1、慣性技術(shù)與慣性器件簡介 慣性技術(shù)與慣性器件簡介慣性技術(shù)簡介1.什么是慣性技術(shù)2.慣性技術(shù)基本概念3.基本慣性器件4.慣性導航特點陀螺儀簡介1.什么是陀螺儀2.陀螺儀的特性3.常用陀螺儀的指標及其意義4.常見陀螺儀的種類及特點加速度簡介1.什么是加速度計2.加速度計的特性3.常用加速度計的指標及其意義4.常見加速度計的種類及特點一慣性技術(shù)簡介 一慣性技術(shù)簡介1.什么是慣性技術(shù)2.慣性技術(shù)基本概念3.基本慣性器件4.慣性導航特點什么是慣性物體在不受外力或所受外力平衡的條件下,維持原有運動狀態(tài)(靜止或勻速直線運動不變的特性。牛頓三大定律(慣性、加速度、作用力與反作用力。慣性定律成立的空間為慣性空間。

2、經(jīng)典力學認為,要選取一個絕對靜止或作勻速直線運動的參考坐標系來考察加速度,牛頓第二定律才能成立。在研究慣性敏感器件和慣性系統(tǒng)的力學問題時,通常將相對恒星所確定的參考系稱為慣性空間,空間中靜止或勻速直線運動的參考坐標系為慣性參考坐標系。宏觀、絕對、靜止或勻速直線運動以太恒星相對慣性空間穩(wěn)定指向慣性空間某點北NS地磁北真北地理北地球坐標系如右圖所示。其原點取在地心;軸沿極軸(地軸方向;軸在赤道平面與本初子午面的交線上;軸在赤道平面上,與構(gòu)成右手直角坐標系。e e e z y ox e z e x e y e z e x 地球坐標系隨地球轉(zhuǎn)動。載體坐標為經(jīng)度、緯度、高度。地球上任意點的地球坐標固定不

3、變,但是地球坐標系相對慣性空間改變。t t t z y ox e z 地理坐標系隨載體一起線運動,不隨載體角轉(zhuǎn)動。地球上任意一點的地理坐標系都不相同。地理坐標系并不唯一,有東北天、北東地等。地理坐標系如左圖所示。其原點位于載體所在的點;軸沿當?shù)鼐暰€指東;軸沿當?shù)刈游缇€指北;軸沿當?shù)氐乩泶咕€指上,并與構(gòu)成右手直角坐標系。平面為當?shù)厮矫妗Ｆ矫鏋楫數(shù)刈游缑妗 x t y t z t x t y t t y ox t t z oy載體坐標系載體坐標系如右圖所示。其原點與載體質(zhì)心重合。軸沿載體橫軸指向右;軸沿載體縱軸向前;軸沿載體豎軸,并與、構(gòu)成右手直角坐標系(右前上。b b b z y ox b

4、x b y b z b x by 載體坐標系并不唯一,也可以定義為前、右、下。載體坐標系隨載體一起作線運動與角運動。地球坐標系、地理坐標系、載體坐標系載體不動:地球坐標系相對慣性空間運動;載體坐標系、地理坐標系相對地球坐標系不動,相對慣性空間運動;載體坐標系相對地理坐標系不動;載體做線運動:地球坐標系相對慣性空間運動;載體坐標系、地理坐標系相對地球坐標系線運動,相對慣性空間可能運動;載體坐標系相對地理坐標系不動;載體做角運動:地球坐標系相對慣性空間運動;載體坐標系、地理坐標系相對地球坐標系角運動,相對慣性空間運動;載體坐標系相對地理坐標系運動;姿態(tài)角載體的姿態(tài)角是根據(jù)載體坐標系與地理坐標系之間

5、的旋轉(zhuǎn)關(guān)系確定的。 基本慣性器件陀螺儀(Gyroscope、Gyro:測量角速度(速率陀螺、角度(積分陀螺加速度計(Accelerometer:測量線加速度慣性導航導航是一個技術(shù)門類的總稱,它是引導飛機、船舶、車輛以及個人(總稱作運載體安全、準確地沿著選定的路線,準時到達目的地的一種手段。慣性導航是指通過測量飛行器的加速度和角速度,自動進行運算,獲得飛行器瞬時速度、瞬時姿態(tài)和瞬時位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。慣性導航的特點優(yōu)點:自主導航:無需外界信息,安全,可靠;輸出信息豐富:位置、線速度、角速度、線加速度、角加速度、姿態(tài);應用領(lǐng)域廣泛:海、陸、空、天;缺點:成本高:成本與精度成指數(shù)級增長;長時精度低:因為

