静电陀螺：全姿态测角传感器及惯性导航系统解决方案

静电陀螺的转子是由静电吸力支承。静电陀螺的转子做成球形，将其置于超高真空的强电场内，由强电场产生的静电吸力悬浮。如图10-5 所示，在球形金属转子的对称方向配置一对内球面形电极，球形转子与球面电极之间的间隙很小，球面电极上接通高电压时球形转子的电位为零，在电极与转子之间可形成场强很高的均匀静电场。电极为正电时，静电感应使转子对应表面带负电，由于正电与负电的相互吸引而产生静电吸力。电极为负电时，静电感应使转子对应表面带正电。由于正电与负电的相互吸引也会产生静电吸力。电极为正电与负电交替变化时，转子对应表面负电与正电也交替变化，仍然产生静电吸力。图10-5 中右边电极对转子的静电吸力F1使转子趋向右边移动，左边电极对转子的静电吸力F2使转子趋向左边移动。

图10-5 球形转子静电吸力

1—球面电极；2—球形转子；3—地面电极

若电极上的电压是不可调节的固定值，则起不到支承转子的作用。因为当转子相对电极有一个位移时，转子与对应两个电极之间的间隙起了变化，间隙变小一端的电极对转子的静电吸力增大，而间隙变大的一端的电极对转子的静电吸力减小，这样，转子被吸引向间隙变小的那一端电极，从而失去支承作用。因此，转子出现位移时，必须自动调节对应两个电极施加的电压大小，使间隙变小一端电极上施加的压力减小，从而减小静电吸力，并使间隙变大一端电极上施加的电压增大，以便使静电吸力增大，这样才能将转子拉回到中间位置而起到支承转子的作用。

静电陀螺工作原理如图10-6 所示。若沿三个正交轴方向在球形转子外面配置三对球面电极，球形转子左右、前后和上下方向都配置一对球面电极，且每对电极上施加电压均可自动调节，则球形转子被支承在三对球面电极的中心位置。实际静电陀螺的转子用铝或铍等密度小的金属做成空心或实心球体，并放置在陶瓷壳体的球腔内，球腔壁上用陶瓷金属化办法制成三对球面电极。通过支承线路敏感转子相对电极的位移，并自动调节加到各对应电极上的电压大小。

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图10-6 静电陀螺工作原理

1—壳体；2—球形转子；3—自转轴；4—光电传感器；5—球面电极；6—启动线圈；7—读出刻线

为得到较大静电吸力以便支承转子，电极与转子之间电场强度应足够高。因电场强度与电极上电压成正比，而与电极-转子之间的间隙成反比，故电极上的电压一般加到1 000 V以上，电极-转子之间的间隙一般仅为千分之几厘米。

为防止高电场强度下转子-电极之间发生高压击穿，同时减小转子转动时受到的气体阻尼，陶瓷球腔内需维持超高真空状态。在这样的超高真空条件下，转子由启动线圈作用而达到额定转度(每分钟数万转)后则靠惯性运动，其持续时间可达几个月至几年。

静电支承的转子能自由地绕三个正交轴方向转动，即转子有三个转动自由度，且转角范围不受限制。静电陀螺的自转轴有两个转动自由度，若按自转轴的转动自由度计算，它属二自由度陀螺。显然，静电陀螺也具有前述两自由度陀螺的基本特性——进动性和稳定性。静电陀螺的壳体转动时，其自转轴相对惯性空间仍保持原方位。在转子表面上刻线，通过光电传感器即可测得壳体相对自转轴的转角。

静电陀螺消除了机械连接及气体或液振动引起的干扰力矩，从而使陀螺随机漂移达(0.01° ～0.001°)/h。这种陀螺仅一个活动部件——高速转子，故结构简单，可靠性高。静电陀螺自转轴相对仪表壳体的转角范围不受限制，故可全姿态测角。静电陀螺能承受较大的振动和冲击，并且一个静电陀螺还具有三个加速度传感器功能。静电陀螺可用作平台式和捷联式惯性导航系统的传感器，例如舰船、潜艇、飞机和导弹的惯性制导系统。