导航技术发展到今天出现了无线电导航,GPS类卫星导航等各种模式,但这些模式信号有盲区,要么易受干扰,因此都无法单独作业,现今所有的导航方式其实都基于一个最基本的核心——陀螺仪,没有陀螺仪,信息化战争的物理基础将会崩塌,其他一切手段都无法弥补。陀螺仪从诞生直径经历了机械陀螺,液浮陀螺,静电陀螺,激光陀螺,光纤陀螺等各种历程。


陀螺,古老装置焕发生机


陀螺仪顾名思义就是陀螺制成的仪器,陀螺转的越快,锥体轴线和地面成的角度越趋于垂直。这是陀螺的一个很重要的特性——旋转时的方向稳定性。


利用这个原理,科学家们在陀螺(转子)上安装了两个定子,分别对应垂直和水平方向来固定陀螺仪,但保持很小的摩擦力,使得无论定子被施加的作用力在哪个方向转动时,陀螺仪都不会因为摩擦力受太大影响,而这两个定子平时和物体连在一起,这时当物体无论进行哪个方向的转动时,定子和陀螺仪之间就会形成一个角度,这个角度被测量出来以后就可以作为导航的数据,计算出来当前物理的速度矢量,在时间的积累之下,从而描绘出物理的运动轨迹。这就是最简单的机械陀螺仪。


液浮陀螺,让陀螺漂起来


机械陀螺的缺点主要是机械结构之间会互相摩擦积累误差,为了解决这一问题,使用液体将转子浮在上面进行转动,由于液体在重力下的水平性和液力浮力会减少转子转轴对支点的压力,从而减少转动摩擦力,因此其精度大大增高,后来工程师们还利用磁悬浮,气体悬浮等各种方式改进悬浮方式,但原理都比较类似。


这种陀螺的精度可以达到0.01°/h,但问题在于陀螺制造要求较高的加工精度、严格的装配、精确的温控,因而成本较高,且在有外力施加加速度的情况下,液体对其响应较大,导致角度偏移出现误差,因此只适用于低速的舰船和潜艇。

静电陀螺,实现转子自由


转子受到的摩擦力越小,陀螺越精确,将转子放在一个空壳内部,在壳体外面对转子施加均匀但方向相反的电场,这样转子在壳体中央就被固定住了,处于完全悬空状态,此时再用电机线圈感应让轴进行转动,就完全脱离了物体之间摩擦力的束缚。接着再把球体内部抽为真空,空气摩擦力也随之被消除,因此就实现了迄今为止最精密的陀螺仪——静电陀螺仪。但静电陀螺仪因与电场强度的变化有关,因此启动不能过快,为了保持电场在圆心处处相等和不漏气,生产难度和超精密加工组装要求极高,因此限制了其大规模使用的潜力。


激光陀螺,激光进行测距


激光陀螺号称陀螺,实际上是利用激光进行测距的进行速度测量。在一个正三角形轨道的一个顶点向不同的方向同时发射相干光束,二者在同样距离走完后再相遇出现光的干涉,此时一定没有相位差,因此属于光的震动方向的波峰波谷强强叠加。

一旦环形轨道拥有某一方向的速度,那么激光走完环形轨道的速度c就需要在光速上减去运动速度v成了c-v,而另外一个方向就成了c+v,因此在不同方向走完同一路程耗时不同,在终点相遇时光波也会产生相位差,互相发生扰动,从而计算出速度的值。这种装置制造难度小,启动时间短,对外界任何震动都几乎毫无反应,因此是目前最适合大规模使用的陀螺仪。


光纤陀螺,竞相追逐的制高点


光纤陀螺仪是从激光陀螺上改进而来的,以前的三角形真空管被改为光纤,同样利用了光在不同速度下的传播速度原理,但光纤陀螺只需要一条环形的光纤线路,无论从哪一点向两侧发射激光,圆形都能保障其回到发射点上时传播的路径是相同的,因此这种陀螺仪具有体积小,制造简单的优点,未来将大量被运用在空中导弹,战斗机和飞行团头盔等部位,实现性价比的最优化。


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技术的演变,成就高精度光纤陀螺仪

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2019/3/15 15:05:00

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