[科普中国]-速率陀螺仪

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测量物体角速度的陀螺仪表。20世纪20年代初，速率陀螺仪首先用作飞机的基本飞行仪表。继而用来为防空火力控制瞄准器提供前置角数据。速率陀螺仪的用途很广，它不仅用于飞行器、车辆、火炮控制等方面，在有关角度控制的伺服系统中也常常用它来改善系统的动态品质。在飞行器上，速率陀螺仪能为导航、制导系统提供角速度信号，而更多的是利用它输出的角速度信号来改善自动驾驶仪的动态品质。

速率陀螺仪的类型很多，最常用的有三类。

①扭杆式速率陀螺仪：当飞行器绕速率陀螺仪的输入轴有角速度时，开始瞬间速率陀螺仪的壳体迫使转子跟着转动，相当于沿输入轴施加一个外力矩。依据陀螺仪的进动性原理（见陀螺仪），沿速率陀螺仪的输出轴会产生陀螺力矩使转子绕输出轴进动，引起扭杆扭转,沿输出轴遂产生一个外加的弹性力矩。同理，在弹性力矩作用下，转子又将绕输入轴产生进动，当其进动角速度与飞行器角速度相等时，壳体不再向转子施加力矩，因而转子不再绕输出轴进动，扭杆也不再继续扭转。转子绕输入轴进动角速度的大小与外加力矩（这里指弹性力矩）成正比。这时进动角速度与飞行器角速度相等，因而弹性力矩与飞行器角速度成正比。而弹性力矩与扭杆的转角成比例，所以转子绕输出轴的转角（即角度传感器输出的信号）与飞行器的角速度成正比。阻尼器用来抑制转动过程中的振荡。扭杆式速率陀螺仪因结构简单而广泛用于飞行器姿态控制；它的缺点是存在输出时转子会偏离零位，使输出产生交叉耦合误差。输入角速度越大，这个误差越大，因而精度不太高。

②反馈式速率陀螺仪：为了弥补扭杆式速率陀螺仪的缺点，可将角度传感元件的输出信号经放大后反馈到输出轴上的力矩器中构成回路,以电弹簧代替扭杆,只要回路的增益足够大就能使转子始终保持在零位附近。流入力矩器的电流正比于输入角速度，可作为仪表的输出。

③积分陀螺仪：去掉速率陀螺仪的扭杆(或弹簧)而仅保留阻尼器则成为积分陀螺仪。当飞行器绕积分陀螺仪输入轴有角速度时，一开始的状况与速率陀螺仪相同，转子绕输出轴进动。阻尼器产生的阻尼力矩又引起转子绕输入轴进动。由于阻尼力矩与角速度成比例，转子继续绕输出轴转动（无扭杆约束），其转速与飞行器的角速度成正比，因而输出轴上的角度传感器输出与飞行器转角成正比的信号。由于输入是角速度而输出是角度信号，故称为积分陀螺仪。它在惯性导航中得到广泛应用。

④光纤陀螺仪：主要有干涉型，谐振型和受激布里渊散射型，都是基于Sagnac效应的，即，当一环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光将因惯性运动而产生光程差，从而导致两束相干光波的干涉。光程差对应的位相差与旋转角速率之间有一定的内在联系，通过对干涉光强信号的检测和解调，即可确定旋转角速率。

发展历程及应用20世纪20年代初，速率陀螺仪首先用作飞机的基本飞行仪表。继而用来为防空火力控制瞄准器提供前置角数据。速率陀螺仪的用途很广，它不仅用于飞行器、车辆、火炮控制等方面，在有关角度控制的伺服系统中也常常用它来改善系统的动态品质。在飞行器上，速率陀螺仪能为导航、制导系统提供角速度信号，而更多的是利用它输出的角速度信号来改善自动驾驶仪的动态品质。

技术改进速率陀螺仪的一根电缆线断裂，曾使航天飞行失败。其可靠性和精度，是惯性器件制造技术的重要内容。速率陀螺仪是一种敏感角速率的单自由度陀螺仪，总装后的零位精度常常是不易提高的。 因而需要提高零位精度和总装合格率。

速率陀螺仪的零位精度有三项内容： 一是零位电压，指速率陀螺仪输入角速率为零值时的输出值；二是回零差指动态前后零位电压 变化量；三是极差，指速率陀螺仪静态六位置 翻滚测试时最大零位电压与最小零位电压之差值。这些指标与工艺及结构因素紧密相关。速率陀螺仪制造中，不但零位精度不易达到，生产周期也很长1。

北京兴华机械厂对速率陀螺仪的总装工艺技术及零位精度做了如下改进：

轴向间隙调整技术的改进速率陀螺仪轴向间隙定量调整，是技术改进的目标。按原调整方法拧好轴承座后，使浮子倾靠于一端轴承。 然后，又使浮子倾靠于另一端轴承。浮子的移动量就是速率陀螺仪轴向 间隙值。测定移动量， 重新调整轴承座， 直至达到设计要求。通过轴 向间隙调整 的专门装置，采用精密测量仪测出浮子移动量以实现在线计测。 但是，精密测量仪是用接触法计量，容易划伤被测部位利用万能工具显微镜进行无接触计量也是可以的，但其计测精度不如电感比较仪高1。

尼龙环装配技术改进为保证两轴尖同轴度，首先改变装配顺序，尼龙环装配前就完成浮子上小零件的焊接；其次，尼龙环装配后进行组合加工，提高尼龙环基准的精度。 实际工艺试验说明，技术改进后的速率陀螺仪零位电压极差精度有了提高1。

浮子静平衡技术改进速率陀螺仪总装测试时，发现许多零位精度超差的仪表有一共同的问题一一速率陀螺仪的浮子轴尖多数是划伤的，而且，浮子复查静平衡精度时多数不合格。为此，必须提高静平衡精度，首先分析轴尖划伤的原因，再复查静平衡机本身的精度。原来，静平衡机两个型块支承之间的距离不适合浮子的尺寸，支承部分结构又妨碍浮子的安放，所以容易划伤轴尖。 重新调整了型块支承，又修正了静平衡机精度。这样就既不易划伤轴尖，又达到合格的静平衡精度1。

轴承清洗方法改进首先在清洗剂上试验分析，采用了几种清洗剂做试验，进行超声波清洗，对清洗效果进行检查被清洗的轴承在40倍显微镜下作对光检查，清洗过轴承的清洗剂也要检查尘埃，只要检查发现微量多余物，就应继续清洗。另外要注意改进轴承清洗环境和装配环境，避免洁净的轴承受到再污染1。

浮子支承技术改进减小浮子支承的摩擦力，是技术改进的目标。 浮子支承改进为混合式轴承，轴向支承仍为宝石垫，径向支承采用一种无内圈、无保持架的微型滚动轴承，它把宝石轴承的滑动摩擦改变为滚动摩擦，大大降低了轴承的摩擦力。同时还降低了轴承对轴尖划伤的敏感性1。

最新发展最新的MEMS陀螺仪--HTG系列陀螺仪是用来测量角速率的固态传感器, 采用MEMS芯片，制造采用BIMOS生产工艺和载流焊工艺技术。HTG系列MEMS陀螺仪具有高可靠性和高封装坚固性;可用于惯性测量元件、高可靠性的汽车电子、导弹制导和控制、飞行器稳定控制、天线稳定、摄像、数码摄影、机器人等系统。具有休眠模式,休眠模式下消耗电流小于10uA.