速率陀螺儀:分類,發展歷程,技術改進,軸向間隙調整,尼龍環裝配,浮子靜平衡,軸承清

速率陀螺儀，用以直接測定運載器角速率的二自由度陀螺裝置。把均衡陀螺儀的外環固定在運載器上並令內環軸垂直於要測量角速率的軸。當運載器連同外環以角速度繞測量軸旋進時，陀螺力矩將迫使內環連同轉子一起相對運載器旋進。陀螺儀中有彈簧限制這個相對旋進，而內環的旋進角正比於彈簧的變形量。由平衡時的內環旋進角即可求得陀螺力矩和運載器的角速率。積分陀螺儀與速率陀螺儀的不同處只在於用線性阻尼器代替彈簧約束。當運載器作任意變速轉動時，積分陀螺儀的輸出量是繞測量軸的轉角（即角速度的積分）。以上兩種陀螺儀在遠距離測量系統或自動控制、慣性導航平台中使用較多。

基本介紹

中文名：速率陀螺儀
外文名：rate gyroscope
定義：測量物體角速度的陀螺儀表
類型：三類

分類,發展歷程,技術改進,軸向間隙調整,尼龍環裝配,浮子靜平衡,軸承清洗方法,浮子支承技術,最新發展,

分類

測量物體角速度的陀螺儀表。20世紀20年代初，速率陀螺儀首先用作飛機的基本飛行儀表。繼而用來為防空火力控制瞄準器提供前置角數據。速率陀螺儀的用途很廣，它不僅用於飛行器、車輛、火炮控制等方面，在有關角度控制的伺服系統中也常常用它來改善系統的動態品質。在飛行器上，速率陀螺儀能為導航、制導系統提供角速度信號，而更多的是利用它輸出的角速度信號來改善自動駕駛儀的動態品質。

速率陀螺儀的類型很多，最常用的有三類。

①扭桿式速率陀螺儀：當飛行器繞速率陀螺儀的輸入軸有角速度時，開始瞬間速率陀螺儀的殼體迫使轉子跟著轉動，相當於沿輸入軸施加一個外力矩。依據陀螺儀的進動性原理（見陀螺儀），沿速率陀螺儀的輸出軸會產生陀螺力矩使轉子繞輸出軸進動，引起扭桿扭轉,沿輸出軸遂產生一個外加的彈性力矩。同理，在彈性力矩作用下，轉子又將繞輸入軸產生進動，當其進動角速度與飛行器角速度相等時，殼體不再向轉子施加力矩，因而轉子不再繞輸出軸進動，扭桿也不再繼續扭轉。轉子繞輸入軸進動角速度的大小與外加力矩（這裡指彈性力矩）成正比。這時進動角速度與飛行器角速度相等，因而彈性力矩與飛行器角速度成正比。而彈性力矩與扭桿的轉角成比例，所以轉子繞輸出軸的轉角（即角度感測器輸出的信號）與飛行器的角速度成正比。阻尼器用來抑制轉動過程中的振盪。扭桿式速率陀螺儀因結構簡單而廣泛用於飛行器姿態控制；它的缺點是存在輸出時轉子會偏離零位，使輸出產生交叉耦合誤差。輸入角速度越大，這個誤差越大，因而精度不太高。

②反饋式速率陀螺儀：為了彌補扭桿式速率陀螺儀的缺點，可將角度感測元件的輸出信號經放大後反饋到輸出軸上的力矩器中構成迴路,以電彈簧代替扭桿,只要迴路的增益足夠大就能使轉子始終保持在零位附近。流入力矩器的電流正比於輸入角速度，可作為儀表的輸出。

③積分陀螺儀：去掉速率陀螺儀的扭桿(或彈簧)而僅保留阻尼器則成為積分陀螺儀。當飛行器繞積分陀螺儀輸入軸有角速度時，一開始的狀況與速率陀螺儀相同，轉子繞輸出軸進動。阻尼器產生的阻尼力矩又引起轉子繞輸入軸進動。由於阻尼力矩與角速度成比例，轉子繼續繞輸出軸轉動（無扭桿約束），其轉速與飛行器的角速度成正比，因而輸出軸上的角度感測器輸出與飛行器轉角成正比的信號。由於輸入是角速度而輸出是角度信號，故稱為積分陀螺儀。它在慣性導航中得到廣泛套用。

