浅谈陀螺仪的发展及应用

浅谈陀螺仪的发展及应用

葛如杰

江苏金方圆数控机床有限公司225127

摘要：陀螺仪的应用非常广泛，它代表着机械制造工业的最高水平。本文对陀螺仪的发展以及应用进行了分析探讨，仅供参考

关键词：陀螺仪；发展；应用分析

1陀螺仪的原理及发展的进程

传统的机械旋转陀螺仪由以下几个主要部分构成：（1）陀螺转子；（2）可靠支承转子高速转动的主轴承；（3）陀螺电机；（4）框架及其支承；（5）信号传感器；（6）力矩器；（7）测温、控温装置；（8）导电装置；（9）陀螺仪的壳体。

最早应用于船舶，飞机导航、鱼雷、火箭等制导的是框架陀螺仪，如下图1所示。

图1框架陀螺仪

有的框架陀螺没有力矩器，有的用机械方法加力矩使用陀螺进洞。转子由陀螺电机驱动，一般的电机都是定子在外，转子在里。陀螺电机缺失外转子内定子，目的是使转子的质量分布尽可能的原理旋转轴线，增大转子的转动惯量。转子采用稳定性好的高比重材料制成，陀螺电机的转速尽可能高，一般都在2-3万转/分以上，如此高速的转动对于支承物提出了挑战。框架陀螺仪用滚珠轴承做主轴承，高速转动的振动和磨损会影响陀螺仪的精度和使用寿命。后来，通过对轴承精化、改善润滑等措施，陀螺仪的寿命从数百小时延长到了一二万小时，但仍愿意满足不了长时间高精度惯性系统的要求。直到空气空压轴承的发明和应用，才彻底克服了滚珠轴承的不足。因为间隙很小的轴与轴承座在高速相对转动时，产生空气的动压效应，形成一层气模，隔离了转子轴与轴承座的机械接触，从而使陀螺仪的精度和使用寿命有了质的飞跃。

影响陀螺仪精度的最主要因素之一是沿框架轴的干扰力矩，框架陀螺仪使用滚珠轴承支承框架，为了减小轴承的摩擦力矩，科学家们景观不断的实验，先后采用抖动、滑动以及反向旋转等方式，但始终无法避免轴承的机械接触，可以说，传统机械旋转陀螺仪的发展过程，就是与框架支承干扰力矩的斗争过程。20世纪50年代有科研人员发明了浮子陀螺仪，陀螺仪的精度有了较为明晰的提升。将图1中的框架做成一个圆筒或者圆球，然后将转子、陀螺电机、主轴承等都进行密封，将这一整体结构成为浮子，用液体将浮子悬浮起来，并且将浮子的比重调整为与浮液一致，浮子在副业中就会呈现出悬浮状态，浮筒两段选择使用细小的轴穿在宝石眼里，宝石轴承起到了浮子支承定位的作用。浮液选择使用绝缘的、物理化学性能稳定的氟化油，不但能够将浮子托起，同时还为支承结构提供了润滑。浮子与外壳之间充满了具有粘度的浮液，可以起到阻尼器的作用。液浮技术使得陀螺仪的精度从几十度到几度每小时跃升到百分之一至千分之一度每小时。

如下图2所示。

图2浮子陀螺仪

浮子轴上左右有电磁感应或角度信号传感器、力矩器，称之为单自由度陀螺仪，对照图1可以，浮子轴相当于内环轴，转子轴只能绕浮子轴一个自由度转动，假如在增加一个框架结构，就构成二自由度浮液陀螺仪。如下图3所示。

图3二自由度浮液陀螺仪

2常见的陀螺仪类型

2.1冷原子陀螺

冷原子陀螺作为下一代惯性导航系统的核心传感器很重要。美国军方早已将基于冷原子陀螺的冷原子惯性导航技术列为其优先发展的核心技术之一。

2013年10月，美国国防科学委员会在“保持2030年前优势的技术与创新”X33〕报告中为将冷原子导航技术定义为提供下一代军事主宰能力、并够在2030年前发展或投入使用的新兴技术。在美军军费预算减少的大环境下，仍将冷原子导航技术推荐国防部重点发展13项关键技术之三，称为“应对全球机会均等时代的关键投资机遇”。

