CN106767746A - 振弦式陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振弦式陀螺，它包括一个非导磁的陀螺框架，在陀螺框架内的中间设有一个非导磁的金属驱动框架，金属驱动框架通过左上驱动梁、左下驱动梁水平、右上驱动梁、右下驱动梁水平固定在陀螺框架的内壁上，左上驱动梁、左下驱动梁、右上驱动梁和右下驱动梁均由非导磁的薄片状弹性金属制成；在金属驱动框架中设有检测质量块，检测质量块是由对称的上下两块粘合而成，检测质量块把一根完整的非导磁的细金属丝分为左右两部分，并在预紧力拉紧后通过左振弦压紧装置和右振弦压紧装置形成左振弦和右振弦。本发明的主要特点是把角速度的幅值变化转换为振弦的振动频率的变化来进行测量。振弦式陀螺既具有小体积、低工耗、低成本等突出优点，又有利于陀螺输出信号的检测、提高陀螺的精度，有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动式陀螺，尤其是涉及一种应用于对飞行器、工业机器人、汽车等旋转运动物体的姿态参数测量和控制的振弦式陀螺。
背景技术
陀螺具有广阔的发展和应用前景。在军事上，它可用于战术导弹、智能炸弹的制导和微型卫星的姿态控制；在民用方面，它可用于汽车的自动驾驶和安全防护系统以及工业机器人、大地测量、石油钻探、矿山开采、隧道工程、海洋开发等的定位定向系统。
陀螺发展至今，人们已经研制出多种不同形式的陀螺，有转子式陀螺、光学陀螺和振动式陀螺等。振弦式陀螺是振动式陀螺中的一种，它是采用两根差动的极细的振弦作为敏感元件来来测量角速度的一种陀螺。振弦式陀螺的主要特征是把角速度的幅值变化转换为振弦的振动频率的变化来进行测量。振弦式陀螺的主要优点是：只要制作工艺允许，振弦式陀螺的尺寸越小，其精度越高，这可以很好地解决目前精度高的陀螺尺寸大、尺寸小的陀螺精度低的这一矛盾。
表1是不同应用场合对陀螺性能的要求。理论分析表明，目前的工艺条件所制作的振弦式陀螺，已完全能够满足角速度级应用，随着工艺条件的改进，将来制作的振弦式陀螺，可以扩展到战术级应用甚至惯导级应用。
表1不同应用场合对陀螺性能的要求
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高、体积小、工耗低、成本低的振弦式陀螺。
本发明的目的是这样实现的：
一种振弦式陀螺，包括一个非导磁的陀螺框架，特征是：在陀螺框架内的中间设有一个非导磁的金属驱动框架，金属驱动框架的左侧外壁通过左上驱动梁、左下驱动梁水平固定在陀螺框架的左侧内壁上，金属驱动框架的右侧外壁通过右上驱动梁、右下驱动梁水平固定在陀螺框架的右侧内壁上，左上驱动梁、左下驱动梁、右上驱动梁和右下驱动梁均由非导磁的薄片状弹性金属制成；在陀螺框架的左壁中间和右壁中间分别设有左陀螺框架线孔和右陀螺框架线孔，在金属驱动框架的左壁中间和右壁中间分别设有左振弦压紧装置和右振弦压紧装置，在金属驱动框架中设有检测质量块，检测质量块是由对称的上下两块粘合而成，检测质量块把一根完整的非导磁的细金属丝分为左右两部分，并在预紧力拉紧后通过左振弦压紧装置和右振弦压紧装置形成左振弦和右振弦。
左上驱动梁与右上驱动梁对称设置，左下驱动梁与右下驱动梁对称设置。
本发明由陀螺框架、左上驱动梁、左下驱动梁、右上驱动梁、右下驱动梁、金属驱动框架、检测质量块、左振弦和右振弦组成，左振弦和右振弦本为一根完整的弦，通过上下对称的两块非导磁的检测质量块粘合而分为左右两部分，左振弦和右振弦的两端通过非导磁的金属驱动框架上两侧的左振弦压紧装置和右振弦压紧装置压紧后并粘合而固定，这个非导磁的金属驱动框架通过四片很薄的非导磁的弹性金属片(上驱动梁、左下驱动梁、右上驱动梁和右下驱动梁)与非导磁的陀螺框架相连。本发明放置在上、下两块平行放置的强磁铁之间)，从而产生垂直于陀螺的恒定磁场，因而就能够把角速度的变化转换成振弦振动的频率变化来进行检测。
本发明是利用科里奥利力(简称科氏力)原理把角速度的变化转换成振弦振动的频率变化来进行检测，即：把因物体旋转而在检测质量块上所产生的科氏力直接转换为振弦的振动频率信号，这样不但有利于陀螺输出信号的检测，而且可以提高陀螺的检测精度，有着广阔的应用前景。因此，本发明具有精度高、体积小、工耗低、成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，其中：1是左振弦引出线，2是驱动电路左上引线，3是陀螺框架，4是陀螺框架左架线孔，5是左上驱动梁，6是左振弦压紧装置，7是金属驱动框架，8是左振弦，9是检测质量块，10是右振弦，11是右振弦压紧装置，12是右上驱动梁，13是陀螺框架右架线孔，14是驱动电路右上引出线，15是右振弦引出线，16是驱动电路左下引出线，17是左下驱动梁，18是右下驱动梁，19是驱动电路右下引出线；