6、存在漂移,單獨長時間使用誤差變大;慣性導航的典型應用1、二戰(zhàn)時期的V2導彈,被希特勒譽為“第三帝國的秘密武器”,是慣導的首次應用;2、裝有慣導系統(tǒng)的核潛艇穿越北極點、在大洋上發(fā)射衛(wèi)星、長時間潛伏深海;3、衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機、外太空試驗平臺都搭載慣導系統(tǒng);4、戰(zhàn)斗機、導彈、智能炮彈、火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、無人戰(zhàn)車、無人機、游戲手柄、安全氣囊、游戲機、計步器、航模等等;請?zhí)釂?二陀螺儀簡介 二陀螺儀簡介1.什么是陀螺儀2.陀螺儀的特性3.常用陀螺儀的指標及其意義4.常見陀螺儀的種類及特點什么是陀螺儀廣義:凡是繞定點轉(zhuǎn)動的剛體都可稱為陀螺儀(陀螺效應不明顯;狹義:只有高速旋轉(zhuǎn)的對稱剛體,其自轉(zhuǎn)軸能在空

7、間改變所指方向的才能稱為實用的陀螺儀; 雙自由度陀螺儀陀螺儀自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間指向不變的特性稱為陀螺的定軸性。視運動 在二自由度陀螺儀上施加力矩,會引起陀螺動量矩矢量相對慣性空間轉(zhuǎn)動的特性稱為陀螺儀的進動性。 陀螺儀主要技術(shù)指標概述輸入范圍零偏(零位零偏穩(wěn)定性零偏重復性(逐次、逐日、隔日.比例因子比例因子線性度比例因子重復性(逐次、逐日、隔日比例因子對稱度角度隨機游走啟動時間非正交性帶寬零位溫度系數(shù)比例因子溫度系數(shù)陀螺儀指標:輸入范圍輸入極限之間的范圍。輸入范圍:-300deg/s300deg/s、-200deg/h300deg/h最大輸入值:300deg/s陀螺儀指標:零偏陀螺儀中輸入速率為

8、零時陀螺儀的輸出量。因為輸出量不同,通常用等效的輸入速率表示。同一型號的產(chǎn)品,零偏越小越好;不同型號的產(chǎn)品,并不是零偏越小越好;零偏:14.9deg/h05001000150020002500300051015202530sd e g /hThe Bias is14.9027deg/h.The Bias repeatability is8.537deg/h在同樣的條件下及規(guī)定間隔內(nèi)重復測量的偏值之間的一致程度。以各次測得的偏值的標準偏差表示。逐次重復性、逐日重復性、隔日重復性、零偏與零偏重復性根據(jù)不同應用目的綜合考慮。零偏重復性:9.38deg/h(1對所有陀螺越小越好(評價補償零位的難易程度

9、。05101520253051015202530timesd e g /hThe Bias is15.3232deg/h.The Bias repeatability is9.3826deg/h當輸入為零時輸出量繞其均值的離散程度。以規(guī)定時間內(nèi)輸出量的標準偏差相應的等效輸入表示。零偏穩(wěn)定性:8.54deg/h(114.90-8.5414.90+8.54主要針對速率陀螺。對所有陀螺越小越好(評價陀螺精度的一個重要指標。05001000150020002500300051015202530sd e g /hThe Bias is14.9027deg/h.The Bias repeatability

10、 is8.537deg/h陀螺儀指標:零位漂移陀螺儀輸出量相對理想輸出量的偏差的時間變化率。它包含隨機性的和系統(tǒng)性的兩種分量,并用單位時間內(nèi)相對慣性空間的相應輸入角位移表示。零位漂移:0.030deg/s主要針對積分陀螺。05001000150020002500300020406080100120sd e gThe drift is0.030005deg/s陀螺儀指標:比例因子輸出的變化與要測量的輸入變化的比值。比例因子:0.0833V/deg/s單位也可以為其他,如“/P 、mA/deg/s ,具體單位根據(jù)陀螺儀的輸出方式。-60-40-200204060-5-4-3-2-1012345de

