动力调谐陀螺仪概要
动力调谐陀螺仪一体式挠性支承关键技术研究
第２章动力调谐陀螺仪原理及误差分析点，并选定Ｘ，ｙ，Ｚ三个坐标轴建立的坐标系Ｏｘｙｚ成为参考坐标系（简称参考系）。
质点Ｐ的位置即由（ｘ，Ｙ，ｚ）确定。
质点Ｐ在该参考系中的位置也可以利用矢量方法来描述，以位置矢量（简称位矢），表示，则有，＝订＋力＋庙（２—２—１）其中，“．，，膏分别表示空间的三个坐标方向上的单位矢量，称为坐标基矢。
通常把相对于观察者静止的参考系称为定参考系或静参考系，把相对于观察者运动的参考系称为动参考系，惯性定律（牛顿第一定律）成立的参考系称为惯性参考系，简称惯性系。
由于惯性定律指出：不受外力或所受外力的合力为零的物体将保持静止或作匀速直线运动，因此，通常把静止或保持匀速直线运动的参考系称为惯性系ａ必须指出，图２．１质点的位置矢量静止是一个相对概念，因为绝对静止的物体是不存在的。
２．２．２相对运动及科里奥利加速度物体相对于动参考系的运动称为相对运动，物体相对于静参考系的运动称为绝对运动，动参考系置。
相对于静参考系Ｋ的运动称为牵连运动。
动参考系世‘相对于静参考系置作任意方式的运动时，相对运动与绝对运动呈现比较复杂的关系。
即使Ｋ’系的原点Ｄ‘相对于足系静止，相对于ｘ’系静止的物体相对于足系也在作圆周运动，它不但有沿圆周切向的速度，还具有加速度。
假设动参考系足。
相对于静参考系置既有平动，还有绕通过其原点ｏ’的某根转轴转动，角速度矢量为∞，如图２．２所示。
对于某时刻位于空间的Ｐ点，其相对于足系的位矢为，，相对于Ｋ’系的位矢为，’，而丘’系的原点０１相对于芷系的位矢为＾，则，＝Ｌ＋ｒＩ（２—２—２）第２章动力调谐陀螺仪原理及误差分析其中Ｋ系的坐标用（２－２．１）式表示，量‘系的坐标为，’＝ｚ’ｆ’＋ｙ’－，Ｉ＋一詹’（２－２—３）其中，ｉ’，，’，ｋ’分别为动参考系Ｋ‘的坐标基矢。
图２．２动参考系作任意方式的运动ｏ’点在Ｋ系中的坐标为Ｉ＂ｏ＝Ｘｏｉ＋ｙＪ＋ｚｏｋ（２—２—４）在静参考系Ｋ中对时间的微商称为绝对微商，用导表示；在动参考系Ｋ１中对时问的微商称为相对微商，用昙表示。
动力调谐陀螺测井技术及应用
动力调谐陀螺测井技术及应用动力调谐陀螺测井技术及应用,生产一线,蒋伟民约2948字摘要:本文介绍了一种目前国内外先进的陀螺测斜技术及现场应用情况。
该测井技术以动力调谐速率陀螺测量地球自转角速率分量;石英加速计测量地球加速度分量，经计算机计算可得出井筒的倾斜角、方位角、工具面角等参数。
通过对井筒不同深度的测量，即可得出井身轨迹曲线。
此项测井技术可用于井身轨迹复测、钻井定向和侧钻井开窗定向等。
胜利石油管理局现河采油厂应用此项技术进行复杂断块油藏及岩性油藏中井点校正，对于落实层系局部微高，分析油藏剩余油潜力和油水动态分布，挖掘油藏潜力，提高储量动用程度获得了较好的效果。
关键词:动力调谐陀螺;测井技术;应用1、引言在油田开采初期，由于测井技术落后，钻杆在地下的实际运行轨迹并不十分清楚，而且，井上测得的深度并非井的垂直深度，在打到预定“深度”时仍未发现出油，就会得出错误的“此地无油”的结论，造成废井。
另一方面，随着油田开发过程的不断延伸，地质报废和工程报废的油井越来越多，在石油资源日益枯竭的情况下，如何使报废井及老油井焕发出新的活力，同时在新油井开发过程中，如何为钻头走向提供正确的控制信息，提高油井的产出效益比，运用现代测井技术是一种必不可少的手段。
本文介绍的动力调谐陀螺测斜仪就是能在油田生产中起着开窗侧钻、打水平井的一种仪器，该仪器以测量地球自转角速率分量来确定空间某点方位，不受地磁的影响，由此可在井下通过陀螺测量出该开窗的方位，这样可在旧井、老井下按实际油层方向重新开窗，使旧井、老井得到二次开发，大大节省了人力、物力、财力，可应用于有磁性干扰的丛式井组、加密井和存在磁屏蔽的套管、油管、钻杆内进行井眼轨迹测量或定向钻井。
因此，该测井技术的推广应用将对加速石油天然气勘探和开发步伐有着极大的推动作用。
2、测井原理动力调谐陀螺测井技术的核心部件是惯性测量组件，包括一个动力调谐速率陀螺和两个石英加速度计。
动力调谐速率陀螺测量地球自转角速率分量;石英加速度计测量地球重力加速度分量。
动力调谐陀螺仪系统辨识方法