图2为左振弦压紧装置和右振弦压紧装置的剖面图，A为横向剖视图，B为纵向剖视图，其中：1是振弦，2是振弦压紧装置，3是金属驱动框架的侧壁；
图3为本发明的工作原理示意图，其中：1是陀螺器件，2是上磁铁，3是下磁铁。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示：一种振弦式陀螺，包括一个非导磁的陀螺框架3，在陀螺框架3内的中间设有一个非导磁的金属驱动框架7，金属驱动框架7的左侧外壁通过左上驱动梁5、左下驱动梁17水平固定在陀螺框架3的左侧内壁上，金属驱动框架7的右侧外壁通过右上驱动梁12、右下驱动梁18水平固定在陀螺框架3的右侧内壁上，左上驱动梁5、左下驱动梁17、右上驱动梁12和右下驱动梁18均由非导磁的薄片状弹性金属制成；在陀螺框架3的左壁中间和右壁中间分别设有左陀螺框架线孔4和右陀螺框架线孔13，在金属驱动框架7中设有由上下对称的两块粘合而成的检测质量块9，检测质量块9把一根完整的弦分为左右两部分，拉紧后，左部分通过金属驱动框架7上的左振弦压紧装置6压紧并粘合后形成了左振弦8，左振弦8的左振弦引出线1从左陀螺框架线孔4中穿出；右部分通过金属驱动框架7上的右振弦压紧装置11压紧并粘合后形成右振弦10，右振弦10的右振弦引出线15从右陀螺框架线孔13中穿出。左振弦压紧装置6和右振弦压紧装置11结构相同。
在陀螺框架3的左侧内壁的上下两端分别设有驱动电路左上引线2和驱动电路左下引出线16，在陀螺框架3的右侧内壁的上下两端分别设有驱动电路右上引出线14和驱动电路右下引出线19。
左上驱动梁5与右上驱动梁12对称设置，左下驱动梁17与右下驱动梁18对称设置，它们可以视为驱动导线，非导磁的金属驱动框架7及安装在金属驱动框架7上的左振弦8、右振弦10和检测质量块9可以视为驱动质量块。
本发明的工作原理为：如图3所示，在如图1所示的陀螺器件的上下方各放置一块强磁铁(即：上磁铁2和下磁铁3)，从而产生一个垂直于陀螺(即如图所示的Z方向)的稳定磁场，在驱动导线(驱动梁)上加上与陀螺驱动模态的固有频率相同的驱动电流，则金属驱动框架7将会在电磁力的作用下在如图1所示的V方向振动，从而使得左振弦8、右振弦10在与预紧力对应的初始频率下振动。当陀螺器件随着物体一起转动时，在检测质量块9上会产生相应的科氏力，这一科氏力与加在左振弦8、右振弦10上的初始预紧力相作用，从而改变了左振弦8、右振弦10的振动频率，检测出左振弦8、右振弦10振动频率的改变，就能计算出角速度Ω。假设左振弦8和右振弦10直径均为2μm，有效振动长度均为200μm，材料均为不锈钢，当它们受到的初始预紧力F为2mN时，由公式(式中l为左右振弦的有效振动长度，F为左振弦8和右振弦10所受到的张力，ρ为振左振弦8和右振弦10的线密度)可计算出左振弦8和右振弦10的固有振动频率约为10MHz。如果信号带宽为1MHz，频率分辨力为1Hz，那么角速度信号的分辨率将能达到0.0001％。
Claims (2)
1.一种振弦式陀螺，包括一个非导磁的陀螺框架，其特征在于：在陀螺框架内的中间设有一个非导磁的金属驱动框架，金属驱动框架的左侧外壁通过左上驱动梁、左下驱动梁水平固定在陀螺框架的左侧内壁上，金属驱动框架的右侧外壁通过右上驱动梁、右下驱动梁水平固定在陀螺框架的右侧内壁上，左上驱动梁、左下驱动梁、右上驱动梁和右下驱动梁均由非导磁的薄片状弹性金属制成；在陀螺框架的左壁中间和右壁中间分别设有左陀螺框架线孔和右陀螺框架线孔，在金属驱动框架的左壁中间和右壁中间分别设有左振弦压紧装置和右振弦压紧装置，在金属驱动框架中设有检测质量块，检测质量块是由对称的上下两块粘合而成，检测质量块把一根完整的非导磁的细金属丝分为左右两部分，并在预紧力拉紧后通过左振弦压紧装置和右振弦压紧装置形成左振弦和右振弦。
2.根据权利要求1所述的振弦式陀螺，其特征在于：左上驱动梁与右上驱动梁对称设置，左下驱动梁与右下驱动梁对称设置。
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2017
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