現(xiàn)代陀螺技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用分析論文

　　1 現(xiàn)代陀螺技術(shù)

　　1.1 有懸浮支承的機(jī)電轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)。

　　機(jī)電轉(zhuǎn)子陀螺是基于經(jīng)典力學(xué)原理制成的陀螺儀。其原理是利用繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的剛體具有穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)性的特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度和角偏差的測(cè)量。

　　采用懸浮支撐技術(shù)的轉(zhuǎn)子陀螺發(fā)展至今已十分成熟，目前單軸液浮陀螺精度已達(dá)0.001°/h，采用鈹材料浮子后可優(yōu)于0.0005°/h，三浮陀螺的精度優(yōu)于1.5×10-5°/h，有報(bào)道稱第四代三浮陀螺的精度甚至可達(dá)1.5×10-7°/h。動(dòng)力調(diào)諧陀螺技術(shù)體積小、重量輕，是轉(zhuǎn)子陀螺技術(shù)上的重大革新，國(guó)外產(chǎn)品精度可達(dá)0.001°/h。而采用真空靜電懸浮技術(shù)的靜電陀螺，其轉(zhuǎn)子不存在接觸摩擦，摩擦干擾力矩幾乎趨近于零，是目前公認(rèn)的精度最高的轉(zhuǎn)子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。

　　1.2 光學(xué)陀螺技術(shù)。

　　1) 激光陀螺技術(shù)。激光陀螺是基于薩格納克(Sagnac)效應(yīng)制成的陀螺。其原理是通過測(cè)量?jī)墒�光波沿著同一個(gè)圓周路徑反向而行產(chǎn)生的光程差來實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度測(cè)量。1963 年，美國(guó)Sperry 公司首次成功研制出環(huán)形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出機(jī)械抖動(dòng)偏頻激光陀螺，采用激光陀螺技術(shù)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)真正進(jìn)入了實(shí)用階段。20 世紀(jì)90 年代末期，Litton 公司又研制出了無機(jī)械抖動(dòng)的四頻差動(dòng)激光陀螺，精度可達(dá)0.001°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已達(dá)0.00015°/h。2)光纖陀螺技術(shù)。光纖陀螺與激光陀螺原理相同，不同之處是用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纖可以繞制，因此光纖陀螺的激光回路長(zhǎng)度比環(huán)形激光陀螺大大增加，檢測(cè)靈敏度和分辨率比激光陀螺也提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，有效克服了激光陀螺的閉鎖問題。美國(guó)Northrop Grumman 公司生產(chǎn)的高精度光纖陀螺是FOG 2500，其動(dòng)態(tài)范圍最大值100°/s，標(biāo)度因數(shù)0.01arc sec，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性1ppm，隨機(jī)游走0.0006°/姨h ，漂移率0.001°/h。2003年9月，Honeywell公司的高性能慣性參考系統(tǒng)中所采用的光纖陀螺據(jù)稱是當(dāng)時(shí)能夠產(chǎn)品化、性能最好的光纖陀螺，其角度隨機(jī)游走(ARW)<0.0001°/姨h ，漂移率<0.0003°/h。

　　1.3 微機(jī)械陀螺技術(shù)。

　　20 世紀(jì)80 年代后期，由于微米/納米、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的引入，基于MEMS 工藝的微機(jī)械陀螺應(yīng)運(yùn)而生。微機(jī)械陀螺是基于哥氏效應(yīng)(coriolis)制成的陀螺。其原理是利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞，將諧振器的一種振動(dòng)模式激勵(lì)到另一種振動(dòng)模式，后一種振動(dòng)模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測(cè)量振幅實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測(cè)量。

　　微機(jī)械陀螺是采用硅體微機(jī)械加工技術(shù)中的深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(DRIE)，用化學(xué)蝕刻方法在單晶硅片上制成的超小型測(cè)角裝置。目前國(guó)外制造的硅微機(jī)械面振動(dòng)陀螺經(jīng)補(bǔ)償后精度已達(dá)到1°～10°/h，允許的環(huán)境溫度可達(dá)到-40～85℃，可承受強(qiáng)加速度沖擊，在戰(zhàn)術(shù)武器等中、低精度領(lǐng)域已有批量應(yīng)用。從整體來看，微機(jī)械陀螺目前還僅處在中低精度范疇，今后精度會(huì)越來越高。我國(guó)的MEMS 研究始于20 世紀(jì)90 年代，目前還處于基礎(chǔ)理論研究階段，由于技術(shù)、精度水平的限制，產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性與國(guó)外還有較大差距。

　　1.4 新型陀螺技術(shù)。

　　隨著對(duì)陀螺技術(shù)研究的不斷深入，如量子陀螺、核磁共振陀螺、超流體陀螺、超導(dǎo)陀螺等新型陀螺不斷涌現(xiàn)。比較有前景的是量子陀螺。量子陀螺，也稱原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺從測(cè)量機(jī)理上可分為原子干涉陀螺和原子自旋陀螺。其原理與光學(xué)陀螺類似，是利用同源原子束形成原子波干涉，產(chǎn)生類似光學(xué)的薩格納克效應(yīng)，通過測(cè)量其相位差實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度測(cè)量。實(shí)際上就是利用原子波干涉代替光波干涉。由于原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子的相對(duì)質(zhì)量，閉環(huán)區(qū)域相同的條件下，原子干涉陀螺對(duì)旋轉(zhuǎn)的靈敏度要比光學(xué)陀螺提高10 個(gè)量級(jí)以上。原子自旋陀螺則與轉(zhuǎn)子陀螺類似，是利用原子核或電子自旋的動(dòng)量矩和磁矩在慣性空間具有定軸性來測(cè)量角速度。原子陀螺因其超高的精度潛力，有望成為引領(lǐng)未來陀螺更新?lián)Q代的主導(dǎo)型戰(zhàn)略級(jí)陀螺。目前美國(guó)已開發(fā)出精度達(dá)到6×10-5°/h 的原子陀螺，并希望借此研制出5m/h 的超高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　2 陀螺技術(shù)應(yīng)用

