陀螺仪的应用及发展
第54卷 第4期54, No . 4有 色 金 属 Vol .
2002年11月NONFERROUS M ETALS November 2002
陀螺仪的应用及发展
宋桂云
(北京长征天民高科技有限公司, 北京100076)
摘 要:论述陀螺的发展现状和应用前景。光纤陀螺是近几年发展最为迅速的陀螺品种, 是发展的主要方向。陀螺及其相
关技术除航空航天导航的主要用途之外, 还可广泛地应用于民用领域。
关键词:陀螺; 制导; 光纤; 激光
中图分类号:TD178; V241. 5; TN256; TH744. 5 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2002) 04-0108-04
由于陀螺在任何环境下都具有自主导航能力的这一特性, 自问世以来, 就引起极大关注, 一直被广
泛地运用于航海、航空、航天、军事等领域, 而且一直是各国重点发展的技术之一, 发展迅速。在科学技术突飞猛进的今天, 与陀螺相关的技术, 仍然是人们关注的焦点之一。现在, 陀螺及其相关技术已经在我国国民经济的各个部门(包括军用和民用) 得到广泛运用, 在矿产资源钻探和开采中也有它的踪迹, 这一技术具有强大的生命力和广泛的应用前景。
年代的海湾战争中, 法国的AS -30激光制导空对地导弹命中率95%,美国的“拉斯姆”中程空对地导弹则创造了“百公里穿杨”的记录。为攻击一座水电站, 一架A -6飞机在116km 的距离上, 发射了一枚“拉斯姆”导弹, 而附近另一架A -7飞机发射的第二枚导弹, 竟穿过第一枚导弹打开的墙洞击中目标。
自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来, 陀螺已有100多年的发展史, 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]。
1 陀螺的发展简史
陀螺的原意为高速旋转的刚体, 而现在一般将
能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器, 其功能是敏感运动体的角度、角速度和角加速度。利用陀螺的定轴性和进动性可测量运动体的姿态角(航向、俯仰、滚动) , 精确测量运动体的角运动, 通过陀螺组成的惯性坐标系实现稳定惯性平台。也就是说, 可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐标系, 通过精确的陀螺仪和加速度计测出运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、宇航飞行器等) 的旋转运动和直线运动信号, 经计算机综合计算, 并指令姿态控制系统和推进系统, 实现运载器的完全自主导航。
惯性制导技术第一次应用于第二次世界大战时德国的V -2火箭。现代导弹、宇航飞行器等多采用惯性制导的方法。1970年, 我国人造地球卫星发射成功, 其中也应用了惯性制导技术。20世纪90
收稿日期:2002-07-15
作者简介:宋桂云(1967-) , 女, 北京市人, 工程师
2 激光陀螺仪
传统的陀螺, 无论是早期的滚珠轴承陀螺, 还是
后来发展起来的液浮陀螺、静电陀螺, 都离不开高速旋转的机械转子, 由于高速转子容易产生质量不平衡、容易受到加速度的影响, 而且需要一段预热时间转速才能达到稳定等问题, 使用起来很不方便, 因此研制没有高速转子的陀螺一直是人们极为关心的问题。1960年激光器的问世, 使制造无转子陀螺的愿望成为可能。到20世纪80年代, 激光陀螺已成功地用于飞机和地面车辆的导航、舰炮稳定等, 开始取代机械陀螺, 并进行了用于导弹、运载火箭等更高的精度的试验。现在激光陀螺已经成为一个市场潜力巨大的高新技术产业。
激光陀螺仪利用光学中的Sag nac 效应测量运载器的旋转运动。Sagnac 效应是1913年在研究转动的环形干涉仪时提出来的。在环形光路中, 沿顺、,
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间不转动时, 顺、逆时针的光程长度相同; 当环形光路相对惯性空间有一转动角速度ω时, 顺逆光程就有差异, 其光程差ΔL 正比于转动角速度ω值。测出ΔL 值即可测出角速度ω。
激光陀螺仪是用高稳定性陶瓷玻璃三角块构成。三角块中有一条细小的空腔, 腔中装有电极并充满氦氖气体, 三角形3个顶角装3面反射镜, 形成一个环形闭合光路。给电极通电后, 气体放电激发出两束方向相反的连续激光, 当环形光路相对惯性空间静止时, 顺、逆时针方向的两束激光以同样的时间传播一圈, 光程和频率相同。而环形光路相对惯性空间旋转时, 顺、逆时针方向的两束激光传播一圈的光程和频率不同, 当环形光路在惯性空间以顺时针方向旋转时, 顺、逆时针的激光行波的频率决定于环形空腔的顺、逆闭合腔长(即光程) , 顺时针方向的光程变长, 频率减小, 逆时针方向光束的光程变短, 频率增加, 顺、逆时针光束之间出现光程差和频率差, 把光程差转换为频率差, 测出顺、逆时针激光行波的频差, 就可以测出陀螺仪的旋转角速度。由于激光陀螺仪是与动载器固连的, 因而也就知道运载器的转动角速度。
激光陀螺仪较为突出的优点是:(1) 具有大动态范围和高速率性能; (2) 精度高, 激光陀螺仪的漂移率已达到0. 001°/h ; (3) 起动时间短, 一般只需要千分之几秒(机电陀螺需4min 才进入工作状态) ; (4) 寿命长, 可达(2~5) ×104h (机电陀螺使用600h 后就需进行检查) ; (5) 可靠性高。