动力调谐陀螺仪系统辨识方法田凌子;李醒飞;赵建远;王亚辉【摘要】针对动力调谐陀螺仪(DTG)系统辨识中,传统辨识方法(最小二乘类辨识法和频域辨识法)辨识拟合度不高的问题,提出去离群点频域辨识法.该方法结合DTG 模型结构特征和固有有色噪声特点,将去离群点思想应用于DTG模型的频域辨识.实验结果表明,去离群点频域辨识法的辨识效果优于最小二乘类辨识法和传统频域辨识法,辨识拟合度在90％以上,并且辨识结果重复性好,辨识算法稳定.在DTG系统辨识中,去离群点频域辨识法能够提高辨识拟合度.【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2014(034)012【总页数】5页(P3641-3645)【关键词】动力调谐陀螺仪;系统辨识;强有色噪声;频域辨识法;最小二乘类辨识法【作者】田凌子;李醒飞;赵建远;王亚辉【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学),天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学),天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学),天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072;精密测试技术及仪器国家重点实验室(天津大学),天津300072【正文语种】中文【中图分类】TP273;U666.120 引言陀螺仪作为惯性导航系统的核心部件，能够为载体提供精确的空间角位置信息［1-2］。
目前，能达到惯性级的中高精度陀螺仪仍多为工作在闭环条件下的机械式陀螺仪［3］，如液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪(Dynamically Tuned Gyroscope，DTG)等。
陀螺仪闭环系统在建立过程中，需要可靠的陀螺模型，以便调整控制器参数，保证整个闭环系统的性能。
传统的陀螺仪建模方法主要是机理建模［4］，然而由于陀螺仪系统结构复杂，机理建模需要忽略掉诸多因素，建模精度不高，也难以针对某个陀螺仪的实际情况进行具体分析，建模不具有普适性［4］。
动力调谐陀螺仪误差分析及补偿技术——陈智民
d.驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的 误差
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二、动调陀螺仪结构误差分析与补偿
a.剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差: 如果陀螺存在剩余刚度和阻尼效应，则当自转 轴与驱动轴之间出现相对角偏移时，就有同相弹 性力矩和正交弹性力矩作用在转子上，使自转轴 进动偏离原来所稳定的方位，极点沿着收敛螺线 返回原点。这种自转轴的方位偏离就是漂移。 补偿技术： 1）尽量减小锥形进动角频率。 2）尽量增大陀螺仪的时间常数。 3）尽量减小自转轴与驱动轴之间的角偏移。
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二、动调陀螺仪结构误差分析与补偿
b.质量不平衡引起的漂移误差： 在实际的仪表结构中，由于加工和装配误差， 不可能绝对精确地保证转子质心和平衡环质心 都位于挠性支承中心上，也不可能绝对精确的 保证内、外挠性轴轴线相交于一点。 补偿技术： 挠性接头制造好了，内外挠性轴轴线偏离的 距离便成定值。为了工艺上调整方便，可以先 绕外挠性轴进行静平衡，然后再通过绕内挠性 轴进行静平衡。在对陀螺仪进行精细的静平衡 以后，质量不平衡漂移系数可以达到很小。
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三、动调陀螺仪应用误差分析与补偿
动力调谐陀螺温度变化引起的误差分析： 温度变化对动力调谐陀螺仪各部分的影响包 括:转子体质心轴向偏移,力矩器力矩系数变化, 动力调谐陀螺仪调谐状态变化,信号器标度因数 变化,风阻力矩变化. 中等精度的动力调谐陀螺 仪所产生的温度漂移是不容忽视的,所以必须采 取措施减小温度变化对陀螺仪性能的影响. 补偿技术： 惯性器件结构设计补偿法是一种减少温度影 响的方法。结构设计补偿方法有力矩器热敏磁 分路补偿法和电路补偿法等。
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四、总结
动力调谐陀螺仪惯导系统中，因载体而产生的 几种误差对导航性能具有很大的影响，如圆锥误差 、挠性陀螺刻度因数非线性、姿态角速率引起的加 表零位变化误差等。这些误差的分析和补偿都是建 立在陀螺仪或系统精确的数学或物理模型（动力学 误差模型，静态误差模型、动态误差模型、运动模 型等）基础上的，所以在此没有讨论。
转(转)陀螺仪的结构原理以及种类简介
（转）陀螺仪的结构原理以及种类简介陀螺仪（Gyroscope）是测定姿态用的一种仪表。
经典陀螺仪具有高速旋转的刚体转子，能够不依赖任何外界信息而测出、等运载体的姿态。
