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1、静电陀螺概述,框架陀螺：精度追求、三浮 结构复杂，成本高昂 静电陀螺(Electrostatic Gyro)：较彻底的支承革新,球形转子; 电极球腔 静电悬浮; 超高真空 静电陀螺优点： 精度高，真正的自由转子 结构简单，可靠性高 应用：战略武器、火箭 缺点：工艺复杂,1,静电陀螺,发展概况,发展阶段,1952年提出 1970s初期0.01（0/h） 1970s中期0.0001（0/h） 1970s末期进入实用 1995年0.00001（0/h） 04年斯坦福大学10-11（0/h）,主要研制机构： 1950s后期，美国Honeywell和Autonetics开始研制,从 1960s 末到 1
2、980s，法国、英国、前苏联、中国也相继展开静电陀螺的研制,2,静电陀螺,结构组成：总述,球形转子 陶瓷球腔 凹形球面电极,高电压/小间隙/强电场/悬浮/控制回路稳定,驱动线圈：转子起旋 定中线圈：转子轴对准 钛离子泵：抽真空 光电传感 ：读取角度,3,静电陀螺,结构组成：球形转子,两种类型：空心球和实心球 材料：铍（密度小、刚度大） 制造工艺： 空心球：两个薄壁半球配合而成,外径：3850mm 壁厚：0.40.5mm 赤道处加厚,实心球：钽丝嵌入铍棒 让质心偏离球心,两种类型比较： 直径、静电支承力 变形、转速,4,静电陀螺,结构组成：壳体、电极、驱动与定中,壳体：两块陶瓷碗密封连接 电极：
3、碗内壁制成球面电极 内壁研磨，电镀，切割 切割方案：正六、正八面体,5,静电陀螺,平板电极,板间电场强度,板间电容,电场能量,将 W 对 d 求导，得到静电引力公式,球面电极,每块微小面积可看作和平板情形相同,所以合力,支承原理：从平板到球面电极,6,静电陀螺,支承原理：两种球面电极引力公式,对于正六面体电极的每块,静电引力的方向，如图,对于正八面体电极的每块,静电引力的方向，如图,7,静电陀螺,支承原理：稳定性的保证,以正六面体为例，设转子沿 AB 轴朝 A 偏离x 两边引力的变化会进一步把转子吸到 A 的一边 必须改变两边静电引力变化，才能抑制转子的位移。 基本思路：测量位移x，改变两端电
4、压 UA，UB,8,静电陀螺,支承原理：位移导致电极电容改变,转子位移 x：通过测量电极和转子之间电容改变量,转子位于中心时，两个电极和转子间的电容均为,转子向 A 电极移动x，两个电极和转子的间距分别变为 dA = d0 -x dB = d0 +x,电容,类似地,电容改变量 C 和位移 x 成正比，用敏感电桥可以测出,9,静电陀螺,支承原理：位置反馈回路,U = kCC = kx,UA = U0 - kx UB = U0 + kx,转子受到的合力,支承弹簧，K支承刚度,10,静电陀螺,支承原理：承载能力,静电陀螺承载能力(Suspension Capability)：根据 UA = U0 -
5、 U UB = U0 + U 当U=U0 时，UA= 0，FA= 0，UB = 2U0，最大支承力：,所以又可写成 Fm = 4F0,静电陀螺的承载能力,11,静电陀螺,角度读取概述,角度读取 壳体相对转子极轴的转角,读取范围分类 小角度、大角度 读取方式分类 光电法、质量不平衡调制法(Imbalanced Mass Modulation),12,静电陀螺,光电读取法：刻线区和光电传感器,光电读取法：借助光电传感器扫描转子上的刻线,刻线区： 极轴处和倾斜处 光电传感器：（两个） 测量原理： 起始零位：极轴传感器输出恒值信号，倾斜传感器输出脉冲,13,静电陀螺,光电读取法：光轴偏离产生周期信号,
6、当壳体转动，使极轴传感器的光轴向对转子极轴偏离一小角度（比如向右），则在转子绕极周旋转一周的过程中，极轴光电传感器输出周期信号。,14,静电陀螺,质量不平衡调制法：原理,测量范围：大角度 适用类型：实心转子,质心偏于赤道平面 旋转轴通过质心 球心绕质心旋转:偏摆 转子与各电极的间隙发生周期性变化,15,静电陀螺,质量不平衡调制法：原理,在赤道平面内间隙变化最大，沿极轴方向变化最小,间隙调制 = 电容调制 = 电极输出信号被调制,电极旋转角度影响到其输出中的调制信号的强弱 旋转角度大小和方向的判断,正八面体电极支承及其变换,静电陀螺仪的三个基本问题： 一、支承 二、读取 三、精度（误差控制）,16,静电陀螺,静电陀螺误差源分析,17,静电陀螺,