报告中全面描述了冷原子导航系统的研制和装备前景：“研究表明，随着小型化光学和微光学技术、紧凑型激光器技术、真空技术的发展，单轴冷原子惯性传感器的成本可到1万美元；进一步发展，战略级冷原子IMU可降至约2.5万美元，与当前战术级IMU价格相当；空军导弹项目和海军导航需求战略级惯导约1000套，巡航导弹需求5000套，军用和商用无人飞行器平台需求约15000套，民航时和远距离任务系统需求约10000套，总体需求20000一30000套，需求量足以支撑生产冷原子惯性传感器约3亿美元开发投入。”

冷原子惯性技术虽然取得了很大的突破，但仍然面临着系统集成、高动态范围和采样率三大挑战。

1）系统集成一直是冷原子陀螺实际应用的首要难题。系统集成需缩小陀螺体积，同时保证陀螺精度。虽然从2000年开始冷原子陀螺的体积不断缩小，但体积缩小的同时伴随着精度的降低。到目前为止，公开报道的陀螺精度仍未赶上2000年的精度。所以，在缩小陀螺体积的同时必须采取新技术、新方案来进一步改善陀螺精度，如使用高阶布喇格衍射增加横向动量传输从而增大干涉面积，或使用无损量子检测技术增加探测精度等。

其他工程挑战包括微型光学平台的制造，小型、高效和高质量的半导体激光器，高度集成化的控制电路，高加速环境下光路（主要是反射镜）的稳定性，超高真空的维持，冲击和振动环境下系统的对准等。

2）机载或弹载平台的高动态环境，其瞬时加速度超过10月。工作在该环境下的惯导系统需更高的采样频率，即积分时间缩短。此外，还必须研究高加速环境下原子的激光冷却行为如何变化。

3）采样率。由于连续式冷原子源技术尚不成熟，目前多数冷原子陀螺都采用的是脉冲式冷原子源，这意味着陀螺的采样率仅能达到几十赫兹。除非使用连续式冷原子源，提高采样率没有好办法。美国斯坦福大学曾提出使用两台陀螺仪交替工作的方案，既可提高采样率，也可规避陀螺脉冲工作时存在的非工作区域。但该方案增大了陀螺体积。目前较主流的方案是将冷原子陀螺与常规陀螺，利用常规陀螺进行信号输出，利用冷原子陀螺进行校准。

2.2原子激光陀螺

基于原子芯片的原子激光陀螺（ALU）可能成为冷原子陀螺发展的最终方向。原子芯片是一种通过MEMS技术将电场、磁场和光场集成在一小块芯片上，实现冷原子陷俘和操控等功能的装置，同时具有小型化和高集成度的特征。

2.3核磁共振陀螺

与冷原子陀螺相比，核磁共振陀螺技术更成熟，有望在中低精度导航和制导领域得到应用。其潜在应用方向包括小型飞行器、无人飞行器、无人水下潜艇、地面车辆、战术导弹等。

核磁共振陀螺作为首个可实际应用的导航级微陀螺，目前其精度一般，需进一步研究体积小，功耗低，质量轻和价格低的核磁共振陀螺。

制约核磁共振陀螺进一步发展的主要挑战是剩磁场的抑制和屏蔽。为实现0.011（0）/h的零偏稳定性，即使抑制了陀螺对静磁场波动的敏感性，陀螺工作区域的剩磁场仍须小于10pT；对于外部磁场，需要至少10的屏蔽因数（屏蔽因数是屏蔽前、后磁感应强度的比值）X3738}。由于磁屏蔽材料一般不适于使用MEMS技术加工，且屏蔽因数要求屏蔽罩设计为多层，进一步提高屏蔽因数，缩小磁屏蔽罩难度极大。

3结束语

陀螺仪是非常精密的一种设备，代表着机械工业的最高水平。陀螺仪在航空航天领域有着非常广泛的运用，本文对陀螺仪的发展进行了分析，然后探讨了常见的几种陀螺仪，希望能够推动陀螺仪的发展和应用。

参考文献：

[1]龚云鹏.谈谈陀螺仪的应用与发展[J].惯性世界，1998（1）：1-6.

[2]梁阁亭，惠俊军，李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹，2006（4）.

[2]宋桂云.陀螺仪的应用及发展[J].有色金属工程，2002，54（4）：106-110.