振动陀螺仪的原理及应用

5.1.2.1　概述

各种振动陀螺仪都基于同一物理原理：当陀螺仪壳体转动时,振动元件会产生科里奥利加速度,通过检测科里奥利加速度就可以间接测量角速度。

针对不同的陀螺仪结构,有不同的检测输出方法。对于弦线和单梁振动结构,必须检测振动元件本身。对于双梁和音叉结构,由于两个振动元件受反相驱动,因而各自产生的科里奥利振荡也是反相的。这将导致在振动元件的端部产生振荡的扭矩,可对其直接测量,或借助一对齿型装置进行测量。圆环、圆柱和半球谐振结构,在4个直角位置分别有一个驱动部件,在4个中间点各有一个检测装置。当陀螺仪、壳体不转动时,检测装置位于振型的波节,因此检测不到信号；当陀螺壳体旋转时,振型在科氏效应的影响下产生偏转角度,对其进行测量便可反推出输入角速度。

所有振动式陀螺仪的响应时间都很短,也就是说,它们具有快速启动能力,而且有些设计得非常坚固。这种器件最主要的误差源就是它们对于环境温度的敏感性以及装在同一结构件上的同类敏感器之间可能的交叉耦合。精心设计可以使这些因素的影响以及它们对输出信号带来的误差降至最小。这种器件通常称为固体敏感器,它们的储存寿命长、休眠特性好,因为它们没有轴承,壳体中也没有润滑剂和任何其他液体。这类器件只需要一个黏结接头,通过精心设计,可以将电源引线接到不运动的点,从而获得很高的可靠性。这种形式的设计还能降低电源的消耗量。

这类陀螺仪的零偏和标度因数误差与常规陀螺仪相当。小型振动陀螺仪的典型性能无法满足惯性导航系统的要求,但对控制和稳定场合来说有很多用途。这类小型器件的性能范围如表5.3所示。

表5.3　小型器件的性能范围

5.1.2.2　半球谐振陀螺仪

半球谐振陀螺仪(Hemispherical Resonant Gyro,HRG)是一种高精度、高可靠和长寿命的新型固态陀螺仪,使用的基础材料是石英。它是利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应来感测基座旋转的一种科里奥利振动陀螺仪。

半球谐振陀螺仪主要由激励罩、半球谐振子、含有信号检测电极的基座三部分构成。半球谐振子是HRG的核心部件。谐振子加工完毕后,需在谐振子表面和激励罩的分布电极处进行金属镀膜,从而使谐振子与激励罩分布电极处形成电容器。

半球谐振陀螺仪利用石英零件表面金属镀层之间的电容式静电电荷来维持驻波,并检测其位置,其主要部件如图5.5(a)所示。上层激励罩内表面有电极,与谐振子外表面形成了电容；工作时,激励电极施加相应的电压,利用静电力驱动半球谐振子,就会产生驻波振动。底部基座上有信号器电极,用于产生计算驻波旋转角度的读出信号。

如图5.5(b)所示,当振动元件不动时,波腹轴A和B保持不动,如图5.5(b)左图所示。而当基座旋转时,在科里奥利力的作用下,驻波的位置就要发生进动(进动角度为φ),导致驻波波型的实际旋转角度小于铁心相对于惯性空间的旋转角度,而产生滞后。通过检测该滞后角,就可以得到陀螺仪载体在空间的旋转角度,角度表现为输入角速率的积分。

根据不同的需要,半球谐振陀螺仪可以工作在两种不同的工作模式下：全角模式；力平衡模式。在全角模式下,半球谐振陀螺仪构成速率积分陀螺仪,直接输出角度；在力平衡模式下,半球谐振陀螺仪为角速率传感器,因此也是速率模式。

图5.5　半球谐振陀螺仪的主要部件及工作原理

(a)主要部件；(b)工作原理

近年来,HRG受到广泛关注,其优点为没有机械转子、寿命长、精度高、体积小、噪声低、功耗低、稳定性高、分辨率高、可靠性高、对加速度不敏感、抗核辐射等,因此在飞船与卫星的稳定性控制、航天器导航、石油钻孔勘探等领域有广阔的应用前景。

5.1.2.3　音叉振动陀螺仪

音叉振动陀螺仪是一种固态敏感器,根据结构不同,可以将其主要分为三类：检测扭转振动；将扭转振动变换成弯曲振动并进行检测；直接检测弯曲振动。接下来将简单介绍检测扭转振动的音叉振动陀螺仪,其主要由音叉部分和电路部分组成。音叉部分是由两个相同质量块组成的振动系统,用磁激励的方法使其在同一平面内做等幅反向振动,这个振动类似陀螺转子的旋转；当音叉基座以某一角速度旋转时,所产生的力偶使敏感翼片在磁敏感线圈之间横向振动,因而在该线圈中产生一个频率等于音叉频率的交变信号,这个信号经放大后送入相位检波器；相位检波器的参考信号取自音叉振动敏感线圈,相位检波器输出一个直流信号,其幅度和相位指示旋转速率的大小和方向。

