个频率之差（频差）为零，干涉条纹为零。当环形激光器绕垂直于闭合光路平面的轴转动时，与转动方向一致的那束光的光程延长，波长增大，频率降低；另一束光则相反，因而出现频差，形成干涉条纹。单位时间的干涉条纹数正比于转动角速度。激光陀螺的漂移率低达0.1～0.01度/时，可靠性高，不受线加速度等的影响，已在飞行器的惯性导航中得到应用，是很有发展前途的新型陀螺仪。图2激光陀螺结构图51962年，美、英、法、前苏联开始研制用激光来作为方位测向器，称之为激光陀螺仪，其原理是利用光程差来测量旋转角速度(Sagnac效应)。目前世界上研制和生产激光陀螺及其系统的主要国家有美、英、德、法、日本和俄罗斯，其中美国和法国研制的水平最高，激光陀螺技术发展很成熟，并形成了二频机抖、四频差动、空间三轴、塞曼陀螺等不同类型的系列产品，目前已经达到最高水平的零漂值为0．00015°／h，输入速率动态范围±1500°／s，使用寿命20万小时以上，输入轴对准稳定度达到微弧量级。[3]图3激光陀螺实用产品精度性能5.振动陀螺机械陀螺仪微机械陀螺仪属于微电子机械范畴，是一种振动式角速率传感器，它按所用材料分为石英和硅振动粱两类。硅微机械陀螺仪的结构常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等，用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等，而检测由科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测等。6光学检测也可用，但由于成本太高，因而没有太大的适用价值。微机械陀螺仪根据驱动与检测方式分为四种：①静电驱动，电容检测；②电磁驱动，电容检测；③电磁驱动，压阻检测；④压电驱动，电容检测。其中静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见，并已有部分产品已研制成功。就目前已研制成功的微机械陀螺仪来说，其结构有以下两种：①音叉式结构，它利刚线振动来产生陀螺效应：②双框架结构，它利用角振动来产生陀螺效应。双框架角振动微机械陀螺仪研制较早，虽制作工艺简单，但音义式线振动微机械陀螺仪的灵敏度优于双框架角振动微机械陀螺仪。据了解我国某些机构对双框架陀螺仪的研究已有一定成果，并对其灵敏度不高这一缺点在陀螺仪结构上进行了改进。美国德雷珀实验室目前已研制出两种陀螺仪，一种是哥氏振动微机械陀螺仪(cvG)，另一种是音叉调谐微机械陀螺仪(TFG)。[4]6.陀螺仪的发展方向和前景传统的机械转子陀螺仪，由于其高精度和可靠性，在今后相当长一段时间内，仍将获得广泛应用，特别是在需要高精度的场合。最近几年，陀螺仪已经在汽车的稳定控制系统、GPS获得越来越多的应用。在消费电子领域，摄像机、数码相机的图像防抖也是陀螺仪很有前途的应用。分析家预计，仅MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，微电子机械系统)陀螺仪的市场就将从2006年的4亿美元增长到2012年的12亿美元。随着工业和消费类机器人的发展，陀螺仪将有望在这两个市场大显身手。在自动化流水线上，陀螺仪有助于提高自动化程度。光纤陀螺发展的方向:一是向更高精度、更高可靠性的方向发展，为航天、航空、航海提供高精度的惯性元件；二是向体积小、高度集成、价格便宜、结构更牢固的超小型化方向发展，为战术级应用提供坚固、廉价的惯性传感器；三是朝多轴化方向发展。[5]7参考文献[1]梁阁亭等.陀螺仪的发展及应用.飞航导弹，2006.[2]刘兰芳.光纤陀螺仪基本原理与分类.现代防御技术，2007[3]王轲等.激光陀螺及其发展.导航与控制，2004[4]谷庆红.微机械陀螺仪的研制现状.中国惯性技术学报，2003[5]刘世贵.陀螺仪的发展概况与前景.ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.1994-2010