第二章新型惯性器件.ppt

?数字电子技术双语教学的探索与实践 第二章 惯性器件 本章提纲 1、陀螺仪的数学、物理（力学）基础 2、陀螺仪的定义、分类及性能参数 3、几种经典陀螺仪介绍 4、加速度计 5、我国惯性器件技术的发展 2.1 陀螺仪的数学、物理（力学）基础 一、刚体及其运动 刚体：形状和大小都不发生任何变化的物体。 即其内部任意两点之间距离永远不变，刚体的各部分 之间没有相对运动。 刚体的运动：平动和转动 平动：刚体在运动过程中，其上任意两点的连线始终保持平行。 转动：刚体上所有质点都绕同一 直线作圆周运动。这种运动称为 刚体的转动。这条直线称为转轴。 定轴转动：转轴固定不动的转动。 2.2 陀螺仪的定义、分类及性能参数 一、陀螺仪的定义 2.2 陀螺仪的定义、分类及性能参数 古典传统定义: 对称平衡的高速旋转刚体, 用专门的悬挂装置支承起 来,使旋转的刚体能绕与自转轴不相重合或平行的另一条轴 或另二条轴转动的专门装置。 广义陀螺仪定义： 人们认同能自主地测量物体角速度或角位移的器件，也 称为陀螺仪。 所谓自主指不依赖运动物体外部的光、电、磁、声等讯 号来检测物体的运动参数,完全依赖物体本身的运动特性,可 以制造成独立的敏感元件。光学陀螺仪、振动陀螺仪、硅微 机械陀螺仪等新型陀螺仪应运而生,扩大了陀螺仪家族的阵 营,它们所具有的完全崭新的特性,给陀螺仪的更广阔的应用 前景带来了朝气蓬勃的无限生机。 二、定轴性、进动性、陀螺反力矩 陀螺仪的定义、分类及性能参数 1、陀螺仪的定轴性与陀螺视运动 定轴性：在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪主轴 在惯性空间中的指向保持稳定不变。 动量矩 H = Jω 视运动：由于地球对惯性空间做自转运动,而陀螺仪的主轴 (近似角动量 H轴）相对惯性空间不动,所以人们站在地球上 看到的陀螺仪主轴相对地球在转动。在地球表面所观察到的 陀螺自转轴方向的运动被称作陀螺的表观运动,有时又称为视 运动。 陀螺仪在地球赤道上的视运动 把陀螺仪放在地球的赤道上, 陀螺仪主轴H垂直向上。随着地球 的自转,经过3小时,6小时,12小 时,18小时,陀螺仪分别由①的位置 依次到达②~⑤的位置。由于陀螺 仪的定轴性,H指向惯性空间的方向 不变,在地球上人们看到主轴H由指 天,变为水平指西,再指地,再水平 指东。 陀螺仪主轴H围绕着地球自转轴转 动,陀螺仪相对地球,方位上和水平上 都在作24小时的有规律的转动。 我们可以利用陀螺仪的进动性给 陀螺仪施加控制力矩，使陀螺仪进 动。当陀螺仪进动速 度与地球自转角速度 一致时，陀螺仪相对 于地球上的参考坐标 系就没有相对运动。 二、定轴性、进动性、陀螺反力矩 陀螺仪的定义、分类及性能参数 2、陀螺仪的进动性 进动性：在外力矩作用下陀螺仪的运动。 陀螺仪的进动角速度的大小和方向与加的力矩具有 严格的对应关系，所以可以准确地控制陀螺仪的运动。 巧妙地利用陀螺仪的定轴性与进动性，可以制造各种陀螺仪器和系统。 二、定轴性、进动性、陀螺反力矩 陀螺仪的定义、分类及性能参数 3、陀螺仪反力矩 广义地说,世界上一切事物都处于相对的平衡之中。在 力学世界中作用的力和力矩总是和反作用力和力矩相平衡。 F=ma M=Hω 对陀螺仪施加多大的力矩,就会产生相应的多大的进动。 有多大的进动,就产生多大的陀螺力矩与施加的作用力矩相平 衡。 三、陀螺仪的分类 陀螺仪的定义、分类及性能参数 (一)按陀螺仪研制成功并得到实际应用的先后顺序分类 ?第一代陀螺仪 ：框架陀螺仪 20世纪50年代前 ?第二代陀螺仪 ：浮子陀螺仪 20世纪60年代起 ?第三代陀螺仪 ：动调陀螺仪 20世纪70年代 期间高精度静电陀螺仪技术趋于完善,在高精度领域 得到应用。 光学陀螺仪：20世纪80年代 激光陀螺仪、光纤陀螺仪 激光陀螺已经达到惯性级的精度,在高中精度的领域得 到成功应用。光纤陀螺仪的后来居上,大有挑战激光陀螺之 势,正在向惯性级精度努力。 ? 硅微陀螺仪： 20世纪80年代末