现代，陀螺仪这一名称已推广到没有刚体转子而功能与经典陀螺仪等同的仪表。
发展概况1852年法国科学家J.B.L.傅科制作了一套能显示地球转动的仪器,命名为陀螺仪陀螺仪于1914年开始作为惯性基准构成飞机的电动陀螺稳定装置。
从20年代起，陀螺仪广泛应用于各种运载体（如船舶、飞机等）上，成为各种运载体的自动控制、制导和导航系统中测定姿态、角速度、角加速度、方位的重要元件。
40年代，陀螺仪开始在早期导弹上作为制导系统的姿态基准。
但是直至50年代，陀螺仪在构造原理上改进不大，大体上仍沿袭傅科所制作的陀螺仪，测量精度不高。
50年代以后陆续出现陀螺仪转子的液浮、磁浮、动压气浮、静电悬浮以及挠性支承技术，使陀螺仪的构造得到很大改善，测量精度大大提高。
1975年激光陀螺仪研制成功，它不存在机械摩擦不受重力加速度的影响，承受振动的能力强，在飞机和导弹的惯性导航系统中得到广泛应用。
结构和组成陀螺仪一般由转子、内外环和基座组成（图1[ 陀螺仪结构]）。
通过轴承安装在内环上的转子作高速旋转。
内环通过轴承与外环相连，外环又通过轴承与运动物体（基座）相连。
转子相对于基座具有3个角运动自由度，因有三自由度陀螺仪之称。
但转子实际上只能绕内环轴和外环轴转动，因而近代又称之为双自由度陀螺仪。
它又因转子可自由转向任意方向而被称为自由转子陀螺仪。
陀螺仪的转子一般就是电动机的转子。
为了保证陀螺仪的性能良好，转子的角动量要尽可能大,为此电动机的转子放在定子的外部。
此外,为使转子的转速不变而用同步电机作为陀螺电机。
在控制系统中的陀螺仪应有输出姿态角信号的元件（角度传感器）。
图1 中陀螺仪的两个输出轴（内环轴和外环轴）上均装有这种元件。
为使陀螺仪工作于某种特定状态（如要求陀螺仪保持水平基准），在内环轴和外环轴上应装力矩器，以便对陀螺仪加以约束或修正。
现代导航技术第五章(动力调谐陀螺)
sx
km I y L
x
因此，稳态时转子始终跟随壳体相对惯性空间作同步 转动，施矩电流Iy、Ix的大小和极性可以分别反映出 壳体转动角速度ωx、ωy的大小和方向。所以具有双 轴速率陀螺仪的功能。
பைடு நூலகம்28
§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
二、动力调谐速率陀螺仪的力矩器特性分析 例：设动力调谐速率陀螺仪动量矩L=0.1kg.m2/s。若 测量的最大速率ωmax=400°/s，则要求力矩器给 出的最大力矩为：
M s max Lmax 0.1 (400
180
) 0.64 N m
15
§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
二、动力调谐陀螺的动力调谐机理
• 所谓“动力调谐”，是指挠性接头固有的弹簧刚度恰好精确地 被动力引进的弹簧刚度所抵消，从而消除了挠性支承对转子 的弹性约束。 • 通过调节挠性轴弹簧刚度K、平衡环转动惯量Ie(横向转动惯 量)和Iz（极转动惯量），或者调节转子自转角速度，可满足 动力调谐条件：
19
§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
三、动力调谐陀螺仪的漂移误差
从表现形式来说，漂移误差可以分为以下几类： 1、对g不敏感的零偏： 2、对g敏感的零偏； 3、零均值随机零偏； 4、标度因数误差；
该类陀螺仪对于线加速度、角加速度、振动、磁场、温度 场的变化敏感，会导致测量误差。
20
§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
9
§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
三、动力调谐陀螺仪的结构组成 挠性接头的材料特性：
陀螺寻北仪原理(精度影响因素及技术参数)
式（18）
式（17）
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 -0.4 -0.6
误差/度
60
120
180
240
300
360
方位角/度
图8
仿真条件：纬度为 20 度； 在两个采样周期（3 分钟）内的陀螺 x 轴漂移为+0.05，y 轴漂移+0.05; 俯仰角和横滚角分别为 5； 仿真结果见图 9
225
270
315
360
图6 3．3 纬度误差对寻北精度的影响 仿真条件：纬度为 40 度； 纬度误差为：0.1 俯仰角和横滚角分别为 5； 计算公式（17）式。
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附录：寻北仪主程序框图 GPS 加电
