音叉振動陀螺

音叉振動陀螺是一種固態振動陀螺。振動陀螺儀使多種多樣的，作為具有振動輸出的儀表，其激勵運動可以是旋轉，也可以是振動，故有旋轉激勵—振動輸出和振動激勵—振動輸出的振動陀螺儀之分。

基本介紹

• 中文名：音叉振動陀螺
• 類型：一種振動陀螺
• 特點：簡單、可靠且低功耗

簡要概述

音叉振動陀螺既是振動陀螺的一個重要品種，又可說是振動陀螺的始祖。美國斯佩里公司的J.Lyman和R.E.Barnaby等人經過幾年的精心研究，於1953年首次披露了他們的新發現，推出了世界上第一個振動陀螺儀——斯佩里音叉振動陀螺（Gyrotron），從而揭開了開發振動陀螺儀的序幕。可以說，斯佩里音叉振動陀螺儀是法國物理學家傅科的主要發明的實際套用。1851年，傅科用一個巨擺證實了地球的自轉運動，這個試驗導致了陀螺儀的發明。在斯佩里音叉振動陀螺出現之後，人們預測，不久的將來將證實音叉振動陀螺這種絕無先例的裝置具有對姿態變化的快速回響特性，特別是具有操縱靈活和保持長期導航精度的能力。但從後來的實驗中發現，由於音叉質量不平衡，支撐不對稱等諸多因素造成零位信號和零位信號漂移，致使其發展受到限制。科學家們經過進一步分析也認為，斯佩里音叉振動陀螺的激勵振動和輸出振動具有不同的振動模式，由於兩種振動模式的頻率溫度係數不同而使其對溫度相當敏感，從而得出結論，音叉振動陀螺不可能發展為高精度的振動陀螺儀。然而，即使如此，人們也並沒有停止對音叉振動陀螺的研究，其主要原因在於，一方面可取其簡單、可靠、價廉、低功耗等長處，使其用於需求量很大的低精度控制系統中；另一方面可在結構上進行改進，研究激勵振動和輸出振動具有相同振動模式的音叉振動陀螺，以提高它的精度；再者，從使用的材料和加工方式上作文章，其發展潛力很大。更可喜的是，近年來，人們利用石英材料，採用光刻技術製造出了石英音叉微機械振動陀螺，使音叉技術在慣性儀表中的地位躍上了一個新台階。可以看出音叉振動陀螺由於具有小型、廉價、可靠、低功耗、長壽命的特點，必將在飛機、船舶、車輛、機器人以及自動機械等的運動檢測和控制系統中得到廣泛的套用。

工作原理

分析音叉振動陀螺的工作原理，可作一個簡單的試驗。如圖1-1所示，如果我們用手牢牢抓住振動著的音叉結構的手柄，然後繞其垂直軸迅速轉動，那么就可以感覺到手柄上振盪的扭轉作用。詳細分析表明，扭轉振動的幅度正比於旋轉角速度的大小，而扭轉振動的相位與旋轉的方向相對應。這個試驗提供了音叉振動陀螺的設計基礎。

圖1-1 音叉運動時作用於叉指上的力

這個扭力是怎樣產生的呢？我們可以進一步研究。首先，從圖1-1所示的音叉的頂部看下去，可以看到在圖示的瞬間，兩個叉指從中間位置彼此相向振動。這時試驗者迫使音叉結構逆時針方向旋轉，根據牛頓第一運動定律，左邊叉指的旋轉力將增加，並通過槓桿臂r1作用到手柄上。同時在空間以相反方向運動的右邊叉指的旋轉力也增加，並通過槓桿臂r2作用到手柄上。因此，當這兩個力由叉指傳到手柄上的時候，在振動的這半周期內，趨向於在增加旋轉運動的方向上相加；反之，當叉指彼此離開向外振動時，在叉指上產生的旋轉力和上述情況相反，由叉指傳到手柄上時，趨向於在減小旋轉運動的方向上相加。因此，手柄就以音叉振動的周期交替地扭轉。

當旋轉方向相反時，同樣感覺到交替的扭轉，只是在同一瞬間，所有的力的方向與原方向相反。可見，逆時針方向旋轉和順時針方向旋轉時的扭力正好相差180°，因此，音叉產生的扭力將提供速率大小和方向的信息，給出一個慣性空間的參考信號。

用動量守恆定律同樣可以描繪音叉振動陀螺的工作。我們可以把音叉看作一個運動質量系統，在該系統中，當叉指彼此靠近時，音叉關於其軸向的旋轉速度相對於外加轉速要增加。這是因為在這種情況下，為滿足動量守恆定律，必須加速旋轉來抵消質量運動半徑的降低。反之，當叉指向外運動時，其旋轉半徑增加，為使系統的動量守恆，必須使音叉降低其相對於儀表基座的旋轉。

