静电陀螺仪工作原理

图1介绍静电支承系统的工作原理。球形转子安装在支承电极的球腔之中。图上只画出一路,实际上同样的系统共有三路。整个电极球腔分割为12块等面积的电极。当转子偏离电极中心时,在相应的两块电极上将同时接通正和负等幅度的控制电压,使转子回到电极中心位置,同时转子始终处在地电位,从而解除了三路支承之间的藕合关系。

转子的姿态角通过光电信号器转换为电信号。图2为转子表面上刻线的情况。在转子极点的一侧刻有矩形图线,当转子的极点偏离顶端光电信号器时,将有转子自转频率的正弦波信号输出,其幅度和偏角的大小成正比。侧面刻线由侧面光电信号器观测,产生脉冲信号,作为检相器参考方波的相位基准。经过上述信号变换,静电陀螺仪将给出两路直流信号,成为一个二自由度的位置陀螺仪。

静电陀螺仪具有加转和阻尼线圈。在陀螺启动之后,这些线圈不再接入加转和阻尼电流,而是作为加矩线圈使用。如果把顶端和侧面的光电信号送入加矩控制线路,则可以把陀螺转子锁定在顶端光电信号器的零位上。这时静电陀螺仪成为一个二自由度的速度陀螺仪。加矩线路还可量测和补偿陀螺的漂移。

综上所述,静电陀螺仪具有支承系统,光电信号器和磁场力矩器等三个主要部件。此外为了保证正常工作,还需要有真空维持,温度控制和外磁场屏蔽等装置 。

静电陀螺仪是一种球形转子自由陀螺仪,它的基本概念是在美国大力发展战略核潜艇的时代,由伊利诺斯大学诺尔西克教授于1954年向美国海军研究办公室提出来的。他提出的方案是赤道上带土星环的空心球转子框架式静电陀螺仪.它对转子式不施矩的。因此出了漂移外,转子主轴和壳体对应的轴将在惯性空间保持形同的姿态。这实质上是一种二自由度框架式陀螺仪.后来经过研究改为现在的球形转子自由陀螺仪。

1955年美国海军正式立项开始研究，Honeywell公司、GeneralElectric公司以及Arma公司很快也加入了该项目。Rockwell跨国公司的Autonetics分公司是1959年开始研究的.在早期的研究中，只有Honeywell公司和Autonetics分公司的工作最后实现了导航产品。

在这中间,美国静电陀螺仪研究经历的曲折的发展道路。在20世纪50～60年代,液浮陀螺导航系统占据了舰船惯性导航系统的统治地位。静电陀螺仪项目当时并未被海军选用，因此在这期间,Honeywell公司和Autonetics分公司都致力于开发全姿态输出静电陀螺仪，研发捷联式静电陀螺仪导航系统，企图应用于航空和航天领域,但始终未成为装备 。

静电陀螺仪是精度最高的陀螺仪,而且适用于长时间工作的环境,因而在核潜艇和远程飞机上已经得到普遍应用。

美国Stafnord大学在NASA的支持下正在研制卫星上用的静电陀螺仪,准备在1990年把载有4只实心石英转子的静电陀螺仪装入卫星送入轨道,整个计划称为“GP-B”计划(意指重力试验计划),目的是量测广义相对论效应下陀螺仪的进动。由于这种进动速度的理沦计算值非常小:

(1)在卫星轨道平面内为6.9角秒/年;

(2)在地球赤进平面内为0.044角秒/年。这种静电陀螺仪的漂移误差应当小于0.3x10^（-6）角秒/年,相当于3X10^（-11）度/小时。

Stanford大学的GP一B计划1985年得到了NASA的巨额经费,并与Lockheed导弹公司合作。应当指出,他们所研制的静电陀螺仪将来可以用在卫星和航天飞行器上,作为惯性坐标系的基准。联系到美国正在大力开展星球大战计划,重视这一项目看来不仅是为了研究广义相刘浦仑效应的实验 。

自由陀螺仪，泛指工作于测角状态的两自由度陀螺仪。因为陀螺转子不随壳体作角运动而得名，包括以框架（也称常平架或环）结构支撑的机械式自由陀螺仪。无框架的由静电支承的静电陀螺仪、由气体动压效应支承的动压气浮陀螺仪，以及由挠性元件支承的动力调谐陀螺仪。工程上自由陀螺仪特指机械式两自由度陀螺仪，无框架的静电陀螺仪和动压气浮陀螺仪称为自由转子陀螺仪，挠性支承的称为动力调谐陀螺仪或挠性陀螺仪。 这里介绍机械式自由陀螺仪。