11、g/sVThe Scale Factor is0.083333V/deg/s陀螺儀指標:比例因子穩(wěn)定性同一測試條件下標度因數(shù)在規(guī)定時間內(nèi)的變化量值。通常用在規(guī)定時間內(nèi)多次測試所得標度因數(shù)的標準偏差與其平均值之比的百分數(shù)表示。比例因子穩(wěn)定性:0.1%、0.0005%、5ppm在輸入角速度范圍內(nèi),陀螺儀輸出量相對于最小二乘法擬合直線的最大偏差值與最大輸出量之比。比例因子非線性度:0.1%、0.0005%、5ppm比例因子非線性度:H/S正輸入和負輸入兩種情況下測得的標度因數(shù)之間的差別。用分別測得的標度因數(shù)與在整個輸入量程上測得的標度因數(shù)之差的百分數(shù)表示。標度因數(shù)不對稱性意味著輸入一輸出函數(shù)的斜率在

12、零輸入時中斷。比例因子不對稱度:5ppm 比例因子不對稱度:%100-+K K K K+K-Kdeg/sV陀螺儀指標:啟動時間慣性敏感器從最初供以能量到產(chǎn)生規(guī)定的有用輸出(雖然不一定完全符合規(guī)定性能的精度的時間。啟動時間:2s、2min不同類型的陀螺儀啟動時間相差很大。陀螺儀指標:角度隨機游走陀螺儀中由角速率中的白噪聲產(chǎn)生的隨時間累積的漂移角。角度隨機游走:5deg/h1/2陀螺儀的重要指標。陀螺儀指標:帶寬陀螺儀頻率特性測試中,規(guī)定在測得的幅頻特性中幅值降低3dB所對應的頻率范圍。帶寬:100Hz可以通過犧牲陀螺儀帶寬的方式提高陀螺儀的精度。陀螺儀指標:零偏溫度系數(shù)由于溫度變化引起的偏值變化

13、量與溫度變化量之比。零偏溫度系數(shù):-0.0017deg/h/-40-30-20-1001044.24.44.64.85o Cd e g /h The Bias Temperature Factor is-0.016776deg/h/o C溫度系數(shù)可能為正,也可能為負;溫度系數(shù)是非線性的,需要擬合;例 請?zhí)釂?三常見陀螺儀類型 常見陀螺儀類型液浮陀螺儀氣浮陀螺儀靜電陀螺儀撓性陀螺儀動力調(diào)諧陀螺儀諧振式陀螺儀激光陀螺儀光纖陀螺儀MEMS陀螺儀液浮陀螺儀陀螺馬達安裝在一個圓柱形的浮筒內(nèi),浮筒再裝在一個圓柱形的殼體內(nèi)。在浮筒與殼體之間的間隙內(nèi)充滿了浮液。浮液的密度與浮筒的密度相等,浮筒的重力基本上被浮

14、力平衡。0.20.3deg/h摩擦力小導致漂移小帶寬低主要應用于艦船、衛(wèi)星動壓軸承是靠陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時,在軸徑和軸承之間的間隙內(nèi)產(chǎn)生具有一定剛度的氣膜,使軸頸和陀螺轉(zhuǎn)子懸浮起來,如右圖所示。0.01deg/h不轉(zhuǎn)動時軸與軸承之間接觸;靜壓軸承靠陀螺儀外部的專門氣源將具有一定壓強的氣體通過進氣口輸送到軸承內(nèi),使軸懸浮起來,他的出氣口在軸承端部。不論陀螺軸轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn),軸都不與軸承接觸0.01deg/h靜電陀螺儀靜電陀螺儀靠強電場所產(chǎn)生的靜電吸力使球星轉(zhuǎn)子懸浮起來。精度最高的陀螺儀0.0000001deg/h撓性陀螺儀電動機的轉(zhuǎn)動通過驅(qū)動軸和很細的軸頸帶動陀螺轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動。由于軸頸很細,容易撓曲,所以陀螺轉(zhuǎn)子可繞水平軸線自由擺動。已逐漸淘汰<0.01deg/h動力調(diào)諧陀螺陀螺儀有兩對互相垂直的內(nèi)外扭桿與平衡環(huán)組成的撓性街頭。正確設(shè)計撓性街頭的參數(shù)和陀螺