實際示例

音叉振動陀螺的一個實例如圖1-2所示。

圖1-2 實際的音叉振動陀螺

圖1-2中的音叉振動陀螺是一種壓電雙音叉結構，激勵元件的檢測元件成90°夾角並連成一體。靠基座一端的壓電元件用作激勵元件，另一端的壓電元件用作檢測元件。當外加激勵信號時，激勵元件以其自然頻率產生彎曲振動，而檢測元件隨激勵元件的彎曲僅產生一弧形擺動，這時的檢測元件不產生彎曲，因此其輸出信號為零。當無角速度輸入時，激勵和檢測壓電元件始終維持這種狀態。如果沿音叉的縱向輸入一個角速率，便會在垂直於激振方向和輸入角速度反向的第三軸向產生一個哥氏力，這個哥氏力導致檢測元件在激振頻率上作彎曲振動，利用檢測元件的壓電特性將檢測元件的彎曲振動轉換成電信號便能確定輸入角速度的大小和方向。

這種音叉振動陀螺作了一些重大改進，包括：在結構上採用了耦合元件和彈性支撐元件；在電路上加進了振動信號提取電路；而激勵信號的引入只加於一個激勵元件上，另一個激勵元件為振動監測元件。

如圖1-2所示，音叉振動元件封裝於一個圓柱形外殼中，用了一個彈性支撐元件將音叉固定在基座上。音叉由一個耦合元件、兩個激勵元件、兩個連線元件和兩個檢測元件組成。激勵元件和檢測元件是用同種壓電材料製成的相當薄的矩形壓電板，用儘可能細的引線焊接於壓電元件與電極之間實現電氣連線。

音叉振動陀螺的電路如圖1-3所示。它包括由激勵信號提取電路、自動增益調節電路、激勵電路組成的激振迴路以及由放大電路、同步檢波電路、濾波電路組成的輸出檢測電路。

圖1-3 音叉振動陀螺電路框圖

音叉振動陀螺的性能取決於兩對壓電元件的總體性能、安裝形式和轉配技術。振動元件振動特性的差異導致角速率測量的不精確。要使各部分特性完全一致是困難的，但無論如何應使各元件良好匹配，例如使用同種壓電材料製成形狀和尺寸完全相同的壓電元件。振動元件諧振阻抗的差異隨著諧振頻率的差異而增加，導致作用於壓電檢測元件上的哥氏力的差異，從而使陀螺對噪聲干擾更敏感。

彈性支撐元件用高楊氏模量的材料做成棒形，它對於改善陀螺的性能起著十分重要的作用。一方面，它和耦合元件一起，吸收了諸如噪聲、重力、加速度和外部振動等干擾信號，提高了陀螺的信噪比。另一方面，它使振動元件可以用高Q材料製成，這不僅可以保證穩定的振動，而且還很容易控制其諧振頻率差在10Hz以內，實現較好的匹配。再一方面，由於振動元件達到Q值，為消除兩振動元件之間的任何失配的影響提供了新的途徑，其方法是僅將激勵電壓加到一個激勵元件上，而另一個激勵元件用作監視振動情況的監測元件。加上激勵信號後，在激勵電流作用下激勵元件產生振動，並通過彈性耦合元件傳送到作為監測元件的另一個激勵元件，使之在相反的方向上振動。監測元件將振動的機械能轉換成電信號，經過激勵信號提取電路，得到幅度監測信號和相位監測信號。幅度監測信號用於調節激勵信號功率，使之保持恆幅振動。相位監測信號作為同步檢波器的相位參考。由於激勵信號受監測信號的調節，因此能使兩個激勵元件的振動嚴格保持等幅而反相。另外，通過控制激勵信號的功率，檢測元件的機電轉換效率變化可以得到補償，從而使角速率信號和輸出檢測信號之間的關係始終保持不變。

性能特點

音叉振動陀螺的性能列於表1-4中。

表1-4 音叉振動陀螺的性能

型號	ENV-05A	ENV-05E	EWTSOC
電源電壓/V(DC)	8~13.5	5	8~15
電流/mA(最大)	15	5	18
測量範圍/[(°)/s]	90	90	50
零位電壓/V	2.50.3	2.31.0	2.50.1
標度因數/{mV·[(°)/s]}	22.21.44	1.11	250.5
分辨力/[(°)/s]	0.1	—	—
線性度/(%)	0.5	5	1
零位漂移V[p-p(最大)]	0.2	—	0.025
頻寬/Hz	7	50	6.8
噪聲/mV(RMS)	10	—	10
工作溫度/℃	-20~70	-5~60	-40~80
儲存溫度/℃	-40~80	-30~85	-40~85
尺寸/mm*mm*mm	58*25*25	21.5*8.5*7.1	86*72.8*37
質量/g	45	2.7	—