第三章-2 慣性量的測量

第三章

測量與傳感器第二節(jié)慣性量的測量南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院趙賓2010，11線加速度傳感器加速度計用來測量飛機運動的加速度并輸出加速度信號。線加速度傳感器角加速度傳感器角加速度信號可以通過速率陀螺儀與微分電路得到。線加速度傳感器功能裝在飛機質(zhì)心處感受和測量飛機的法向加速度、縱向加速度和側(cè)向加速度。線加速度傳感器簡單式線加速度傳感器線加速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理工作原理：電刷位移=敏感質(zhì)量塊位移-殼體位移得到相應(yīng)傳遞函數(shù)：式中：線加速度傳感器簡單式線加速度傳感器線加速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)穩(wěn)態(tài)時：上式表明，當(dāng)飛機做等加速度運動時，敏感質(zhì)量塊慣性力與彈簧力大小相等，方向相反，從而使質(zhì)量塊處于平衡位置x。輸出電壓：得到：線加速度傳感器的輸出電壓正比于飛機線加速度計，相位差180°單位加速度所產(chǎn)生的相對位移量定義為線加速度傳感器的分辨率：可見，線加速度的分辨率反比于其固有頻率的平方，即彈簧剛度越小，質(zhì)量塊的質(zhì)量越大，線加速度傳感器的分辨率就越高。線加速度傳感器簡單式線加速度傳感器線加速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理優(yōu)點：構(gòu)造簡單，價格低缺點：電刷與電位計的摩擦力較大，線性特性差，靈敏度低為解決上述問題，用力矩系統(tǒng)代替彈簧，增加浮子式阻尼器浮子擺式加速度傳感器線加速度傳感器線加速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理浮子擺式加速度傳感器組成：浮子擺組合件，力矩器，信號傳感器放大器，密封殼體浮子擺組合件---單擺，浮筒，信號傳感器轉(zhuǎn)子和力矩器轉(zhuǎn)子工作原理：與簡單線加速度傳感器相同單擺相當(dāng)于活動質(zhì)量塊線加速度傳感器線加速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理浮子擺式加速度傳感器根據(jù)力矩平衡，得到加速度計傳感器輸出的電壓為：撓性擺式力矩反饋加速度傳感器當(dāng)具有加速度a時，擺組件質(zhì)量m產(chǎn)生慣性力，并對撓性軸產(chǎn)生慣性力矩M=mla。力矩M使擺組件繞輸出軸轉(zhuǎn)動，角位移傳感器將該角度位移轉(zhuǎn)換為電信號，并放大調(diào)解為直流信號輸出。力矩器線圈輸入電流，產(chǎn)生電磁力產(chǎn)生恢復(fù)力矩線加速度傳感器線加速度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理撓性擺式力矩反饋加速度傳感器輸出電流與輸入加速度成正比。優(yōu)點：高精度，高可靠性作為主要的導(dǎo)航級加速度計，在慣性領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀精確測量飛行器的姿態(tài)角、航向角和角速度。以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的陀螺儀---剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀、流體轉(zhuǎn)子陀螺儀和振動陀螺儀以非經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的陀螺儀---激光陀螺儀，光導(dǎo)纖維陀螺儀，壓電晶體陀螺儀，粒子陀螺儀和核子共振陀螺儀剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀仍是學(xué)習(xí)陀螺儀基本理論的基礎(chǔ)高速旋轉(zhuǎn)的物體即為陀螺，為測量運動物體的角位移或角速度，用支架把高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子支撐起來即構(gòu)成陀螺儀---剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀。核心：繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體轉(zhuǎn)子。自轉(zhuǎn)軸相對于基座有一個或者兩個轉(zhuǎn)動自由度：二自由度陀螺單自由度陀螺陀螺儀二自由度陀螺儀基本結(jié)構(gòu)和組成內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成的框架裝置叫做萬向支架。自轉(zhuǎn)軸和內(nèi)環(huán)軸相互垂直且相交，內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸相互垂直且相交。三軸相交于一點---萬向交點。對于自轉(zhuǎn)軸，僅具有繞內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸兩個軸的轉(zhuǎn)動自由度。陀螺儀二自由度陀螺儀特性1）進(jìn)動性二自由度陀螺儀受外力矩作用時，若外力矩繞內(nèi)環(huán)軸作用，則陀螺儀繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。若外力矩繞外環(huán)軸作用，則陀螺儀繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動。陀螺儀二自由度陀螺儀特性陀螺儀的轉(zhuǎn)動方向與外力矩的作用方向相垂直的特性，稱為陀螺儀的進(jìn)動性。---二自由度陀螺的基本特性陀螺進(jìn)動角速度的方向取決于角動量的方向和外力矩的方向。右手定律從角動量L沿最短的路徑握向外力矩M的右手旋進(jìn)方向即為進(jìn)動角速度的方向。陀螺儀二自由度陀螺儀特性進(jìn)動角速度的大小，取決于角動量的大小和外力矩的大小。當(dāng)角動量為一定值時，進(jìn)動角速度與外力矩成正比；當(dāng)外力矩為一定值時，進(jìn)動角速度與角動量成反比。2）陀螺力矩產(chǎn)生機理：Coriolis效應(yīng)外界對陀螺儀施加力矩使其進(jìn)動時，陀螺儀必然存在反作用力矩，大小和外力矩相等，方向與外力矩相反，并且作用在施加力矩的物體上---陀螺力矩陀螺儀二自由度陀螺儀特性角動量沿最短路徑握向進(jìn)動角速度的右手旋進(jìn)方向即為陀螺力矩的方向。陀螺力矩并不作用在轉(zhuǎn)子本身，而是作用在給陀螺儀施加力矩的物體上。陀螺儀二自由度陀螺儀特性3）定軸性二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)即具有動量矩L時，如果不受外力矩作用，將保持其自轉(zhuǎn)軸相對慣性空間方位穩(wěn)定的特性---定軸性利用定軸性可以指示和測量飛機的姿態(tài)角（相對于地垂線或者水平面）在軸承摩擦力矩和不平衡力矩等的影響下，將使陀螺在原始方向出現(xiàn)偏移誤差，稱為陀螺的漂移，從而影響其穩(wěn)定性。主要表現(xiàn)形式是進(jìn)動漂移陀螺儀二自由度陀螺儀特性定軸性---陀螺自轉(zhuǎn)軸相對于慣性空間穩(wěn)定地球繞地軸相對于慣性空間轉(zhuǎn)動若以地球為參考基準(zhǔn)，將會看到陀螺儀相對于地球的轉(zhuǎn)動---表觀運動地球北極處陀螺儀的表觀運動地球赤道處陀螺儀的表觀運動陀螺儀二自由度陀螺儀特性任意緯度陀螺儀的表觀運動欲使陀螺轉(zhuǎn)子方向跟蹤當(dāng)?shù)氐卮咕€或者水平面，必須適當(dāng)?shù)目刂仆勇輧x。陀螺儀單自由度陀螺儀特性單自由度陀螺只有一個框架，相對基座，少了一個轉(zhuǎn)動自由度。當(dāng)基座繞自轉(zhuǎn)軸z軸或框架軸x轉(zhuǎn)動時，框架仍起隔離作用，不會帶動轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)基座繞y軸轉(zhuǎn)動時，陀螺儀沒有轉(zhuǎn)動自由度，強迫陀螺儀繞y軸進(jìn)動的同時，還強迫陀螺儀繞框架軸進(jìn)動并出現(xiàn)進(jìn)動轉(zhuǎn)角，z軸將于y軸重合。單自由度陀螺具有感受繞其輸入軸轉(zhuǎn)動的特性。陀螺儀單自由度陀螺儀工作原理單自由度陀螺可以測量飛機的轉(zhuǎn)動角速度，所以稱為角速度陀螺，也稱速率陀螺?？蚣苁浇撬俣韧勇輝/L軸：內(nèi)環(huán)軸，信號輸出軸z軸：轉(zhuǎn)子軸y軸：測量軸陀螺儀單自由度陀螺儀工作原理框架式角速度陀螺原理：沿OY軸有轉(zhuǎn)速，沿OY軸出現(xiàn)支架力矩ML，在ML

