駐聲波振動陀螺

簡要概述

振動陀螺由於採用固體設計且無旋轉部件，因而具有很好的可靠性和環境適應性。但一般結構的振動陀螺在諸如振動模式、動態平衡等方面失之完美，且某些振動陀螺在精度、工藝以及小型化等方面受到不同程度的限制，因而影響了發展、提高和套用。駐聲波振動陀螺因採用中心對稱的杯式結構作為感測頭，故容易實現動態平衡。其振動為具有四個波腹、四個波節的駐波，各個方向具有相同的振動頻率；同時，它的安裝結構能承受極大的衝擊。由此可見，駐聲波振動陀螺是一種在振動模式和結構上都具有明顯優點的振動陀螺儀，其精度有達到慣性級性能的潛力，故具有極大的吸引力。

英國和德國很重視駐聲波振動陀螺的研究，我國也研製出駐聲波振動陀螺的樣機。英國某公司（GEC和馬可尼合併）在20世紀80年代初研究命名為START的駐聲波振動陀螺，1987年製造出樣機。其結構位一金屬圓筒，開口端外表面貼上八塊壓電換能器。這種陀螺已用於海上採油平台、武器瞄準與穩定平台、各種戰術制導武器、高空機載照相穩定系統等，已被選為汽車導航系統的重要元件。其改進型已於1995年開始大批量生產。英國某公司下屬的限公司（BASE）在20世紀80年代末期開始研究陶瓷圓筒駐聲波振動陀螺VSG，在歐洲和遠東通過汽車試驗和大量的測試，已證明其可靠耐用。德國某公司採用了GEC公司的基本設計方案，進行了電路集成化及批量生產的研究，開發了汽車用駐聲波振動陀螺。

結構及工作原理

駐聲波振動陀螺典型結構如圖1-1所示。其中小圖(a)是金屬圓筒結構，小圖(b)是陶瓷圓筒結構。其電路框圖和工作原理示意圖如圖1-2所示。

圖1-1和圖1-2中，軸對稱的圓筒一端封閉並安裝在基座板上，而另一端開口且是振動自由的。金屬圓筒壁的振動激勵和檢測通過其周沿成45°等間距對稱配置的8塊完全相同的壓電換能器來實現，陶瓷圓筒壁的振動依賴壓電陶瓷自身的壓電性，電極仍成45°等間距對稱配置，沿半徑方向極化，以便形成強的壓電性。電極徑向相對地一一連成一對。兩對電極（AA’,DD’）作為激勵電極驅動圓筒振動，另外兩對電極（BB’,CC’）作為敏感電極沒檢測繞圓筒中心軸的速率輸入所產生的振動。在沒有速率輸入的情況下，圓筒的振動為駐波振動，它在對稱的位置上有四個波節點(CC’,DD’)，在波節之間有四個波腹點（AA’,BB’）。

把一個頻率等於圓筒自然諧振頻率的正弦電壓施加於一對電極AA’上，從而建立起駐聲波振動。通過一個包含鎖相環的反饋電路使振動信號的頻率穩定並控制在振動圓筒的諧振頻率上。當有角速度輸入時，波節和波腹的位置便沿圓筒壁向旋轉方向相反的方向運動。

在角速度

的作用下，沿圓筒壁切線方向將產生哥氏力

，其最大值在AA’和BB’點且方向相反，在波節點CC’和DD’，切線哥氏力等於零。理論上，哥氏力作用是線運動v(圓筒壁處的振動)和角速度輸入Ω的疊加。哥氏加速度為

式中，

為哥氏加速度；

為輸入角速度；v為圓筒壁的振動速度。

這些切向哥氏力形成一個合矢量，它與驅動方向成45°沿徑向作用於圓筒壁上。這個力通過波節點CC’和DD’處的壓電換能器來檢測，其大小與速率輸入成正比。

型號	Start	PVG	型號	Start	PVG
量程/[(°)/s]	0.1~ 550	100~ 5000	工作溫度/℃	-40~80	—
標度因數/{mV·[(°)/s]}	14~330	10	儲存溫度/℃	-50~120	—
線性度/(%)	0.25	0.25	衝擊/(m/s)	2.5*10	—
零位/[(°)/s]	2.0	1.0	噪聲/[(°)/(s·Hz)]	—	<0.04
閾值/[(°)/s]	0.01	0.05	外形尺寸/mm	16*25	25*25
頻寬/Hz	50	25~200	滿量程輸出/V	—	10
啟動時間/ms	200	100	質量/g	<25	—
電源/V(DC)	15	15

駐聲波振動陀螺

基本介紹

簡要概述

結構及工作原理

性能特點

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