激光陀螺仪的缺点:(1) 存在闭锁现象, 即在低角速度区域里, 产生频率牵引, 使拍频为零而不能检测旋转角速度; (2) 价格昂贵, 制作工艺复杂和材料昂贵; (3) 体积较大, 受灵敏度限制不能减小。
国际上, 美国Honey well 研制的激光陀螺水平最高, 生产的陀螺主要用于波音757和767客机的惯导系统。Litton 公司研制的激光陀螺主要用于欧洲的大型远程和近程客机, 远程、近程和短程导弹。在高性能的惯导领域中, 激光陀螺具有较为明显的优势。
角速度。不同的是, 光纤陀螺是将200~2000m 的光纤绕成直径为10~60cm 的圆形光纤环, 从而加长了激光束的检测光路, 使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺提高了几个数量级, 有效地克服了激光陀螺的闭锁现象[2]。
光纤陀螺的主要优点是:(1) 无运动部件, 仪器牢固稳定, 耐冲击和抗加速度运动; (2) 结构简单, 零部件省, 价格低廉; (3) 启动时间短, 原理上可瞬间启动; (4) 检测灵敏度极高, 可达10-7rad /s ; (5) 可直接用数字输出并与计算机接口联网; (6) 动态范围极宽, 约为2000°/s ; (7) 寿命长, 信号稳定可靠; (8) 易于采用集成光路技术; (9) 克服了因激光陀螺闭锁带来的负效应; (10) 与环形激光陀螺一起成为捷联惯性系统的传感器。
由于上述特点, 光纤陀螺颇受各国特别是陆海空三军的高度重视, 在近几年进行了大量的研究和试验。随着光纤技术和集成光路技术的发展, 光纤陀螺正朝高精度和小型化发展。漂移率低达0. 001o /h 的新型高性能精密惯导光纤陀螺将步入实用化, 广泛装备于导弹系统、飞机和舰艇的导航系统以及军用卫星与地形跟踪匹配等系统中。
美国从1983年到1994年的10年间, 各类惯性陀螺仪由86%下降到35%,激光陀螺仪由14%略增加到16%,并从1988年开始未见上升趋势, 而光纤陀螺仪由0%上升到49%。可以看出, 不仅全部飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺用以导航和制导, 而且卫星、宇宙飞船上也将会装备光纤陀螺仪用于与地形跟踪匹配和导向, 火箭发射场上光纤陀螺仪用于火箭升空发射跟踪及测定等。在民用方面, 光纤陀螺仪可用于飞机导航和石油勘察、钻井导向(确定下钻的位置) , 特别是在工业上的应用具有极大的潜力。美国道格拉斯公司研制出一种民用光纤陀螺仪, 能承受很宽的湿度变化范围和强烈冲击, 这是世界上第一台能用于钻井设备的光纤陀螺仪, 可精确地测定重力和油井方向。光纤陀螺仪的应用前景光明, 大有取代惯性陀螺仪之势。
4 振动轮式M EM S 陀螺
微机械电子系统(M EMS ) 是采用新世纪最具发展潜力的纳米技术加工出的新一代微型机电装置。它不仅在民用方面前景广阔, 而且在导航系统这种尖端技术上也得到了应用, 如硅微型陀螺和微型加速度计[3]。
3 光纤陀螺
光纤陀螺是激光陀螺的一种, 其原理与环形激光陀螺相同, 是检测角速度的传感器, 且检测光源都是激光源。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,
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的结构类型有框架式、音叉式和振动轮式几种。理论分析表明, 振动轮式M EMS 陀螺在现有的结构中, 具有最高的灵敏度, 且便于加工, 因而是发展的重点。振动轮式M EM S 陀螺基本工作原理是:梳状驱动轮一方面通过一对挠性轴与外框架相连, 另一方面通过四根支撑梁与中心支柱相连。在静电力矩驱动下, 振动轮带动外框架绕其中心轴在XY 平面内振动。当输入轴X 有角速度输入时, 振动轮在哥氏力矩作用下带动外框架绕其输出轴Y 振动, 于是与基片上检测电极间形成一对差分电容。将电容的变化率转换成电信号, 可以提取出输入角速度的大小和方向。
石油、煤炭行业的钻孔在施工中, 由于钻孔的深度较大(有时达几百米甚至上千米) , 钻孔穿过的岩层介质变化复杂, 钻孔施工时容易出现弯曲和漂移, 有时钻孔的实际位置与设计位置相差很大, 严重影响工程质量, 是行业中一直不能很好解决的技术问题之一。将利用重力加速度计和陀螺制作的钻孔测斜仪装置于钻机上, 在钻孔过程中, 随时对钻孔方向、位置进行测量, 如果与设计不符, 立即进行校正, 从而可以确保高质量的钻孔。钻孔陀螺测斜装置的应用, 从根本上解决了钻孔弯曲、漂移这一技术问题。
钻孔测斜装置, 是由2个互成90°的石英重力加速度计和一个具有方位输出的3自由度陀螺方位仪组成。测斜部分由2个互成90°的石英重力加速度计组成。石英重力加速度计由敏感质量(石英摆片) 、换能器、伺服放大器、力矩器4部分组成。当仪器倾斜或受到一个不平衡信号时, 经伺服放大器输出一个与之对应的电流送到力矩器, 产生一个电磁力矩, 强迫摆片与换能器保持平衡位置。陀螺外框架的转轴带动一个360°测向器的滑臂, 测向器固定在探头的外壳, 当陀螺电机启动后, 其转子轴的方向保持不变, 因此, 测向器的滑臂也不动。当探头外壳相对空间某一方位有转动时, 测向器跟着转动, 故测向器的输出电压就等效转动角度。X 加速度计和Y 加速度计的敏感轴都与探头中心线垂直, 两者之间也互相垂直, 当探头垂直地面时, 两个加速度计的输出电压U 都是零。要知道钻孔某一点的倾斜角和方位角, 只需测出这一点的两个重力加速度计的输出和测向器的输出减去初始初值即可
[5]
5 静电陀螺仪