　　2.1 機(jī)電轉(zhuǎn)子陀螺。

　　目前高精度機(jī)電式陀螺(包括液浮陀螺和靜電陀螺)是高精度市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。高精度液浮陀螺主要用于遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、軍用飛機(jī)、艦船和潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)中，中精度液浮陀螺則在平臺(tái)羅經(jīng)、導(dǎo)彈、飛船及衛(wèi)星中得到應(yīng)用，而更高精度的三浮陀螺則應(yīng)用于戰(zhàn)略武器和航天領(lǐng)域，如美國(guó)應(yīng)用在遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈制導(dǎo)浮球平臺(tái)系統(tǒng)中TGG 型三浮陀螺，一直以來就擁有占有不可動(dòng)搖的地位。靜電陀螺目前仍然是高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的首選慣性基準(zhǔn)器件，在今后10～20 年內(nèi)的高性能慣性導(dǎo)航系統(tǒng)領(lǐng)域，高精度靜電陀螺仍不可被取代。在我國(guó)，液浮陀螺平臺(tái)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力調(diào)諧陀螺四軸平臺(tái)系統(tǒng)已相繼應(yīng)用于長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭。

　　2.2 光學(xué)陀螺。

　　光學(xué)陀螺的全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大，瞬時(shí)啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，信息易數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，是轉(zhuǎn)子陀螺所無法比擬的，因而光學(xué)陀螺已逐步替代了轉(zhuǎn)子陀螺，在中高精度的應(yīng)用領(lǐng)域中一直占據(jù)著主導(dǎo)位置，特別適合捷聯(lián)式制導(dǎo)系統(tǒng)使用。國(guó)外全固態(tài)結(jié)構(gòu)、全數(shù)字、低功耗的光纖陀螺至今已趨于成熟，覆蓋了高、中、低精度范圍，在各領(lǐng)域獲得普遍應(yīng)用，成為當(dāng)今慣性技術(shù)領(lǐng)域的主導(dǎo)型陀螺之一。在空間飛行器、艦船等高精度應(yīng)用領(lǐng)域，光纖陀螺正逐步代替激光陀螺，未來在戰(zhàn)略級(jí)高精度應(yīng)用領(lǐng)域也將占有一定的份額，進(jìn)而逐步取代靜電陀螺。

　　近年來，我國(guó)光學(xué)陀螺技術(shù)進(jìn)步很快，目前已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。光纖陀螺、激光陀螺慣導(dǎo)裝置等也已經(jīng)大量應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器、飛機(jī)、艦艇、運(yùn)載火箭、宇宙飛船等。漂移率0.01°～0.02°/h 的新型激光捷聯(lián)系統(tǒng)被應(yīng)用于新型戰(zhàn)機(jī)上;漂移率0.05°/h 以下的光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)應(yīng)用于艦艇、潛艇上。

　　2.3 微機(jī)械陀螺。

　　與光學(xué)陀螺一樣，微機(jī)械陀螺從結(jié)構(gòu)上也沒有了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，除具備光學(xué)陀螺的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)外，尺寸更小(微米/納米級(jí))，功耗更低，價(jià)格低廉，應(yīng)用范圍更加廣泛。

　　自20 世紀(jì)90 年代以來，微機(jī)械陀螺已經(jīng)在超音速戰(zhàn)機(jī)、巡航導(dǎo)彈、無人偵察機(jī)等軍事領(lǐng)域得以運(yùn)用。隨著微米/納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著尺寸和精度的進(jìn)一步改善，微機(jī)械陀螺將取代光纖陀螺，獲得較好的應(yīng)用前景。低成本、體積小、反應(yīng)快，動(dòng)態(tài)范圍大、能適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，使微機(jī)械陀螺將會(huì)在汽車制造、數(shù)碼電子設(shè)備、飛機(jī)輔助導(dǎo)航、生物、醫(yī)療、工業(yè)器械等民用領(lǐng)域具有更為廣闊的市場(chǎng)，有望占領(lǐng)整個(gè)中低端市場(chǎng)。

　　陀螺技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，為航天、航空、航海事業(yè)及武器裝備的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。但受材料、微電子器件、精密及微結(jié)構(gòu)加工工藝等基礎(chǔ)工業(yè)水平的制約，現(xiàn)代陀螺制造技術(shù)的發(fā)展跟國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比有明顯的差距，今后還需在產(chǎn)品的精度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、產(chǎn)品一致性、參數(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面不斷改進(jìn)，尤其要著力加大對(duì)陀螺技術(shù)基礎(chǔ)理論、應(yīng)用材料、方法工藝的研究力度，提高慣性儀表水平。

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