惯导陀螺仪的百年历史:从机电陀螺到光电陀螺,谁将成为市场霸主?

目前,在消费类应用市场占比最大的为MEMS陀螺仪,随着人工智能与物联网的发展,成本低、体积小的MEMS陀螺的应用范围将会更加广泛。

  陀螺仪为惯性系统的核心部件,是一种即使无外界参考信号,也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器,其功能是敏感(灵敏感应探测)运动体的角度、角速度和角加速度。

  陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子,转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动,前者称单自由度陀螺仪,后者称二自由度陀螺仪。陀螺仪具有定轴性和进动性,利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。由于光学、微机电等技术被引入了陀螺仪的研制,现在习惯上把能完成陀螺功能的装置统称为陀螺。 


  百年陀螺发展的四大阶段

  自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来,陀螺已有100多年的发展史,发展过程大致分为4个阶段。

  第一阶段是滚珠轴承支承陀螺。

  第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺。

  第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的挠性支承(即允许支承位置有一定变形)的转子陀螺。

  目前陀螺的发展进入第四阶段,即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。 

  陀螺按原理可分为以经典力学为基础的机电式陀螺,和以近代物理学效应为基础的光电类陀螺。机电式陀螺主要包括滚珠轴承支承陀螺、液浮陀螺、气浮陀螺、静电陀螺等转子式陀螺,以及如音叉陀螺、半球谐振陀螺和微机电陀螺(MEMS)等新型振动陀螺。光电类陀螺主要包括激光陀螺、光纤陀螺、原子干涉陀螺、集成光学陀螺等。 

  第一代转子陀螺仪:滚珠轴承支承陀螺

  滚珠轴承陀螺首先应用于V-2导弹,为第一代转子陀螺仪。转子陀螺仪是把高速旋转的刚体转子支承起来,使之获得转动自由度的一种装置。转子轴能在惯性空间保持定轴性,用来测量角位移或角速度。转子陀螺仪的关键技术在于转子的高速旋转和支承方式。而滚珠轴承陀螺利用轴承和滚珠支承转子,由于滚珠轴承存在摩擦力矩大的问题,漂移误差一般在每小时一度到每小时十五度范围内,远远不能满足惯性系统的要求,现已淘汰。


  第二代转子陀螺:液浮、气浮陀螺

  液浮、气浮陀螺为第二代转子陀螺仪,其相对于第一代转子陀螺——滚珠轴承陀螺的主要改进之处为,利用大密度的液体和气体作为支承而非采用机械支承,使内部的陀螺转子摩擦降低。所谓液浮支承是指转子和内环组成的浮筒组件(二自由度陀螺)泡在浮液里,浮液的密度足够大,使得浮力刚好跟浮筒组件的重力相平衡,这样在内环轴上的负荷几乎为零,因而摩擦力矩很小。气浮支承分为静压气浮和动压气浮两种。静压气浮支承是用2到3个大气压的气体送入浮筒和壳体的间隔中,使陀螺浮起。动压气浮支承则是利用转子的高速旋转所产生的气膜使得转子浮起来。


液浮陀螺结构原理图

  液浮陀螺最早是麻省理工学院德雷伯实验室研制的,1973年研制出第三代液浮陀螺,漂移误差为0.000015度/小时,相当于24小时内总漂移为1角秒。利顿公司的G300G型液浮陀螺漂移误差为0.001度/小时,应用于飞机惯导中。气浮、液浮陀螺的优点是精度高、尺寸小,缺点为需要精加工,加工工艺高,成本高。 

  第三代转子陀螺:挠性陀螺

  挠性陀螺为第三代转子陀螺,将挠性加速度计代替液浮摆式加速度计,利用挠性支承悬挂陀螺转子,将陀螺转子与驱动电机隔开,是二自由度的陀螺。


挠性陀螺内部结构

  挠性陀螺于上世纪60年代受飞机的导航需求推动发展迅速,分为平台式和捷联式两大类型。平台式精度达到0.001度/小时,捷联式精度达到0.01度/小时。挠性陀螺结构简单、成本低、体积小、启动快,缺点为挠性支承加工难度大,成品率低,且存在疲劳及稳定性问题,力学误差较大,动态范围小。 

  第四代转子陀螺:静电陀螺、MEMS陀螺、激光陀螺、光纤陀螺

  静电陀螺为第四代转子陀螺,于上世纪70年代研制成功。它利用静电引力使金属球型转子浮起来,这是较为彻底的支承革新,精度高,属于真正的自由度转子陀螺。

  静电陀螺的基本结构是一只金属球形转子加上两只碗形电极壳体,壳体外为陶瓷,内壁上固定6只金属电极,将球形转子放在对称密封壳体内而形成陀螺组件。给电极充电后,沿空间相互垂直三个方向的静电引力的合力,与转子本身的重力和惯性力相抵消,这样金属球形转子就能浮起来。静电悬浮必须在超真空环境下才有可能实现,否则会击穿放电,破坏静电支承力。


静电陀螺结构原理图

  静电陀螺仪工作时,球形转子依靠静电力悬浮在真空电极球腔内高速旋转,旋转主轴相对壳体的转角由非接触式光电传感器等测量。因此,在理想条件下,静电陀螺仪转子不受任何外力矩作用,完全工作在自由状态,其动量矩主轴将保持在惯性空间永远不动。这等于在仪器舱内建造了一颗人工恒星,可作为精密导航与定位的参照物,这正是机电式陀螺仪追求的最高境界。