查询导航计算机
发送 GPS 数据 N
Y
寻 北 仪 加
接收 GPS 数据
给陀螺和加速度计发出启动指令
寻北仪自检
接收导航计算机初始参数
接收 GPS 数据 N 寻北开始？ Y
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地理坐标系： 取东为 Xg 轴的正方向， 北为 Y g 轴的正方向， 铅垂轴向上为 Z 轴的正方向， 原点为寻北仪的质心。 陀螺和加速度计的安装方式见图 1 和图 2
动力调谐陀螺仪[实用新型专利]
![动力调谐陀螺仪[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e8eae579c950ad02de80d4d8d15abe23482f032e.png)
(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.02.12C N 203432588U (21)申请号 201320520515.5(22)申请日 2013.08.23G01C 19/02(2006.01)(73)专利权人重庆天箭传感器有限公司地址400060 重庆市南岸区花园路街道金山路158号3单元(72)发明人许吉金 庞宝泉(74)专利代理机构重庆市前沿专利事务所(普通合伙) 50211代理人谭小容(54)实用新型名称动力调谐陀螺仪(57)摘要本实用新型公开了一种动力调谐陀螺仪，包括壳体、陀螺转子、挠性接头、信号器、力矩器、陀螺电机、信号放大器，壳体包括左盖、底座、右盖和右罩，陀螺电机位于底座与右盖之间的空腔内，陀螺电机的驱动轴穿过底座并通过挠性接头与陀螺转子连接，陀螺转子的右端面具有环形槽，信号器和力矩器分别固定在底座上，且信号器位于力矩器的内侧，力矩器的左端伸入到陀螺转子的环形槽内，陀螺转子、挠性接头、信号器与力矩器均位于底座与左盖之间的空腔内，信号放大器位于右盖与右罩之间的空腔内，且信号放大器分别与信号器、力矩器电连接。
将陀螺电机、陀螺转子、信号器、力矩器和信号放大器合理布局，并封装于壳体内，具有体积小，重量轻的优点。
(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书2页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书2页 附图1页(10)授权公告号CN 203432588 U1/1页1.一种动力调谐陀螺仪，包括壳体、陀螺转子(10)、挠性接头(9)、信号器(7)、力矩器(8)、陀螺电机(6)、信号放大器(5)，其特征在于：所述壳体包括从左到右依次连接的左盖(1)、底座(2)、右盖(3)和右罩(4)；所述陀螺电机(6)位于底座(2)与右盖(3)之间的空腔内，所述陀螺电机(6)的驱动轴(6a)穿过底座(2)并通过挠性接头(9)与陀螺转子(10)连接，所述陀螺转子(10)的右端面具有环形槽(10a)，所述信号器(7)和力矩器(8)分别固定在底座(2)上，且信号器(7)位于力矩器(8)的内侧，所述力矩器(8)的左端伸入到陀螺转子(10)的环形槽(10a)内，所述陀螺转子(10)、挠性接头(9)、信号器(7)与力矩器(8)均位于底座(2)与左盖(1)之间的空腔内，所述信号放大器(5)位于右盖(3)与右罩(4)之间的空腔内，且信号放大器(5)分别与信号器(7)、力矩器(8)电连接。
陀螺仪概述
4.1 陀螺仪概述鱼雷控制系统的任务是根据战术指标对鱼雷的运动参数加以控制，使其按所要求的规律进行变化。
要实现对精度控制，就需要对鱼雷运动参数进行高精度的完整测量，因此对鱼雷运动参数的测量就成了实现与控制的前提件的作用就是对鱼雷的运动参数进行测量。
通常用航向陀螺测量航向角ψ，用垂直陀螺或摆式加速度计测量水平用单自由度速率陀螺测量，用压力传感器测量深度。
基于惯性敏感元件和实时计算技术的捷联式惯提供包括速度和位置信息在内的完整的鱼雷运动参数，是惯性技术在鱼雷上应用的新发展。
本章以陀螺仪为主，和惯性导航技术的基本概念，惯性敏感元件和压力传感器的原理，以及这些敏感元件在鱼雷上的应用技术。
4-1 陀螺仪概述所谓陀螺，从力学的角度讲是指绕自己的对称轴高速旋转的对称物体。
一个高速旋转的物体具有很大的角动现出出乎人们预料的，也是十分有趣的运动现象。
这些特性被人们用来感测角运动，则产生了陀螺仪这种装置。
供实用的陀螺仪，人们进行了长期探索，使陀螺仪技术不断发展，应用领域也愈来愈广。
今天，陀螺技术已发展成一个综合性的尖端领域，陀螺仪的精度有了极大的提高，除了传统的框架支承转子出现了许多新型陀螺，如液浮陀螺、静电陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。
