慣性技術第一章緒論1.1引言1.2慣性器件分類1.3慣性敏感器概述1.4慣性執(zhí)行機構概述1.5我國慣性器件技術發(fā)展1.1引言（1）什么是慣性技術？

慣性技術是慣性器件、慣性測量、慣性導航、慣性穩(wěn)定和慣性制導等技術的統(tǒng)稱。

慣性技術是一門學科，也是一門工程技術！廣泛應用于航空航天領域1.1引言（2）慣性技術的內容

慣性器件

慣性測量

慣性導航

慣性穩(wěn)定

慣性制導1.1引言（3）什么是慣性器件？

慣性器件主要包括慣性敏感器和慣性執(zhí)行機構，慣性敏感器主要是指各種陀螺儀和加速度計。

慣性器件是慣性技術的核心1.1引言（4）《慣性器件原理》課程的主要內容

主要講授慣性技術的基本概念、各種慣性敏感器以及慣性執(zhí)行機構的基本原理、測試標定方法及應用等內容，是在慣性技術及導航技術領域從事研究工作的基礎。第一章緒論1.1引言1.2慣性器件分類1.3慣性敏感器概述1.4慣性執(zhí)行機構概述1.5我國慣性器件技術發(fā)展1.2慣性器件的分類慣性器件

慣性敏感器

慣性執(zhí)行機構陀螺儀加速度計飛輪力矩陀螺框架動量輪第一章緒論1.1引言1.2慣性器件分類1.3慣性敏感器概述1.4慣性執(zhí)行機構概述概述1.5我國慣性器件技術發(fā)展1.3.1陀螺儀概述轉子陀螺振動陀螺光學陀螺陀螺儀

經典力學陀螺

量子力學陀螺

陀螺儀是慣性敏感器的核心，提供慣性空間基準，測量相對慣性空間的角速度。1.3.2轉子陀螺儀

轉子陀螺儀是把高速旋轉的剛體轉子支承起來，使之獲得轉動自由度的一種裝置，它可以用來測量角位移或角速度。17世紀～18世紀牛頓、歐拉等先后指出高速自由剛性轉子具有進動性和定軸性?。?）轉子陀螺儀定義1.3.2轉子陀螺儀

（2）高速旋轉剛體的基本特性定軸性

轉子軸能在慣性空間保持定軸性，可以實現(xiàn)角位移的測量1.3.2轉子陀螺儀1852年，法國科學家傅科首次提出“陀螺儀”概念，并利用其定軸性設計了一種最早的陀螺儀，用于觀察地球自轉現(xiàn)象。

此后50年，未制造實用的陀螺儀制約因素：轉子的高速旋轉和支承方式（3）轉子陀螺的起源1.3.2轉子陀螺儀

1908安體茲利用框架式陀螺儀，研制陀螺羅盤，測量輪船航向（4）轉子陀螺的發(fā)展異步電動機滾珠軸承陀螺儀實用的開端機械軸承支承1.3.2轉子陀螺儀

機械軸承存在摩擦力矩，不可能使陀螺儀達到很高精度。人們采用各種特殊的支承方式來支承轉子，以提高陀螺儀的精度。

試想一下有什么支承方式可以減小摩擦？（4）轉子陀螺的發(fā)展(續(xù))1.3.2轉子陀螺儀

上世紀50年代美國首先研制出慣性級液浮陀螺儀(0.01~0.001o/h)，廣泛用于飛機、艦船、火箭導彈的慣性導航與制導，以后依次出現(xiàn)了采用動壓氣浮支承的氣浮陀螺儀(可達0.001o/h)

、液浮氣浮磁懸浮結合的三浮陀螺儀(1×10-6o/h)

；（4）轉子陀螺的發(fā)展(續(xù))液浮支承動壓氣浮支承1.3.2轉子陀螺儀

上世紀60年代初期，出現(xiàn)了采用撓性支承的細頸式和動力調諧式撓性陀螺儀(0.001o/h)（4）轉子陀螺的發(fā)展(續(xù))結構簡單、成本較低，獲得廣泛應用；細頸式動力調諧式動調陀螺撓性接頭1.3.2轉子陀螺儀

上世紀70年代，研制出采用靜電支承的高精度靜電陀螺儀(優(yōu)于1×10-6

o/h)

，并進入實用階段（4）轉子陀螺的發(fā)展(續(xù))靜電支承此外，還研制了超導磁懸浮陀螺儀（1×10-11o/h）1.3.2轉子陀螺儀（5）國內轉子陀螺的發(fā)展60年代70年代80年代90年代中期在研

2005年1958年未來

液浮陀螺儀動壓氣浮陀螺撓性陀螺儀陀螺種類國內轉子陀螺的研制歷程控制力矩陀螺儀靜電陀螺儀超導磁懸浮陀螺儀北航率先研制哥氏力效應

1832年哥利奧發(fā)現(xiàn)哥氏力效應，是由于相對運動與牽連轉動相互影響形成的。旋轉物體在徑向線速度的作用下就會產生哥氏力，可表示為：

m:質量；V物體相對線速度；轉動物體角速度1.3.3振動陀螺儀

振動陀螺儀是基于哥氏力效應工作的陀螺儀。（1）基本知識

1.3.3振動陀螺儀19世紀末，布萊安利用哥氏效應作了角速度的敏感演示；上世紀50年代，美國開始致力于將這種振動原理應用于對角速度的敏感；美國的斯伯利陀螺公司最早使用振動元件研制出振動陀螺儀。（2）振動陀螺儀的起源與發(fā)展

