[科普中国]-速率积分陀螺

概述

速率陀螺仪，用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂 直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角（即角速度的积分）。以上两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多1。

特性具体地说，陀螺具有两大特性，即定轴性和进动性。定轴性就是当陀螺不受外力矩作用时，陀螺旋转轴相对于惯性空间保持方向不变；进动性就是当陀螺受到外力矩作用时，陀螺旋转轴将沿最短的途径趋向于外力矩矢量，进动角速度正比于外力矩大小。这种进动特性当输入和输出量对换时也是成立的，即当陀螺存在一个进动角速度输入时，陀螺将产生一个力矩输出。

目前利用陀螺的进动性和定轴性设计的敏感器主要有二自由度陀螺和三自由度陀螺两种。

工作原理用以直接测定运载器角速率的二自由度陀螺装置。把均衡陀螺仪的外环固定在运载器上并令内环轴垂 直于要测量角速率的轴。当运载器连同外环以角速度绕测量轴旋进时，陀螺力矩将迫使内环连同转子一起相对运载器旋进。陀螺仪中有弹簧限制这个相对旋进，而内环的旋进角正比于弹簧的变形量。由平衡时的内环旋进角即可求得陀螺力矩和运载器的角速率。积分陀螺仪与速率陀螺仪的不同处只在于用线性阻尼器代替弹簧约束。当运载器作任意变速转动时，积分陀螺仪的输出量是绕测量轴的转角(即角速度的积分)。以上两种陀螺仪在远距离测量系统或自动控制、惯性导航平台中使用较多。

分类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。

结构1．二自由度陀螺

若转子被迫以某个角速度绕输入轴转动，则绕输出轴(框架)就会出现一个力矩。同时在输出轴也装有一个平衡弹簧，从而这个力矩使输出轴转动一个角度，这个输出角度正比于这个力矩，也就是正比于输入轴的角速度。

作为姿态敏感器来说，二自由度陀螺有速率陀螺和速率积分陀螺两个基本类型。它们都是根据陀螺进动性原理工作的。速率积分陀螺是把速率陀螺的输出量再进行一次积分，这种功能除了可由速率积分陀螺装置完成以外，也可以由星载计算机完成。速率积分陀螺用来直接测量航天器的角位置。速率陀螺测量航天器的角速度，通常是进行自旋速率控制或作为姿态稳定系统的一个速率反馈敏感器2。

2．三自由度陀螺

三自由度陀螺利用定轴性工作，用来测量姿态角，通常也称它为位置陀螺。位置陀螺测量姿态角的原理如下：

在陀螺仪的内环和外环都安装了传感器。传感器由定子和转子组成，当定子和转子均在零位时输出为零，输出信号和极性与定子和转子之间的角度成比例关系。安装在内环上的传感器的转子与内环固联，定子与外环固联。安装在外环上的传感器转子与外环固联，而其定子与壳体固联。当航天器姿态发生变化时，由于陀螺转轴具有定轴性，因此内、外环均要发生相应的转动以保持陀螺转轴相对于惯性空间不变。此时内、外环上的传感器就输出内、外环转动的角度，表征了航天器姿态变化的角度。

影响陀螺技术性能指标的一个重要因素是陀螺漂移，也就是说陀螺自旋轴在惯性空间的方向不是绝对不变的，在干扰力矩作用下会产生变化，这种现象称为漂移，以单位小时产生漂移度数来表示。对于航天器应用的陀螺，通常需要对其漂移进行估计和补偿修正。

航天器应用的陀螺具有如下特点：①长寿命——航天器上使用的陀螺，其寿命最短也有几天，最长达几年，而导弹上使用的陀螺只工作几分钟或几十分钟；②低功耗——由于航天器工作时间长而且质量限制很大，所以要求航天器上的设备都具有低功耗；③高可靠性——由于陀螺是一个高速旋转体，要求长期工作，因此须保证其高可靠性；④低漂移。

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。