以陀螺为核心的稳定平台和迅速广泛应用。
鱼雷控制是最早实现陀螺仪工程应用的领域之一。
早在1879年，鱼雷发展的初期，俄国科学家阿·什帕科夫用陀螺仪来控制鱼雷运动方向的设想。
但由于当时技术水平的局限，直到1894年才出现了第一种实用的工程方压缩弹簧驱动的陀螺仪，由于能量的限制，这种陀螺仪只能稳定地工作3～。
在发明了气动陀螺仪之后，向控制趋于成熟。
现代鱼雷的大航程、高机动性和精确制导技术的发展给陀螺仪技术提供了一个前景广阔的应用领域。
现代鱼向要用陀螺测量外，制导精度的要求使得必须对鱼雷的横滚和俯仰角加以控制，因此需采用垂直陀螺或加速度计角。
为了改善控制系统的稳定性和动态性能，通常采用了单自由度速率陀螺仪引入角速率反馈。
陀螺仪振动陀螺
陀螺分解图 谐振子振型图 力发生器和传感器分布图
壳体谐振陀螺 振型偏转描述
谐振子分解： 谐振子分解：弹性质量环 激振、弹性变形： 激振、弹性变形： 圆 椭圆 圆 椭圆 长短轴反复交替 四波腹振型 基座转动前后， 基座转动前后，振型相对基座的偏转
振型相对惯性空间的旋转， 振型相对惯性空间的旋转，比基座滞后 了一个角度， 了一个角度，造成振型偏转
ψ = Kφ
或
ψ = K ∫ ω dt
K 标度因数。对于 4 波节振型，K≈0.3 标度因数。 波节振型， ≈
壳体谐振陀螺 振型运动分析
波腹位置的质点： 波腹位置的质点：沿径向振动 波节位置的质点： 波节位置的质点：沿切向振动 其它位置的质点： 其它位置的质点：两种振动合成 设波腹径向振幅 r0 波节处切向振幅 s0 则距波节θ 则距波节θ处：
Delco的三种型号半球谐振陀螺参数 Delco的三种型号半球谐振陀螺参数
其中Tm = 2ms 0Fra bibliotekx mωω n
& Jθ& + cθ& + kθ = Tm cos ω n t
假设音叉对中心轴的转动惯量为 J，阻力系数为 c，扭转刚度为 k，音 ， ， ， 叉绕中心轴的角位移为θ 叉绕中心轴的角位移为θ，可导出动力学方程
引入
得到
2 kJ && + 2ζω θ + ω 2θ = Tm cos ω t & θ 0 0 n J
壳体谐振陀螺
振动陀螺仪， 振动陀螺仪，工作部件是很薄的圆口 壳体， 壳体，基本原理是振型偏转 缘于布里安 1890 年的发现和分析 半球形的玻璃杯绕中心线旋转时， 半球形的玻璃杯绕中心线旋转时， 杯口振动的四波腹图案发生偏转 经分析，该现象源于苛氏效应 经分析， 该发现长期未引起注意，直到 1980年前后才被利用研制壳体谐振 年前后才被利用研制壳体谐振 陀螺仪。 陀螺仪。 核心部分：谐振子（ 核心部分：谐振子（一端约束一 端开口的薄壁壳体）， ），半球形或圆 端开口的薄壁壳体），半球形或圆 柱形
几种新型陀螺简介
几种新型陀螺简介何传五北京控制工程研究所,北京100080摘 要 随着航空航天技术的发展,对惯性测量装置提出了更多的要求。
利用不同原理研制成的陀螺在各种领域均有不同应用。
本文仅就微机械陀螺、半球谐振陀螺、挠性陀螺、光纤陀螺的原理、结构及特性作一简介。
主题词 陀螺仪 3微机械陀螺 3半球谐振陀螺 动力调谐陀螺仪 纤维光学陀螺仪Brief I ntroduction to Several G yrosHe ChuanwuBeijing Institute of C ontrol Engineering,Beijing100080Abstract More and more requirements for the inertial measurement units are presented withdovelopment o f the aerospace technology.Several gyros developed by different concepts are po-ssessed o f different application areas in aerospace.In the paper the operating principle,struc2ture and characteistics only for micromechanical gyro,hemispherical resonator gyro,dynami2cally tuned gyro and fiber2optic gyro are introduced briefly.Subject terms Gyroscope 3Micromechamical gyro 3Hemispherical resonator gyroDynamically tuned gyro Fiber optic gyroscope1 微机械陀螺微机械陀螺是微电子与微机械组结合的微型振动陀螺。
