第三章 测量与传感器

3.2 惯性量的测量

飞行器的运动：质心的线性运动、绕机体三个轴的角运动（绕质心的运动）；

加速度传感器：线加速度传感器、角加速度传感器。

3.2.1 线加速度传感器

线加速度传感器的作用：用来测量飞行器质心的线加速度。

线加速度传感器的结构与工作原理：

（1）简单线加速度传感器的结构：弹簧、弹簧所支撑的可动质量块、电位计式信号变换器和阻尼器。

工作原理：将线加速度传感器安装在飞行器质心处，可移动质量块可以感受飞行器质心的线加速度。当飞行器做等加速度运动时，敏感质量块的惯性力与弹簧力大小相等，方向相反，从而使质量块处于平衡位置，信号转换器将输出相应的电压，电压值的大小就表示加速度的大小。

简单线加速度传感器的构造简单、价格较低，广泛应用于增稳、控制增稳和电传操纵系统以及自动驾驶仪中。但简单线加速度传感器具有电刷与电位计的摩擦力较大这一缺点，而且质量块容易受到振动的影响，线性特性较差，灵敏度较低，难以满足高精度的要求。

（2）浮子摆式加速度传感器

结构：浮子摆组合件、力矩器、信号传感器、放大器、和充满黏性液体的密封壳组成。其中浮子摆组合件由单摆、浮筒、信号传感器的转子和力矩器的转子构成。浮筒两端伸出的小轴由安装在壳体上的宝石轴支撑，其两端的力矩器和传感器都是“无接触式”的。浮筒中的单摆响度昂与简单线加速度传感器的活动质量块，其工作原理与简单线加速度传感器的相同，只是具体参数不同。

（3）挠性摆式力矩反馈加速度传感器

结构：由挠性支撑、摆组件、角位移传感器、力矩器及反馈电子组件（放大器和校正网络）组成。

工作原理：当沿加速度输入轴方向有加速度a输入时，摆组件的质量m将产生惯性力，该惯性力的方向与加速度的方向相反，并对挠性轴产生惯性力矩，使摆组件绕输出轴转动，产生角位移。角位移传感器将该角度位移转变成电信号，并经过放大，解调，校正，变为直流信号输出。

3.2.2 陀螺仪

陀螺仪的作用：测量飞行器的姿态角、航向角和角速度等飞行参数。

1. 按工作原理分类：

经典力学为基础的陀螺仪：刚体转子陀螺仪、流体转子陀螺仪、振动陀螺仪等

非经典力学为基础的陀螺仪：激光陀螺仪、光导纤维陀螺仪、压电晶体陀螺仪、粒子陀螺仪、核子共振陀螺仪

2. 按年代分类：

第一代陀螺仪：刚体转子陀螺仪

第二代陀螺仪：液浮陀螺、气浮陀螺和挠性陀螺

第三代陀螺仪：激光陀螺仪、干涉式光纤陀螺仪

3. 按用途分类：航空陀螺仪、航海陀螺仪、导弹和卫星用陀螺仪和汽车铁路等民用部门使用陀螺仪。

4. 按高速转子的支撑结构来分类：框架式陀螺、液浮陀螺、气浮陀螺、挠性陀螺等。

5. 按构成陀螺的物理特性分类：机电陀螺、极光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺、核磁共振陀螺、超导陀螺。

6. 陀螺仪的工作原理

（1）二自由度陀螺仪的结构组成：转子借助自转轴上的一对轴承安装在内环（又称内框架）中，内环借助外环轴（又称外框架轴）上的一对轴承安装在基座上。由内环和外环组成的框架装置也常叫作万向支架。在这种框架式二自由度陀螺仪中，自转轴与内环轴垂直且相交，内环轴与外环轴垂直且相交；当这三根轴线相交于一点时，该交点叫作万向交点，它实际上就是陀螺仪的支撑中心。转子由电动或气动装置驱动绕自转轴高速旋转，转子连同内环可绕内环轴转动，转子连同内环和外环又可绕外环轴转动。对转子而言，具有绕其自转轴、内转轴和外框轴这三根轴的三个转动自由度，所以有的书籍又称该类陀螺为三自由度陀螺。而对自转轴而言，仅具有绕内环轴和外环轴两根轴的两个转动自由度。陀螺仪框架上的支撑，采用的是滚珠轴承。采用滚珠轴承的框架式陀螺仪俗称常规陀螺仪，目前，在航空领域的许多场合中仍然被广泛使用。

（2）二自由度陀螺仪特性：

陀螺仪的进动性：当二自由度陀螺仪受外力矩M作用时，若外力矩绕内环轴作用，则陀螺仪绕外环轴转动；若外力矩绕外环轴作用，则陀螺仪绕内环轴转动，陀螺仪的转动方向与外力矩的作用方向不一致，具有相垂直的特性，称为陀螺仪的进动性。进动性亦是二自由度陀螺仪的一个基本特性。为了与一般刚体转动相区分，把陀螺仪的这种绕着与外力矩方向相垂直的方向的转动称为进动，转动角速度称为进动角速度，进动所绕的轴称为进动轴。