作用下，陀螺動量矩繞OX軸進(jìn)動，進(jìn)動角速度為，角出現(xiàn)后，彈簧產(chǎn)生力矩，方向沿X軸正向。在此力矩作用下，陀螺將繞OY軸正向進(jìn)動，進(jìn)動角速度與同向。當(dāng)時，陀螺達(dá)到平衡。單自由度陀螺儀輸出轉(zhuǎn)角與輸入角速度成比例。陀螺儀陀螺儀的應(yīng)用單自由度陀螺的應(yīng)用1）角速度的測量測量飛機繞各機體軸轉(zhuǎn)動的角速度。轉(zhuǎn)彎儀：指示飛機轉(zhuǎn)彎的方向，并粗略反映飛機轉(zhuǎn)彎的快慢角速度傳感器：提供飛行控制系統(tǒng)的微分信號，提高阻尼，改善動態(tài)性能。2）穩(wěn)定陀螺平臺的敏感元件速率積分陀螺儀的輸入軸與平臺軸重合或者平行安裝，當(dāng)平臺受到干擾繞平臺軸轉(zhuǎn)動，平臺偏離原來方位，速率陀螺儀將感受這個轉(zhuǎn)動，陀螺儀繞內(nèi)框軸轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，信號傳感器輸出與該角成比例的電壓信號，控制伺服電機，電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩傳遞到平臺，克服干擾力矩，使平臺恢復(fù)到初始方位。陀螺儀陀螺儀的應(yīng)用二自由度陀螺的應(yīng)用垂直陀螺儀：測量飛機俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，為自動控制系統(tǒng)提供姿態(tài)角航空地平儀：測量飛機的姿態(tài)角，并作為指示儀表提供姿態(tài)指示縱向安置：外環(huán)軸平行于飛機的縱軸，轉(zhuǎn)子軸與地垂線重合測量原理：俯仰時：內(nèi)環(huán)穩(wěn)定，外環(huán)轉(zhuǎn)過角度即為俯仰角。傾斜時：外環(huán)穩(wěn)定，表殼轉(zhuǎn)過角度即為傾斜角。陀螺儀陀螺儀的應(yīng)用二自由度陀螺的應(yīng)用為準(zhǔn)確測量飛機姿態(tài)，必須保證測量基準(zhǔn)的準(zhǔn)確---始終保持陀螺轉(zhuǎn)子軸與地垂線重合表觀運動+干擾力矩