陀螺仪简介及MEMS陀螺仪的误差分析
陀螺仪简介及MEMS陀螺仪的误差分析什么是陀螺仪早在17世纪，在牛顿生活的年代，对于高速旋转刚体的力学问题已经有了比较深入的研究，奠定了机械框架式陀螺仪的理论基础。
1852年，法国物理学家傅科为了验证地球的自转，制造了最早的傅科陀螺仪，并正式提出了“陀螺”这个术语。
但是，由于当时制造工艺水平低，陀螺仪的误差很大，无法观察、验证地球的自转。
到了19世纪末20世纪初，电动机和滚珠轴承的发明，为制造高性能的陀螺仪提供了有力的物质条件。
同时，航海事业的发展推动陀螺仪进入了实用阶段。
在航海事业蓬勃发展的20世纪初期，德国探险家安休茨想乘潜艇到北极去探险，他于1904年制造出世界上第一个航海陀螺罗经，开辟了陀螺仪表在运动物体上指示方位的道路。
与此同时，德国科学家舒勒创造了“舒勒调谐理论”，这成为陀螺罗经和导航仪器的理论基础。
中国是世界文明发达最早的国家之一，在陀螺技术方面，我国也有很多发明创造。
比如在传统杂技艺术中表演的快速旋转的转碟节目，就是利用了高速旋转的刚体具有稳定性的特性。
在将高速旋转的刚体支承起来的万向架的应用方面，西汉末年，就有人创造了与现在万向支架原理完全相同的“卧褥香炉”。
这种香炉能“环转四周而炉体常平，可置被褥中”。
实际上是把这种香炉放在一个镂空的球内，用两个圆环架起来，利用互相垂直的转轴和香炉本身的质量，在球体做任意滚动时，香炉始终保持平稳，而不会倾洒。
随着航空事业的发展，到了20世纪30年代，航空气动陀螺地平仪、方向仪和转弯仪等已经被制造出来了。
在第二次世界大战末期，陀螺仪作为敏感元件被用于导弹的制导系统中。
特别是20世纪60年代以来，随着科学技术的发展，为了满足现代航空、航海特别是宇宙航行的新要求，相继出现了各种新型陀螺仪。
目前，陀螺仪正朝着超高精度、长寿命、小体积和低成本等方向发展。
那么，究竟什么是陀螺仪呢？传统的陀螺仪定义是：对称平衡的高速旋转刚体（指外力作用下没有形变的物体），用专门的悬挂装置支承起来，使旋转的刚体能绕着与自转轴不相重合（或不相平行）的另一条（或两条）轴转动的专门装置。
动力调谐挠性陀螺仪_光纤陀螺仪的测试及分析_侯煜
平衡的滤波效应引起的漂移系数 ; D(x)xx、D(y)yz为陀螺仪 x、y轴上由转子支承
系统 沿 xz、 yz方 向 不 等 弹 性 引 起 的 漂 移 系 数 ; D(x)yz、D(y)xx为陀螺仪 x、y轴上与 g平方有关的 其它漂移系数 ;gx、gy、gz为重力加速度沿陀螺仪 x、 y、z轴上的分量 ;ωx、ωy为陀螺仪壳体分别绕 x、y轴 相对于惯性空间的角 速度 ;Ex、Ey为陀螺仪 x、y轴 上的随机漂移率 。
B(y)2yω2y +B(y)3yωy3 +B(y)yxdωyωx +B(y)2yzωy2 ωz +B(y)2yxdωy2 ωx +ωdy
(3)
式中 , ωDx、ωDy为沿 x、y轴动态误差总的漂移速率 ;B (x)F、B(y)F为与载体角运动速率无关的漂移项 , 它 与剩余刚度 、陀螺仪零位偏角 、陀螺仪时间常数等有 关 ;B(x)x、B(y)y为与载体角速率一次方有关的项 , 它与陀螺仪的跟踪角速率精度及失 调转速有关 ;B (x)y、 B(x)z、B(y)x、B(y)z为 与 载 体 角速 率 一 次方 有关的项 , 它与陀螺仪惯性主轴与壳体间偏离角有 关 ;B(x)xy、B(x)xz、B(y)yx、B(y)yz为与载体角速率 交叉乘积有关的项 , 它与陀螺仪惯性主轴与壳体间 偏离角及力矩器非线性误差有关 ;B(x)2x、B(y)2y、B (x)3x、 B(y)3y、B(x)2xz、B(y)2yz分 别为 与载 体角 速率 平方 、三次方及交叉乘积有关的项 , 它与陀螺仪跟踪 精度 、失调转速等有关 ;B(x)xyd、B(y)yxd、B(x)2xyd、B (y)2yxd分别为与载体角速率 、角加速率交叉乘积有 关的项 , 它与陀螺仪跟踪角加速率精度有关 。 动态 误差模型系数的测定可在双轴或三轴速率模拟台上 进行 。 1.2.2 力矩反馈法漂移测试 力矩反馈法漂移测 试的原理 (见图 2)。 由于地球自转及外干扰力矩 的影响 , 陀螺仪的信号器将产生相应的输出信号 , 该信号经滤波 、 放大 、 解调 、 校正后 , 直流电流信 号输入到陀螺仪相应的力矩器中 , 力矩器便产生与 输入的直流信号相对应的控制力矩 , 与作用于陀螺 仪上的由地球自转产生的陀螺力矩和外干扰力矩平 衡 。测量力矩器的输入电流 , 并根据力矩器的标度 因数 , 扣除地球自转的影响 , 就可求得外加等效力 矩的数值 。
陀螺仪简介.
