静电陀螺概述

静电陀螺概述第1页，共17页，2023年，2月20日，星期四发展概况发展阶段

1952年提出1970s初期0.01（0/h）1970s中期0.0001（0/h）1970s末期进入实用1995年0.00001（0/h）04年斯坦福大学10-11（0/h）

主要研制机构：1950s后期，美国Honeywell和Autonetics开始研制

从1960s末到1980s，法国、英国、前苏联、中国也相继展开静电陀螺的研制

第2页，共17页，2023年，2月20日，星期四结构组成：总述球形转子陶瓷球腔凹形球面电极高电压/小间隙/强电场/悬浮/控制回路稳定

驱动线圈：转子起旋定中线圈：转子轴对准钛离子泵：抽真空光电传感：读取角度

第3页，共17页，2023年，2月20日，星期四结构组成：球形转子两种类型：空心球和实心球材料：铍（密度小、刚度大）制造工艺：空心球：两个薄壁半球配合而成

外径：38~50mm壁厚：0.4~0.5mm赤道处加厚实心球：钽丝嵌入铍棒

让质心偏离球心

两种类型比较：直径、静电支承力变形、转速第4页，共17页，2023年，2月20日，星期四结构组成：壳体、电极、驱动与定中壳体：两块陶瓷碗密封连接电极：碗内壁制成球面电极内壁研磨，电镀，切割

切割方案：正六、正八面体

第5页，共17页，2023年，2月20日，星期四平板电极

板间电场强度

板间电容

电场能量

将W对d求导，得到静电引力公式

球面电极

每块微小面积可看作和平板情形相同所以合力

支承原理：从平板到球面电极第6页，共17页，2023年，2月20日，星期四支承原理：两种球面电极引力公式对于正六面体电极的每块静电引力的方向，如图对于正八面体电极的每块静电引力的方向，如图

第7页，共17页，2023年，2月20日，星期四支承原理：稳定性的保证以正六面体为例，设转子沿AB轴朝A偏离Δx两边引力的变化会进一步把转子吸到A的一边必须改变两边静电引力变化，才能抑制转子的位移。基本思路：测量位移Δx，改变两端电压UA，UB

第8页，共17页，2023年，2月20日，星期四支承原理：位移导致电极电容改变转子位移Δx：通过测量电极和转子之间电容改变量转子位于中心时，两个电极和转子间的电容均为转子向A电极移动Δx，两个电极和转子的间距分别变为

dA=d0-ΔxdB=d0+Δx

电容类似地电容改变量ΔC和位移Δx成正比，用敏感电桥可以测出第9页，共17页，2023年，2月20日，星期四支承原理：位置反馈回路△U=kC·△C=k·△xUA=U0

-k·△xUB=U0+k·△x转子受到的合力

支承弹簧，K支承刚度

第10页，共17页，2023年，2月20日，星期四支承原理：承载能力静电陀螺承载能力(SuspensionCapability)：根据

UA=U0-△UUB=U0

+△U当△U=U0时，UA=0，FA=0，UB=2U0，最大支承力：所以又可写成Fm=4F0

静电陀螺的承载能力第11页，共17页，2023年，2月20日，星期四角度读取概述角度读取

壳体相对转子极轴的转角读取范围分类小角度、大角度读取方式分类光电法、质量不平衡调制法(ImbalancedMassModulation)第12页，共17页，2023年，2月20日，星期四光电读取法：刻线区和光电传感器光电读取法：借助光电传感器扫描转子上的刻线

刻线区：极轴处和倾斜处

光电传感器：（两个）测量原理：

起始零位：极轴传感器输出恒值信号，倾斜传感器输出脉冲

第13页，共17页，2023年，2月20日，星期四光电读取法：光轴偏离产生周期信号当壳体转动，使极轴传感器的光轴向对转子极轴偏离一小角度（比如向右），则在转子绕极周旋转一周的过程中，极轴光电传感器输出周期信号。第14页，共17页，2023年，2月20日，星期四质量不平衡调制法：原理测量范围：大角度适用类型：实心转子

质心偏于赤道平面旋转轴通过质心球心绕质心旋转:偏摆转子与各电极的间隙发生周期性变化

第15页，共17页，2023年，2月20日，星期四质量不平衡调制法：原理在赤道平面内间隙变化最大，沿极轴方向变化最小

间隙调制

=>电容调制

=>电极输出信号被调制

电极旋转角度影响到其输出中的调制信号的强弱旋转角度大小和方向的判断

正八面体电极支承及其变换

静电陀螺仪的三个基本问题：一、支承二、读取三、精度（误差控制）

第16页，共17页，2023年，2月20日，星期四静电陀螺误差源分析球加工误差球离心变形球温度变形转子非球形球静平衡误差转子质心轴向位移加速度干扰力矩杂散磁场杂散磁场干扰力矩重力加速度载体加速度振动或冲击转子中心