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。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. 33×10-5~10-7Pa ) 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10-3~10-7g 。这种多功能陀螺, 只有静电陀螺才能实现。
[4]
。
7 结语
虽然陀螺的诞生至今已有100多年的历史, 但近几十年陀螺及其相关技术才得到快速发展, 特别在20世纪80年代以后更是突飞猛进。20世纪90年代以后, 光纤陀螺技术发展迅速, 是今后发展的主要方向。陀螺技术不但在军事、航空、航天领域发挥着巨大作用, 而且在国民经济的其它领域中也获得应用, 为国民经济的发展发挥着重要作用。文
献
6 钻孔陀螺测斜装置
除了航空航天导航的主要用途之外, 陀螺还用于钻孔弯曲测量, 在煤炭、石油等行业获得了应用。
参
考
[1]薛文胜. 浅析几种新型陀螺的发展动态[J ].电子科技大学学报, 1995(5) :487[2]谭显裕. 军用光纤陀螺的发展、关键技术和应用前景[J ]. 现代防御技术, 1998(4) :56[3]陈俊伟. 陀螺与惯性制导[J ].物理, 1995(6) :348
[4]刘瑞华, 刘建业. 振动轮式M EM S 陀螺动力学分析[J ].宇航学报, 2001(6) :114
(下转第133页 Continued from P . 133)
第4期 靳湘云:2002上半年铂市场观察与思考133
ANALYSIS AND PREDIC TION OF 2002PLATINUM MARKET
JIN Xiangyu n
(Beijing Antaike Information Devel opmen t C o . Ltd . , Beijing 100035, China )
ABSTRAC T
The market of platinum in the first and the last half year of 2002is analyzed and predicted . The demand of platinum in auto industry is stimulated by surging market share of diesel cars in Europe and substitution palladi -um w ith platinum in some g asoline auto -catalysts . The platinum demand increase of the jew elry making in Chi -na fetches up the demand decrease in Japan . Productio n of platinum from the minerals in South Africa w ill be enhanced , but it can hardly keep up with the pace of increasing dem and . There w ill still be shortage of platinum supplying in the m arket this year . KEY W ORDS :platinum ; price trend ; supply and demand ; market
(上接第110页 Co ntinued from p . 110)
[5]王铁群. 重力加速度计在钻孔弯曲测量中的应用[J ].煤炭学报, 1996(2) :164
DEVELOPMENT AND APPLIC ATION OF GYROSC OPE
S ONG Guiyun
(Beijing Changz heng Tian ming High -technol ogy Co . Ltd . , Beijing 100037, China )
ABSTRAC T
The development and application of gy roscope are review ed . The fiber -optical gyroscope progresses rapidly and will be the majo r direction for gy roscope development . The gyroscope and its related technology w ill be mo re w idely applied in civil use besides the applications to control and guide in aviation and space navigatio n .
KEY W ORDS :gyroscope ; control
and g uide ; optical fiber ; laser
《有色金属》学术地位名列同类科技期刊第三位
2002年4月中国科技信息研究所出版的《中国科技期刊引证报告2001年扩刊版》中公布了2000年度全国2832种科技期刊的5项计量指标, 以及按各单项指标的重要程度和影响大小加以权重的综合指标。《有色金属》杂志的指标及在同类科技期刊中的名次如表1所示。
指标名称指标值同类期刊中排名
指标权重
评分值
总被引频次
29560. 31. 8
影响因子0. 5134
0. 31. 2
即年指标0. 0905
0. 10. 5
基金论文比
0. 359
0. 21. 8
平均引文率
6. 9711
0. 11. 1
综合指标
-3
1. 06. 4
《有色金属》杂志的综合评分值6. 4, 在81种冶金、金属类科技期刊中名列第三位。
(范文田供稿)