陀螺力矩：由牛顿第三定律可知，有作用力（或力矩），必有反作用力（或反作用力矩），两者大小相等，方向相反，且分别作用在两个不同的物体上，当外界对陀螺仪施加力矩使它进动时，陀螺仪也必然存在反作用力矩，其大小与外力矩的大小相等，方向与外力矩的方向相反，并且作用在给陀螺仪施加力矩的物体上，陀螺仪进动的反作用力矩通常简称为“陀螺力矩”。

陀螺仪的定轴性：二自由度陀螺仪的转子绕自转轴高速旋转即具有角动量L时，如果不受外力矩作用，则将力图保持其自转轴相对于惯性空间方位稳定的特性，称为陀螺仪的稳定性，也常称为定轴性。稳定性或定轴性是二自由度陀螺仪的一个基本特性，飞机姿态的测量就是利用二自由度陀螺的这一基本特征。

如果陀螺仪不受任何外力矩作用，则根据角动量定理有dL/dt=0，因此L为常数，这时陀螺角动量L在惯性空间中既无大小的改变，也无方向的改变，自转轴相对于惯性空间处于原来给定的方位上。而且，不管安装陀螺仪的基座如何转动，自转轴相对于惯性空间仍然处于原来给定的方位上。

在干扰力矩作用下，陀螺仪将产生进动，使自转轴相对于惯性空间偏离原来给定的方位。在干扰力矩作用下，陀螺自转轴的方位偏离，称为陀螺漂移或简称漂移。陀螺漂移的主要形式是进动漂移。在干扰力矩作用下的陀螺进动角速度即为漂移角速度，进动的方向即为漂移的方向。

在干扰力矩作用下，陀螺仪以进动的形式做缓慢漂移，这是陀螺仪稳定性的一种表现。陀螺角动量越大，则漂移越缓慢，陀螺仪的稳定性就越高。

如果陀螺仪的漂移率足够小，例如达到0.1（°/h）或更小的量级，则陀螺自转轴相对于惯性空间的方位变化很微小；与地球自转所引起的地球相对于惯性空间的方位变化相比，可近似认为陀螺自转轴相对于惯性空间的方位是不变化的。

由于陀螺自转轴相对于惯性空间保持稳定，而地球以其自转角速度绕地轴相对于惯性空间转动，所以，观察者若以地球作为参考基准，将会看到陀螺仪相对于地球的转动，这种相对运动叫作陀螺仪的“表观运动”。

例如，在地球北极处放置一个高精度的陀螺仪，并使其外环轴处于竖直位置，自转轴处于水平位置，这时俯视陀螺仪将会看到：陀螺自转轴在水平面内相对于地球做顺时针转动，每24小时转动1周。

7. 现代陀螺仪的工作原理

3.2.2 陀螺仪的应用

1. 单自由度陀螺仪的应用：

（1）角速度的测量：单自由度速率陀螺仪用来测量飞行器绕各机体轴转动的角速度，可作为指示仪表，例如显示飞机转弯速度的转弯仪；也可作为角速度传感器，输出与角速度成比例的电信号，送到需要角速度信息的地方。

转弯仪是一种单自由度速率陀螺仪。它用来指示飞机转弯（或盘旋）的方向，并粗略反映飞机转弯的快慢程度。

在飞行器自动驾驶仪中常引入机体轴角速度信号，速率陀螺仪可提供飞行控制系统中的微分信号，提高系统阻尼，改善系统的动态性能。

（2）稳定陀螺平台的敏感元件：随着惯性导航和惯性制导系统的迅速发展及其在各种飞机、导弹和舰船上的大量应用，作为平台式惯性导航系统核心部件——陀螺稳定平台敏感元件的角速率陀螺也得到了广泛应用。

在单自由度陀螺仪的基础上增设阻尼器和角度传感器，并取消弹性元件便构成速率积分陀螺仪。实际的速率积分陀螺仪均为液浮结构。液浮式速率积分陀螺仪由于具有很高的灵敏度，所以陀螺稳定平台一般多采用液浮式速率积分陀螺仪作为敏感元件，并与平台的电子线路和伺服电机等组成闭合回路，以较高的精度使平台稳定在空间方位。单轴陀螺稳定平台由平台、速率积分陀螺仪、放大器、何服电机和减速器等组成。

速率积分陀螺仪的输入轴与平台轴（或称稳定轴）重合或平行安装，伺服电机经减速器可带动平台绕其轴转动，若何服电机采用水磁式力矩电机，则无须减速器，当平台受到某种干扰力矩绕平台轴转动、平台偏离原来的空间方位时，速率积分陀螺仪将感受到这个转动，于是陀螺仪将绕内框轴转动，出现转角，信号传感器输出与该角成比例的电压信号，信号经放大器放大、变换后控制伺服电机，伺服电机产生转矩并经减速器传递到平台上，转矩将克服平台上的干扰力矩，而使平台绕着平台轴相对于惯性空间保持方位稳定，即使平台恢复到初始方位。

2. 二自由度陀螺仪的应用：垂直陀螺仪（或航空地平仪）是测量（或指示）飞行器俯仰角和滚转角的装置。前者作为飞行控制系统的敏感元件输出与姿态角成比例的电信号，为飞行自动控制系统或其他机载特种设备提供姿态信息。后者测量飞行器的姿态角，并作为指示仪表给飞行员提供姿态指示。