参考文献
1. 时德钢,刘晔等.光纤传感技术的军事应用.[J] 计算机测量与控, 2002, 10(9): 561-564
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四、光纤陀螺存在的技术问题
光纤陀螺自1976年问世以来，得到了极大的发展。但是，光纤陀 螺在技术上还存在一系列问题，这些问题影响了光纤陀螺的精度 和稳定性，进而限制了其应用的广泛性．主要包括：
(1)温度瞬态的影响。理论上，环形干涉仪中的两个反向传播光路是 等长的，但是这仅在系统不随时间变化时才严格成立。实验证明， 相位误差以及旋转速率测量值的漂移与温度的时间导数成正 比．这是十分有害的，特别是在预热期间。
同的精度，并具有较宽的动态范围； (6)相干光束的传播时间短，因而原理上可瞬间启动，无需预热； (7)可与环形激光陀螺一起使用，构成各种惯导系统的传感器，尤其
是级联式惯导系统的传感器； (8)结构简单、价格低，体积小、重量轻．
光纤陀螺仪
光纤陀螺仪的分类
按工作原理：
干涉型光纤陀螺仪(I—FOG)，即第一代光纤陀螺仪， 目前应用最广泛。它采用多匝光纤圈来增强SAGNAC 效应，一个由多匝单模光纤线圈构成的双光束环形干 涉仪可提供较高的精度，也势必会使整体结构更加复 杂；
(2)高稳定性和抗干扰性。长期的高稳定性也是光纤陀螺的发展方向 之一，能够在恶劣的环境下保持较长时间内的导航精度是惯导系 统对陀螺的要求。比如在高温、强震、强磁场等情况下，光纤陀 螺也必须有足够的精度才能满足用户的要求。
动力调谐挠性陀螺仪_光纤陀螺仪的测试及分析_侯煜
是利用伺服转台作为反馈装置 , 其反馈量是被测陀
螺仪主轴与其 壳体 (转台 基座 )之间的 失协角 度 。
动力调谐陀螺仪采用的伺服法测量漂移的原理 (见
图 3)。
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现代仪器 ()
二〇〇七年 · 第六期
图 3 动力调谐陀螺仪采用的公司伺服 法 测量漂移原理图
+D(y)ygygz +D(y)xgxgz +ωy +Ey
二〇〇七年 · 第六期
综述与专论
ωdx、ωdy为陀螺仪 x、y轴上的总静态漂移率 ;D (x)F、D(y)F为陀螺仪 x、y轴上与 g无关的漂移率 ; 但它与下列因素有关 :由转子零位偏角产生的弹性 约束项 , 电磁干扰力矩 , 沿转子旋转轴同频线振动引 起的整流干扰力矩 , 沿转子旋转轴倍频线振动产生 的整流干扰力 矩 , 倍 频角振 动产生 的整流 力矩 ;D (x)x、D(y)y为陀螺仪 x、y轴上由轴向质量不平衡 引起的漂移系数 ;D(x)y、D(y)x为陀螺仪 x、y轴上 由挠性接头误差而产生的正交不平衡引起的漂移系 数 ;D(x)z、D(y)z为陀螺仪 x、y轴上由径向质量不
动力调谐陀螺仪在进行性能试验以后 , 还需进 行环境试验 。内容包括 :振动试验 、颠振试验 、高温 试验 、低温试验和运输试验等 。
○ 振动试验 用专用工装 , 将陀螺仪主轴以垂直状态固定于 振动台上 , 接通工作电源 , 并工作于闭环状态 , 稳定 后 , 短路采样电阻 。 按专用技术条件使陀螺仪在振 动台上振动 。然后 , 将陀螺仪主轴水平放置 , 重复振 动一次 。振动试验以后 , 按固定位置测试法和 8位
根据试验的设备条件和试验目的的不同 , 漂移 试验方法可以分为两类 :力矩反馈法 , 主要用于产品 的验收试验 ;伺服法 , 主要用于产品的鉴定试验和诊 断试验 。 1.2 漂移试验
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动力调谐陀螺仪的原理结构图
在陀螺壳体上安装了位置中心对称的两 对信号器和两对力矩器，一轴上的电气对 称轴与另一轴上额的电气对称轴相互正交， 是陀螺的测量基准轴，同轴上的力矩器和 信号器的电气对称轴相重合。
转子镶有径向充磁的磁钢，力矩器是绕制在 陶瓷片骨架上圆柱面内的线圈，线圈有效工作段 镶在转子的环形槽内，且与环形槽留有一定的活 动空隙。当线圈通入施矩电流时，在径向磁场的 作用下，转子受到沿转子自转轴方向的电磁作用 力，同轴上的力矩器工作在推挽状态，产生的电 磁作用力对另一轴形成力偶，从而实现对陀螺施 矩。 信号器用来测量转子赤道平面相对壳体基准 面（由电气对称轴确定的平面）的偏转角，同轴 上的信号器输出接成差动形式。
1、优化设计，提高陀螺性能重复性和稳定 性 a、优化设计多种挠性接头，并进行试验验 证，提高了陀螺承载能力和重复性，减小 了陀螺 g 2 误差； b、优化设计磁路，提高了陀螺性能的稳定 性。
2、应用和研制新器件，提高陀螺使用精度 和使用寿命
