现代陀螺技术的发展及应用分析

1现代陀螺技术

带悬浮支撑的机电转子陀螺技术。

机电转子陀螺仪是一种基于经典力学原理的陀螺仪。其原理是利用刚体绕对称轴高速旋转时的稳定性和进动特性来测量角速度和角偏差。

悬浮支撑转子陀螺技术的发展至今已经非常成熟。目前单轴液浮陀螺的精度已经达到0.001/h·h，使用铍材浮子后可以优于0.0005/h，三浮陀螺的精度优于1.5× 10-5/h，据报道第四代三浮陀螺的精度甚至可以达到。动力调谐陀螺技术体积小、重量轻，是转子陀螺技术的一大创新。国外产品的精度可以达到0.001/h·h，而采用真空静电悬浮技术的静电陀螺，其转子上没有接触摩擦，摩擦扰动力矩几乎为零。是目前公认精度最高的转子陀螺，典型精度一般为10-4 ~ 10-5/h。

1.2光学陀螺技术。

1)激光陀螺技术。激光陀螺是一种基于萨格纳克效应的陀螺。其原理是通过测量沿同一圆路径反向传播的两个光波的光程差来测量角速度。1963年，美国Sperry公司首次研制成功环形激光陀螺。1975年，霍尼韦尔研制出机械抖动激光陀螺，采用激光陀螺技术的捷联惯导系统真正进入实用阶段。90年代末，Litton公司研制出无机械抖动的四频差动激光陀螺，精度为0.001/h·h..目前霍尼韦尔最新的GG1389激光陀螺精度已经达到0.00015/h . 2)光纤陀螺技术。光纤陀螺和激光陀螺原理相同，不同的是采用光纤作为激光环路，可以看作是第二代激光陀螺。由于光纤可以缠绕，光纤陀螺的激光环长度比环形激光陀螺大大增加，探测灵敏度和分辨率也提高了几个数量级，有效克服了激光陀螺的锁定问题。FOG 2500是美国诺斯罗普·格鲁曼公司生产的高精度光纤陀螺，其最大动态范围为100 /s，标度因数为0.01弧秒，标度因数稳定性为1ppm，随机游走为0.0006/h，漂移率为0.001/h . 2003年9月，霍尼韦尔公司高性能

1.3 MEMS陀螺技术。

20世纪80年代后期，由于微/纳、微机电系统(MEMS)等技术的引入，基于MEMS的微机械陀螺仪应运而生。微机械陀螺仪是一种基于科里奥利效应的陀螺仪。其原理是利用科里奥利力传递能量，将谐振器的一个振动模式激发到另一个振动模式。后一种振动模式的振幅与输入角速度成正比，通过测量振幅可以测出角速度。

微机械陀螺仪是利用硅微机械加工技术中的深反应离子刻蚀(DRIE)技术制作在单晶硅片上的超小型角度测量器件。目前，国外制造的硅微机械表面振动陀螺仪的补偿精度已达1 ~ 10/h，允许环境温度可达-40 ~ 85℃，能承受外加速度的冲击，已批量应用于战术武器等中低精度领域。综合来看，MEMS陀螺仪目前只是中低精度的范畴，未来精度会越来越高。我国对MEMS的研究始于90年代，目前仍处于基础理论研究阶段。由于技术和精度的限制，产品的性能和稳定性还远远落后于国外。

1.4陀螺新技术。

随着陀螺技术研究的深入，量子陀螺、核磁振动陀螺、超流陀螺、超导陀螺等新型陀螺不断涌现。量子陀螺更有前途。量子陀螺又称原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺仪从测量机理上可以分为原子干涉陀螺仪和原子自旋陀螺仪。其原理类似于光学陀螺，利用同源原子束形成的原子波的干涉，产生类似于光学的萨格纳克效应，通过测量其相位差来测量角速度。其实是用原子波干涉代替光波干涉。由于原子的质量远大于光子的相对质量，在相同的闭环区域下，原子干涉陀螺对旋转的灵敏度比光学陀螺高10个数量级以上。原子自旋陀螺类似于转子陀螺，利用惯性空间中核或电子自旋的动量矩和磁矩的定轴来测量角速度。原子陀螺因其超高精度潜力，有望成为引领未来陀螺升级的主导性战略陀螺。目前，美国已经研制出精度为6× 10-5/h的原子陀螺，并希望研制出速度为5 m/h的超高精度惯性导航系统..

