現代陀螺技術的發展及應用分析論文
1 現代陀螺技術
1.1 有懸浮支承的機電轉子陀螺技術。
機電轉子陀螺是基于經典力學原理制成的陀螺儀。其原理是利用繞對稱軸高速旋轉的剛體具有穩定性和進動性的特性來實現對角速度和角偏差的測量。
采用懸浮支撐技術的轉子陀螺發展至今已十分成熟，目前單軸液浮陀螺精度已達0.001°/h，采用鈹材料浮子后可優于0.0005°/h，三浮陀螺的精度優于1.5×10-5°/h，有報道稱第四代三浮陀螺的精度甚至可達1.5×10-7°/h。動力調諧陀螺技術體積小、重量輕，是轉子陀螺技術上的重大革新，國外產品精度可達0.001°/h。而采用真空靜電懸浮技術的靜電陀螺，其轉子不存在接觸摩擦，摩擦干擾力矩幾乎趨近于零，是目前公認的精度最高的轉子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h。
1.2 光學陀螺技術。
1) 激光陀螺技術。激光陀螺是基于薩格納克(Sagnac)效應制成的陀螺。其原理是通過測量兩束光波沿著同一個圓周路徑反向而行產生的光程差來實現對角速度測量。1963 年，美國Sperry 公司首次成功研制出環形激光陀螺。1975 年，Honeywell 公司研制出機械抖動偏頻激光陀螺，采用激光陀螺技術的捷聯慣性導航系統真正進入了實用階段。20 世紀90 年代末期，Litton 公司又研制出了無機械抖動的四頻差動激光陀螺，精度可達0.001°/h。目前Honeywell公司最新型的GG1389 激光陀螺精度已達0.00015°/h。2)光纖陀螺技術。光纖陀螺與激光陀螺原理相同，不同之處是用光纖作為激光回路，可看作是第二代激光陀螺。由于光纖可以繞制，因此光纖陀螺的激光回路長度比環形激光陀螺大大增加，檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺也提高了幾個數量級，有效克服了激光陀螺的閉鎖問題。美國Northrop Grumman 公司生產的高精度光纖陀螺是FOG 2500，其動態范圍最大值100°/s，標度因數0.01arc sec，標度因數穩定性1ppm，隨機游走0.0006°/姨h ，漂移率0.001°/h。2003年9月，Honeywell公司的高性能慣性參考系統中所采用的光纖陀螺據稱是當時能夠產品化、性能最好的光纖陀螺，其角度隨機游走(ARW)<0.0001°/姨h ，漂移率<0.0003°/h。
1.3 微機械陀螺技術。
20 世紀80 年代后期，由于微米/納米、微電子機械系統(MEMS)等技術的引入，基于MEMS 工藝的微機械陀螺應運而生。微機械陀螺是基于哥氏效應(coriolis)制成的陀螺。其原理是利用柯氏力進行能量的傳遞，將諧振器的一種振動模式激勵到另一種振動模式，后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測量振幅實現對角速度的測量。
微機械陀螺是采用硅體微機械加工技術中的深反應離子刻蝕技術(DRIE)，用化學蝕刻方法在單晶硅片上制成的超小型測角裝置。目前國外制造的硅微機械面振動陀螺經補償后精度已達到1°～10°/h，允許的環境溫度可達到-40～85℃，可承受強加速度沖擊，在戰術武器等中、低精度領域已有批量應用。從整體來看，微機械陀螺目前還僅處在中低精度范疇，今后精度會越來越高。我國的MEMS 研究始于20 世紀90 年代，目前還處于基礎理論研究階段，由于技術、精度水平的限制，產品的性能和穩定性與國外還有較大差距。
1.4 新型陀螺技術。