a、应用轴联轴承，缩小了陀螺体积，提高了轴承 的承载能力、轴系的旋转精度和电机寿命； b、研制混合磁路式永磁力矩器，提高了力矩器磁 路的工作效率，降低了磁路分布的不均匀性，减 小了漏磁率，减小了陀螺常值漂移系数的大小， 提高了逐次稳定性； c、研制永磁磁滞电机，采用磁滞启动，永磁主工 作的工作方式，启动方便，陀螺性能重复性好。
未来发展展望
总结以往经验，参考应用情况，未来应在 下列方面重点发展： 1、研制大动态、高使用精度的动力调谐陀 螺，满足武器装备的需求； 2、研制小尺寸、低成本、中低精度的动力 调谐陀螺，可用到常规武器和石油勘探等 广阔民用领域。
动力调谐陀螺仪的基本原理、 主要特点及应用情况
张小东 2120121057
什么是动力调谐陀螺仪
一种利用挠性支承悬挂陀螺转子，并将 陀螺转子与驱动电机隔开，其挠性支承的 弹簧力矩由平衡环产生的动力效应力矩补 偿的二自由度陀螺。
上图为国产高精度动力调谐陀螺仪HT-A3
基本工作原理
转子通过一对外扭杆与平衡环连接， 平衡环通过一对内扭杆与电机轴连接。内 外扭杆具有很大的抗弯刚度和很小的抗扭 刚度，所以电机的驱动力矩可通过内、外 扭杆传给陀螺，而转子可绕内、外扭杆轴 线转动，在赤道平面内具有两个旋转自由 度，所以动力调谐陀螺是一种双自由度陀 螺仪。
6、满足市场需求，研发新陀螺
为了满足应用市场需要，我国多家科研单位研发了新 的动力调谐陀螺： A、为了满足高精度惯性平台系统要求，开发了某平台型 动力调谐陀螺，其随机漂移 0.003 / h(1 ) ，逐次漂移0.003 / h(1 ) 同步时间小于20s。 B、为了满足小型化、高动态捷联惯性系统要求，研制出 某捷联型动力调谐陀螺，其外形尺寸 23 26，质量60g，随 机漂移 0.5 / h(1 ) ，逐次漂移 0.5 / h(1 ) ，同步时间小于3s。 以上研究均取得了很好的成果，并在多个惯性系统中 得到了成功应用。
目前国内技术与国外的差距
我国动力调谐陀螺虽已发展了30多年， 形成了系列型谱，在许多领域获得了广泛 应用。但与国外同类型高性能陀螺相比还 存在差距。究其原因主要是在材料、工艺 等方面与国外差距较大。表现在技术水平 上，主要表现在以下几个方面：
1、陀螺精度国内比国外相对较低 目前国内动力调谐陀螺随机漂移和逐日 漂移的精度相对较低，国外如美国基尔福 特制导与导航公司的MODⅡ型陀螺连续工 作稳定性为0.001 / h ，逐日漂移 0.004 / h ；德 国利铁夫公司K262陀螺随机漂移为 0.001 / h 。
2、误差补偿国外比国内更精细更全面
如美国基尔福特制导与导航公司的K130A08陀 螺，为了补偿陀螺电机速率变化引起的陀螺标度 因数变化，减少逐日漂移，除采取温度控制、温 度补偿外，还在陀螺转子上设立一个位置标记， 电机每转一周输出一个脉冲，用于补偿误差。法 国测试仪器制造公司GAM1-G系列陀螺亦采用了 陀螺电机转速检测补偿和温度补偿装置。为了提 高陀螺工作寿命和可靠性，英国史密斯工业宇航 与防卫系统有限公司的2000系列和3000系列陀螺， 均采用气体轴承代替滚珠轴承。
应用情况
目前已用于水面、陆上捷联，快速寻北仪、 电视天线跟踪仪，并大量应用于航天捷联惯导系 统中，也可用于高动态运载体的姿态系统； 在钻井领域中，惯性器件的应用比起飞行领 域，在技术上要求更高、产品适应性更强，因为 它的工作条件恶劣、环境温度高，对温度的适应 及寿命要求都是非常苛刻，专为测井的情况下而 设计开发的更高精度的动力调谐陀螺仪，克服了 以上技术难关，其工作温度可达100度。
主要特点
能实现动力调谐，在动力调谐工作状 态下，平衡环扭摆产生的惯性力矩正好平 衡掉扭杆的扭杆弹性变形产生的弹性恢复 力矩，使转子成为自由陀螺； 有平台型和捷联型两大类型； 结构简单、体积小、重量轻、功耗少、 起动快、成本低、寿命长、抗冲击能力强、 精度高、适合于批量生产等；
国内发展现状
3、完善工艺，提高陀螺质量和可靠性
a、改进挠性接头、磁钢等材料的热处理工艺和加工工艺； b、创新编制陀螺传感器梯度控制工艺，有效控制传感器 梯度； c、优化陀螺装配和调试流程； d、采用独特的零部件清洗、除气、存储及老化工艺，提 高陀螺质量和可靠性； e、研究一套电机轴承测试和装配方法，大大减小陀螺自 振； f、探索一套陀螺振动测试方法和指标，为系统选配陀螺 提供依据。
4、开展温控和补偿研究，减小陀螺漂环境，大大缩短高 精度陀螺准备时间； b、深入开展温度场、温度控制和标定补偿研究， 有效减小由温度引起的温度漂移。
5、建设基础平台，确保陀螺质量
a、配置电机、轴承装配和检测的多种专用设备； b、建设传感器、力矩器实验室，可测试传感器线 性度、传感器梯度、力矩器刻度系数的温度系数 和磁场的不均匀性； c、配备陀螺调试所需的各种专用设备。