  静电陀螺在1952年提出,1980年进入实现阶段,1995年达到精度0.00001度/小时,目前斯坦福大学有报告的精度为0.00000000001度/小时。1960年后,美国的霍尼韦尔公司和Autonetics公司开始研制静电陀螺。1960年到1980年,法国、英国、苏联、中国也相继展开静电陀螺的研制。

  静电陀螺具有精度高、结构简单、可靠性高、能全姿态测角等优点,缺点为加工工艺要求高、角度读取复杂、价格昂贵。 

  MEMS陀螺

  MEMS即机械电子系统,是采用纳米技术加工出的新一代微型机电装置,是一种振动式角速率传感器,其基本原理为将一种振动模式激励到另一种振动模式上,其幅度与输入的角度成正比。 

  MEMS陀螺的发展已有十佘年历史,目前常见的结构类型有框架式、音叉式和振动轮式几种。国外主要研制公司有美国Sperry、Draper实验室、通用电器、Watson和德州仪器等。MEMS优点为成本低,体积小,具有广泛的市场,缺点为加工工艺高,且随着MEMS传感器尺寸缩小,传统的检测效应已接近灵敏度极限,限制了高性能MEMS的发展。 


  激光陀螺

  传统的陀螺,无论是早期的滚珠轴承陀螺,还是后来发展起来的液浮陀螺、静电陀螺,都离不开高速旋转的机械转子。高速转子容易产生质量不平衡,容易受到加速度的影响,且需要一定的预热时间,即启动时间较长,这在一些紧急情况下使用很不方便。1960年激光技术出现后,利用光学中的Sagnac效应测量运载体旋转运动的激光陀螺仪得到迅速发展。 

  Sagnac效应简单讲,就是在环形光路中,沿顺、逆时针方向传播的两条光束路程有别。当环形光路相对惯性空间不转动时,顺、逆时针的光程长度相同。当环形光路相对惯性空间有一转动角速度ω时,顺、逆信号传播的时间不一样,存在时延差△t,故顺、逆光程就有差异。其光程差△L正比于转动角速度ω值。测出△L值即可测出角速度ω,即完成角速率敏感功能。 


Sagnac效应产生机理图

  激光陀螺仪具有较大的动态范围和高速率特性,精度高,启动时间短,可靠性高,寿命长。缺点为存在闭锁现象(低于一定低角速率时,不敏感角速度,即无法测量),价格昂贵,体积大。 


  近十几年来,激光陀螺已经发展十分成熟,新型激光陀螺研究(包括一些关于机械抖动激光陀螺和四频差动激光陀螺的技术改进)的主要进展是在激光陀螺的小型化、工程化和新型化等方面。 

  光纤陀螺

  光纤陀螺(FOG)使用与激光陀螺相同的原理,即Sagnac效应测量角度。但与激光陀螺不同的是,光纤陀螺利用一段光纤环代替了原来的光路。光纤可以绕制,其光路比激光陀螺光路大大增加,使得检测灵敏度和分辨率提高了几个数量等级,克服了激光陀螺的闭锁现象。其优点为无运动部件,价格低廉,启动时间短,动态范围宽,为捷联惯导系统传感器,拥有极强竞争力和广泛的市场,缺点为受温度影响较大。 

  从上世纪90年代起,0.1度/小时的中精度干涉型光纤陀螺在美国投入批量生产。德、日等国也研制成功偏置稳定性优于0.01度/小时的光纤陀螺。俄罗斯、英国、中国、韩国、新加坡、意大利、瑞士等国也有相关报道。

  2006年,美国霍尼韦尔公司的高精度光纤陀螺的零偏稳定性达到0.0003度/小时,采用长达4千米的光纤,测量范围12度/秒。同年,Ixspace公司报道了其用于卫星姿态控制的光纤陀螺,短期稳定性达到0.02~0.001度/小时,寿命达到了5~15年。 

  在美国,霍尼韦尔公司是航空和军事领域光学陀螺产品的主要研发机构,从1991年开始批量生产光纤陀螺系统。诺斯罗普·格鲁曼公司在2001年兼并了利顿工业公司,2002年又从Audax集团接收了光纤传感技术公司,是美国最有影响的光纤陀螺及其系统产品的生产企业。美国KVH工业公司的DSP光纤陀螺系列是将KVH公司独家拥有的保偏光纤和光纤元件与集成数字信号处理结合起来,克服了模拟信号处理的限制。

  还有其它一些研究机构,如斯坦福大学和麻省理工大学等,在光学陀螺研发方面居世界前列。日本的JEA、三菱精密仪器、日立电线、住友、松下等公司已批量生产多种级别的光纤陀螺,在干涉型光纤陀螺的实用化,特别是中、低精度等级光纤陀螺的实用化方面走在世界前列,主要用于汽车工业。

  欧洲国家也相当重视光纤陀螺在军事上的应用。法国汤姆逊公司及IXSEA公司、俄罗斯光联公司、英国航空航天公司、德国利铁夫公司等都已开发光纤陀螺产品,并应用于战术导航系统和舰船导航领域。

  国内的中低精度的光纤陀螺也已经工程化和产品化,广泛应用于航空、航天、航海、武器系统和其它工业领域中。 


  结语:

  目前,在消费类应用市场占比最大的为MEMS陀螺仪,随着人工智能与物联网的发展,成本低、体积小的MEMS陀螺的应用范围将会更加广泛。但在国防、航天航空领域和工业设备领域,高性能陀螺仪才是主流,因此,高精度光纤陀螺、激光陀螺和静电陀螺在这些领域也将大有所为。

  本文参考自《惯导系统漫谈》,作者:王伟,经传感器专家网整理发布。

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