隨著對陀螺技術研究的不斷深入，如量子陀螺、核磁共振陀螺、超流體陀螺、超導陀螺等新型陀螺不斷涌現。比較有前景的是量子陀螺。量子陀螺，也稱原子陀螺，是目前分辨率最高的陀螺。原子陀螺從測量機理上可分為原子干涉陀螺和原子自旋陀螺。其原理與光學陀螺類似，是利用同源原子束形成原子波干涉，產生類似光學的薩格納克效應，通過測量其相位差實現對角速度測量。實際上就是利用原子波干涉代替光波干涉。由于原子質量遠大于光子的相對質量，閉環區域相同的條件下，原子干涉陀螺對旋轉的靈敏度要比光學陀螺提高10 個量級以上。原子自旋陀螺則與轉子陀螺類似，是利用原子核或電子自旋的動量矩和磁矩在慣性空間具有定軸性來測量角速度。原子陀螺因其超高的精度潛力，有望成為引領未來陀螺更新換代的主導型戰略級陀螺。目前美國已開發出精度達到6×10-5°/h 的原子陀螺，并希望借此研制出5m/h 的超高精度慣性導航系統。
2 陀螺技術應用
2.1 機電轉子陀螺。
目前高精度機電式陀螺(包括液浮陀螺和靜電陀螺)是高精度市場的主導產品。高精度液浮陀螺主要用于遠程導彈、軍用飛機、艦船和潛艇導航系統中，中精度液浮陀螺則在平臺羅經、導彈、飛船及衛星中得到應用，而更高精度的三浮陀螺則應用于戰略武器和航天領域，如美國應用在遠程戰略導彈制導浮球平臺系統中TGG 型三浮陀螺，一直以來就擁有占有不可動搖的地位。靜電陀螺目前仍然是高精度慣性導航系統的首選慣性基準器件，在今后10～20 年內的高性能慣性導航系統領域，高精度靜電陀螺仍不可被取代。在我國，液浮陀螺平臺慣性導航系統、動力調諧陀螺四軸平臺系統已相繼應用于長征系列運載火箭。
2.2 光學陀螺。
光學陀螺的全固態，沒有旋轉和摩擦部件，壽命長，動態范圍大，瞬時啟動，結構簡單，尺寸小，重量輕，信息易數字化等優點，是轉子陀螺所無法比擬的，因而光學陀螺已逐步替代了轉子陀螺，在中高精度的應用領域中一直占據著主導位置，特別適合捷聯式制導系統使用。國外全固態結構、全數字、低功耗的光纖陀螺至今已趨于成熟，覆蓋了高、中、低精度范圍，在各領域獲得普遍應用，成為當今慣性技術領域的主導型陀螺之一。在空間飛行器、艦船等高精度應用領域，光纖陀螺正逐步代替激光陀螺，未來在戰略級高精度應用領域也將占有一定的份額，進而逐步取代靜電陀螺。
近年來，我國光學陀螺技術進步很快，目前已達到國際先進水平。光纖陀螺、激光陀螺慣導裝置等也已經大量應用于戰術制導武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。漂移率0.01°～0.02°/h 的新型激光捷聯系統被應用于新型戰機上;漂移率0.05°/h 以下的光纖陀螺捷聯慣導應用于艦艇、潛艇上。
2.3 微機械陀螺。
與光學陀螺一樣，微機械陀螺從結構上也沒有了高速旋轉的轉子，除具備光學陀螺的大多數優點外，尺寸更小(微米/納米級)，功耗更低，價格低廉，應用范圍更加廣泛。
自20 世紀90 年代以來，微機械陀螺已經在超音速戰機、巡航導彈、無人偵察機等軍事領域得以運用。隨著微米/納米加工技術的進一步發展，隨著尺寸和精度的進一步改善，微機械陀螺將取代光纖陀螺，獲得較好的應用前景。低成本、體積小、反應快，動態范圍大、能適應惡劣環境的優點，使微機械陀螺將會在汽車制造、數碼電子設備、飛機輔助導航、生物、醫療、工業器械等民用領域具有更為廣闊的市場，有望占領整個中低端市場。
陀螺技術經過幾十年的發展，取得了長足進步，為航天、航空、航海事業及武器裝備的發展提供了有力的技術支撐。但受材料、微電子器件、精密及微結構加工工藝等基礎工業水平的制約，現代陀螺制造技術的發展跟國際上一些發達國家相比有明顯的差距，今后還需在產品的精度、可靠性、環境適應性、產品一致性、參數長期穩定性等方面不斷改進，尤其要著力加大對陀螺技術基礎理論、應用材料、方法工藝的研究力度，提高慣性儀表水平。
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