1.3.3振動陀螺儀振動陀螺儀可分為半球諧振式振動陀螺儀音叉式振動陀螺儀硅微機電MEMS振動陀螺儀（3）振動陀螺儀的分類

1.3.3振動陀螺儀傳感器中的組件振動產生振動速度；與其正交軸向輸入角速度，產生哥氏加速度；哥氏加速度改變振動元件的運動，運動變化量與輸入角速度成正比；通過檢測運動的變化量，實現(xiàn)角速度測量。（4）振動陀螺儀的原理

靜電力激勵半球諧振子諧振，其振動波型如圖（b）；當繞垂直與振動平面有角速度時，產生哥氏加速度；使駐波相對基座轉動，如圖（c），其轉動角度與輸入角速度成正比；測量駐波相對基座的轉角，實現(xiàn)角速度測量。半球諧振陀螺儀（HRG）工作原理圖工作原理1.3.3振動陀螺儀（5）半球諧振陀螺儀

1960年通用汽車公司利用哥氏力效應開發(fā)了一種基于薄壁半球共鳴器的陀螺；上世紀80年代美國的Delco及俄羅斯的Medicon公司分別開發(fā)新型半球共振陀螺；性能與光學陀螺相近，零偏穩(wěn)定性0.01/h；壽命長、斷電可工作；發(fā)展及特點1.3.3振動陀螺儀（5）半球諧振陀螺儀

驅動力激勵兩音叉作相向振動；當基座繞音叉的中心軸轉動時產生哥氏慣性力矩；帶動音叉作扭轉振動，其幅值正比于輸入角速度；檢測扭轉角來實現(xiàn)角速度測量音叉振動陀螺儀的原理石英MEMS音叉振動陀螺儀檢測原理工作原理1.3.3振動陀螺儀（6）音叉振動陀螺儀

優(yōu)點：成本底，體積小、質量輕、功耗低、可與電路集成等MEMS（微機電）技術是集微型精密機械、微電子學、半導體集成電路等技術與一身的世界前沿技術；上世紀80年代，美國Draper開始MEMS陀螺儀，使慣性技術產生了一次新的飛躍；微米量級的特征尺寸，可完成傳統(tǒng)慣性陀螺不能實現(xiàn)的特性，是未來陀螺儀的主要發(fā)展方向之一。1.3.3振動陀螺儀（7）MEMS振動陀螺儀

靜電力矩驅動質量塊繞Y軸作角振動；外界角速度輸入時，陀螺哥氏力矩帶動內框繞X軸作角振動，其幅值正比于輸入角速度。檢測內框繞X軸的角振幅，實現(xiàn)角速度測量。硅MEMS陀螺儀的原理Draper研制世界上首個MEMS陀螺儀（1988）1.3.3振動陀螺儀（7）MEMS振動陀螺儀

角振動輪式振動環(huán)式梳齒線振動式苜蓿葉式諧振輸出式其他硅MEMS陀螺儀1.3.3振動陀螺儀（7）MEMS振動陀螺儀

1.3.4光學陀螺儀1913年法國物理學家薩克奈克發(fā)現(xiàn)Sagnac效應。（1）Sagnac效應

設光程長所包圍的面積為A，裝置旋轉角速度為,則光程差為：通過檢測光程差即可求得角速度1.3.4光學陀螺儀1925年邁克爾森和制造出首個環(huán)形光學陀螺儀。1960激光出現(xiàn)，1963年斯伯里公司演示了世界上第一臺環(huán)形激光器，標志著環(huán)形激光陀螺儀發(fā)展的開始。（2）光學陀螺的發(fā)展激光陀螺工作原理圖

諧振腔需抽真空要求鏡面反射系數(shù)非常高優(yōu)于0.0001°/h1.3.4光學陀螺儀1976年美國猶他大學提出光纖陀螺的概念并首先研制出試驗裝置。上世紀90年代開始精度迅速提高，已達到0.0001°/h。（2）光學陀螺的發(fā)展光纖陀螺工作原理圖檢測沿正反方向傳播的兩束光的相位差敏感角運動。1.3.4光學陀螺儀固態(tài)陀螺精度高動態(tài)范圍大啟動快抗沖擊（2）光學陀螺的特點

美國LITTON公司研制戰(zhàn)略級光纖陀螺精度達10-4/h量級2000年陀螺儀發(fā)展狀況示意圖（美國Draper實驗室）1.3.5慣性敏感器技術發(fā)展(1)慣性敏感器技術的發(fā)展狀況2020年陀螺儀發(fā)展趨勢預測（美國Draper實驗室）