2陀螺技术的应用

2.1机电转子陀螺。

目前，高精度机电陀螺仪(包括液浮陀螺仪和静电陀螺仪)是高精度市场的主导产品。高精度液浮陀螺仪主要用于远程导弹、军用飞机、舰船和潜艇的导航系统，中精度液浮陀螺仪用于平台罗盘、导弹、航天器和卫星，更高精度的三浮陀螺仪用于战略武器和航天领域。比如美国远程战略导弹制导的浮动平台系统中使用的TGG三浮陀螺仪，一直占据着不可动摇的地位。目前，静电陀螺仍是高精度惯性导航系统的首选惯性基准器件，在未来10 ~ 20年内，在高性能惯性导航系统领域不会被取代。在我国，液浮陀螺平台惯性导航系统和动力调谐陀螺四轴平台系统已应用于长征系列运载火箭。

2.2光学陀螺。

光学陀螺具有全固态、无旋转和摩擦部件、寿命长、动态范围大、瞬间启动、结构简单、体积小、重量轻、信息易于数字化等优点，是转子陀螺无法比拟的。因此，光学陀螺逐渐取代转子陀螺，在中高精度应用领域一直占据领先地位，尤其适用于捷联制导系统。国外全固态结构、全数字、低功耗的光纤陀螺发展至今，已经趋于成熟，覆盖了高、中、低精度范围，并广泛应用于各个领域，成为惯性技术领域的主导陀螺仪之一。光纤陀螺在航天器、舰船等高精度应用中正逐渐取代激光陀螺，未来在战略高精度应用中将占据一定份额，进而逐步取代静电陀螺。

近年来，我国光学陀螺技术进步很快，已达到国际先进水平。光纤陀螺和激光陀螺惯性导航器件也已广泛应用于战术制导武器、飞机、舰船、运载火箭、航天器等。新型激光捷联系统，漂移率0.01 ~ 0.02/h，应用于新型战机。漂移率低于0.05°/h的光纤陀螺捷联惯导系统应用于舰船和潜艇。

2.3 MEMS陀螺仪。

MEMS陀螺仪和光学陀螺仪一样，在结构上没有高速旋转的转子，除了具有光学陀螺仪的大部分优点外，体积更小(微米/纳米)，功耗更低，价格更低，应用更广泛。

自20世纪90年代以来，MEMS陀螺仪已被用于军事领域，如超音速战斗机、巡航导弹和无人侦察机。随着微/纳米加工技术的进一步发展，尺寸和精度的进一步提高，MEMS陀螺仪将取代光纤陀螺仪，获得更好的应用前景。微机械陀螺仪具有成本低、体积小、响应快、动态范围大、适应恶劣环境等优点，在汽车制造、数字电子设备、飞行器辅助导航、生物、医疗、工业设备等民用领域将有更广阔的市场，并有望占领整个低端市场。

经过几十年的发展，陀螺技术取得了长足的进步，为航天、航空、航海和武器装备的发展提供了强有力的技术支撑。但由于受材料、微电子器件、精度和微结构加工技术等基础工业水平的制约，现代陀螺制造技术的发展与世界上一些发达国家有明显的差距。今后要不断提高产品的精度、可靠性、环境适应性、产品一致性和参数长期稳定性，特别是要加大陀螺技术基础理论、应用材料、方法和工艺的研究，提高惯性仪表水平。

；