④光纖陀螺儀：主要有干涉型，諧振型和受激布里淵散射型，都是基於Sagnac效應的，即，當一環形光路在慣性空間繞垂直於光路平面的軸轉動時，光路內相向傳播的兩列光將因慣性運動而產生光程差，從而導致兩束相干光波的干涉。光程差對應的位相差與旋轉角速率之間有一定的內在聯繫，通過對干涉光強信號的檢測和解調，即可確定旋轉角速率。

發展歷程

20世紀20年代初，速率陀螺儀首先用作飛機的基本飛行儀表。繼而用來為防空火力控制瞄準器提供前置角數據。速率陀螺儀的用途很廣，它不僅用於飛行器、車輛、火炮控制等方面，在有關角度控制的伺服系統中也常常用它來改善系統的動態品質。在飛行器上，速率陀螺儀能為導航、制導系統提供角速度信號，而更多的是利用它輸出的角速度信號來改善自動駕駛儀的動態品質。

技術改進

速率陀螺儀的一根電纜線斷裂，曾使航天飛行失敗。其可靠性和精度，是慣性器件製造技術的重要內容。速率陀螺儀是一種敏感角速率的單自由度陀螺儀，總裝後的零位精度常常是不易提高的。因而需要提高零位精度和總裝合格率。

速率陀螺儀的零位精度有三項內容：一是零位電壓，指速率陀螺儀輸入角速率為零值時的輸出值；二是回零差指動態前後零位電壓變化量；三是極差，指速率陀螺儀靜態六位置翻滾測試時最大零位電壓與最小零位電壓之差值。這些指標與工藝及結構因素緊密相關。速率陀螺儀製造中，不但零位精度不易達到，生產周期也很長。

北京興華機械廠對速率陀螺儀的總裝工藝技術及零位精度做了如下改進：

軸向間隙調整

速率陀螺儀軸向間隙定量調整，是技術改進的目標。按原調整方法擰好軸承座後，使浮子傾靠於一端軸承。然後，又使浮子傾靠於另一端軸承。浮子的移動量就是速率陀螺儀軸向間隙值。測定移動量，重新調整軸承座，直至達到設計要求。通過軸向間隙調整的專門裝置，採用精密測量儀測出浮子移動量以實現線上計測。但是，精密測量儀是用接觸法計量，容易劃傷被測部位利用萬能工具顯微鏡進行無接觸計量也是可以的，但其計測精度不如電感比較儀高。

尼龍環裝配

為保證兩軸尖同軸度，首先改變裝配順序，尼龍環裝配前就完成浮子上小零件的焊接；其次，尼龍環裝配後進行組合加工，提高尼龍環基準的精度。實際工藝試驗說明，技術改進後的速率陀螺儀零位電壓極差精度有了提高。

浮子靜平衡

速率陀螺儀總裝測試時，發現許多零位精度超差的儀表有一共同的問題一一速率陀螺儀的浮子軸尖多數是劃傷的，而且，浮子複查靜平衡精度時多數不合格。為此，必須提高靜平衡精度，首先分析軸尖劃傷的原因，再複查靜平衡機本身的精度。原來，靜平衡機兩個型塊支承之間的距離不適合浮子的尺寸，支承部分結構又妨礙浮子的安放，所以容易劃傷軸尖。重新調整了型塊支承，又修正了靜平衡機精度。這樣就既不易劃傷軸尖，又達到合格的靜平衡精度。

軸承清洗方法

首先在清洗劑上試驗分析，採用了幾種清洗劑做試驗，進行超音波清洗，對清洗效果進行檢查被清洗的軸承在40倍顯微鏡下作對光檢查，清洗過軸承的清洗劑也要檢查塵埃，只要檢查發現微量多餘物，就應繼續清洗。另外要注意改進軸承清洗環境和裝配環境，避免潔淨的軸承受到再污染。

浮子支承技術

減小浮子支承的摩擦力，是技術改進的目標。浮子支承改進為混合式軸承，軸向支承仍為寶石墊，徑向支承採用一種無內圈、無保持架的微型滾動軸承，它把寶石軸承的滑動摩擦改變為滾動摩擦，大大降低了軸承的摩擦力。同時還降低了軸承對軸尖劃傷的敏感性。

速率陀螺儀