音叉敏感器示意如图5.6所示。音叉的激励必须使两个叉子在同一平面内保持严格的反向振动,这样才能在输入角速率时产生一个力偶,使敏感翼片作扭转运动。音叉的设计要求有高Q值和恒定的谐振频率,对于外部振动影响,通常采用适当的支撑和隔离来减小。(www.xing528.com)

音叉振动陀螺仪的检测电路包括放大器、带通滤波器、同步检波器和滤波器。它从压电检测元件接收并放大检测输出信号,然后通过滤波器和同步检波器来去除不希望的分量,输出一个指示输入角速率的直流电压。音叉质量不平衡、激励不平衡、支撑不对称等因素造成零位信号和零位信号漂移,使其发展受到限制。虽然音叉振动陀螺仪不可能发展为高精度的陀螺仪,但由于其结构简单、性能可靠、价格低廉、低功耗等优点,仍然具有很广的应用前景。

图5.6　音叉敏感器示意

5.1.2.4　石英速率敏感器

石英速率敏感器(Quartz Rate Sensor,QRS)的典型代表为石英音叉速率陀螺仪,这是音叉原理的直接应用。它的主要工作部件是压电石英音叉以及激励电路和感测电路。石英的主要性能特点：压电常数小,时间和温度稳定性极好,常温下几乎不变；机械强度和品质因数高,刚度大,固有频率高,动态特性好。

QRS的基本工作流程如图5.7所示,其总体结构布局如图5.8所示。

图5.7　QRS的基本工作流程

图5.8　石英速率敏感器的总体结构布局

如图5.8所示,在被激励音叉的两个叉齿上设置驱动电极,通过驱动电路输入一定频率的电信号。借助石英材料的逆压电效应,将电信号转化为力学信号,使音叉振动。当叉齿来回运动时,每个叉齿产生按照正弦变化的瞬时幅向速度。音叉的根部是固定的,于是两个叉齿的冲力抵消,就不会有能量传向根部。当音叉绕着对称轴转动时,在科氏效果的影响下,每个叉齿都会产生一个垂直于瞬时幅向速度的力,该力与旋转速率成正比。由于两个叉齿的幅向速度大小相等、方向相反,因此其科氏力也大小相等、方向相反。所以,在被激励音叉的根部会产生一个振动力矩,该力矩与输入角速度成正比。石英速率敏感器的检测音叉开始作用,变化的正弦力矩使检测音叉振动,振动频率与被激励音叉相同。由于石英材料的正压电效应可以将力学信号转变成电信号,因此可以通过检测该输出信号来求得输入角速度。

石英速率敏感器的特点包括：体积小,结构简单,可靠性高；成本低,输入稳定；响应速度快,测量范围宽；无负载,寿命长。

石英速率敏感器的精度属于低精度范围,虽然不适用于战略武器,但完全可以满足现代战术武器对精度的要求。随着这种敏感器的敏感组件设计不断改进,敏感组件的制作工艺不断改善,所用信号处理技术和标定技术不断进步,石英速率敏感器的性能也将不断提高。特别值得一提的是,其体积小、可靠性高和成本低的特点,很符合现代精确打击战术武器的要求,能满足目前日益增长的战术导弹和无人驾驶飞机等制导、导航和控制的需求。

5.1.2.5　微机械硅陀螺仪

晶体硅具有非常优良的力学性能,其杨氏模量很高,是一种比较理想的机械结构材料。而且,硅材料价格低廉、弹性好、无磁性、强度质量比高,还具有卓越的电气性能,可以通过扩散和表面沉积来生成元件。

CSD实验室(Charles Stark Draper Laboratory)利用单晶硅片,通过化学刻蚀技术制造的陀螺仪没有任何持续旋转的零件,如图5.9所示。这种陀螺仪采用双框架结构,内框架上装有一个镀金的垂直件。框架各自被一套互相垂直的“挠性枢轴”支承；这些枢轴允许每个框架绕各自的支承轴有小量扭转变形,但在其他方向上仍保持刚性；利用装在外框架结构上下的几对电极加上一个振荡性的静电力矩,迫使外框架做小角度振动。当整个结构绕垂直于敏感器平面的轴线旋转时,内框架开始振动。内框架的振动频率与外框架相同,其幅值与输入角速率成比例。

图5.9　微机械硅陀螺仪

微机械硅陀螺仪的主要误差来自微机械结构的制造误差、材料内应力、机械和电子噪声,从误差特性来分,可以表示为常数偏置、角度随机游走、偏置不稳定性、温度效应引起的偏置变化、标度误差等。其中,温度效应由材料的热特性决定,可以借助实验来找出漂移误差与温度的相关规律并加以补偿。对于微机械硅陀螺仪,角度随机游走误差和未被补偿的偏置误差是最重要的误差源。角度随机游走可视为由角速率信号积分而得到的角度不定性的下限。