1.3.5慣性敏感器技術發(fā)展(2)慣性敏感器技術發(fā)展趨勢第一章緒論1.1引言1.2慣性器件分類1.3慣性敏感器概述1.4慣性執(zhí)行機構概述概述1.5我國慣性器件技術發(fā)展其中：為輸出力矩，為轉子動量矩；為星體相對于慣性空間的角速度；慣性執(zhí)行機構的工作原理是通過改變執(zhí)行機構轉子動量矩的大小或者方向實現(xiàn)控制力矩輸出。1.4慣性執(zhí)行機構1.4.1慣性執(zhí)行機構原理

慣性執(zhí)行機構與慣性敏感器的區(qū)別利用轉子相對慣性空間的定軸性測量載體姿態(tài)變化動量矩定理：改變轉子的動量矩，利用轉子產生的反作用力矩作為控制力矩慣性敏感器慣性執(zhí)行機構VS1.4.1慣性執(zhí)行機構原理（續(xù)）

1.4慣性執(zhí)行機構慣性執(zhí)行機構反作用飛輪偏置動量輪方向不變，轉速改變轉速不變，方向改變控制力矩陀螺轉速、方向均改變框架動量輪力矩小、精度高力矩大、響應快1.4.2慣性執(zhí)行機構分類

1.4慣性執(zhí)行機構1.4.3慣性執(zhí)行機構的作用

1.4慣性執(zhí)行機構慣性執(zhí)行機構為航天器提供姿態(tài)穩(wěn)定或姿態(tài)機動所需的控制力矩。偏置動量輪控制原理力矩輸出項偏置動量通過飛輪的加/減速產生控制力矩，存在偏置動量1.4.4慣性執(zhí)行機構控制原理

1.4慣性執(zhí)行機構其中：為輸出力矩，為轉子動量矩；為星體相對于慣性空間的角速度；為單位矢量；為轉子轉動慣量反作用飛輪控制原理通過飛輪加/減速產生控制力矩，平均角動量為零1.4.4慣性執(zhí)行機構控制原理(續(xù))1.4慣性執(zhí)行機構其中：為輸出力矩，為星體相對于慣性空間的角速度；為單位矢量；為轉子轉動慣量控制力矩陀螺控制原理力矩輸出項通過改變動量矩方向即框架轉動產生控制力矩1.4.4慣性執(zhí)行機構控制原理(續(xù))1.4慣性執(zhí)行機構其中：為輸出力矩，為轉子動量矩；為星體相對于慣性空間的角速度；為單位矢量。框架動量輪控制原理通過改變轉子動量矩方向和大小產生控制力矩1.4.4慣性執(zhí)行機構控制原理(續(xù))1.4慣性執(zhí)行機構其中：為輸出力矩，為轉子動量矩大小；為轉子轉動角速度大小；為單位矢量；為轉子轉動慣量名稱適用范圍工作特點反作用飛輪中小衛(wèi)星四象限工作，平均角動量近似為零偏置動量輪中小衛(wèi)星單輪提供三軸方向控制力矩框架動量輪中小衛(wèi)星通過改變角動量方向和大小輸出控制力矩控制力矩陀螺中低軌道大型航天器、敏捷衛(wèi)星輸出力矩大、響應快1.4.5各類慣性執(zhí)行機構的比較

1.4慣性執(zhí)行機構北航第五研究室

國內第一個陀螺慣導研究室1.5我國慣性器件技術的發(fā)展“林士鄂法”-求解高次方程的劈因子法(數(shù)學手冊)中國慣性技術奠基人1939年于美國麻省理工學院（MIT）

Draper實驗室獲博士學位，師從Dr.Draper林士鄂創(chuàng)建1958年蘇聯(lián)首批援建的122個項目之一由于當時“兩彈一星”工程慣性制導技術的急需著名科學家錢學森提議1.5我國慣性器件技術的發(fā)展1956年我國第一個航空陀螺慣導專業(yè)1981年我國首批博士點1988年我國首批國家重點學科1997年學科調整更名為精密儀器及機械專業(yè)2001年再次評為國家重點學科

國內高校主要從事慣性技術研究的國家重點學科2007年儀器科學與技術國家一級重點學科（全國排名第2）MEMS陀螺儀60年代70年代80年代90年代中期

我國主要慣性儀表的發(fā)源地人才培養(yǎng)的搖籃(院士、總師、所長)在研

2005年1958年未來

液浮陀螺儀動壓氣浮陀螺撓性陀螺儀光纖陀螺儀陀螺種類超導磁懸浮陀螺儀1.5我國慣性器件技術的發(fā)展北航研制慣性儀表的歷程主要十類陀螺儀七類由北航五研率先研制取得了國內公認的成果半球諧振陀螺控制力矩陀螺儀北航率先研制陀螺北航開展研究的陀螺1.5我國慣性器件技術的發(fā)展高精度光纖陀螺研究進展—九五”至“十五”期間實踐九號實驗一號尖兵九號突破高精度光纖陀螺的技術瓶頸光纖陀螺精度從1°/h0.01°/h的跨越

國際先進，國內領先（國家科技進步獎一項，國防科技進步獎五項）已應用于彈道