稳定器中的陀螺仪及其作用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：在现实生活中，陀螺仪发生的进动是在重力力矩的作用下发生的。稳定器就是利用陀螺仪的这一特性来进行火炮的瞄准和炮塔的转动的。在稳定器中应用的陀螺仪是利用旋转变压器来代替指针和分划板的，旋转变压器的定子固定在基座上代替分划板，旋转变压器的转子固定在外环轴上代替指针。

炮控系统中的陀螺仪，主要作用是感知火炮方位和高低指向相对于惯性空间的速度，并将其转化为电信号，作为反馈或者前馈信号输入到系统中。我们可以认为炮控系统主要由速度控制系统加上陀螺仪构成，陀螺仪是坦克炮控系统重要的组成部分。早期的炮控系统应用的是框架陀螺仪，精度低，现在使用的是精度更高的液浮陀螺仪和挠性陀螺仪，其他新颖的陀螺仪在炮控系统中的应用还处于研究阶段。

机械陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，其制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪发生的进动是在重力力矩的作用下发生的。陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域，这是由于它的两个基本特性：一为定轴性，另一是进动性，这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。现在的陀螺仪分为压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪，它们都是电子式的，可以和加速度计、磁阻芯片、GPS做成惯性导航控制系统。

现代坦克炮控系统中对陀螺仪的要求主要有：随机漂移率和漂移稳定性、测量范围以及最大工作转角等。

1.随机漂移率和漂移稳定性

漂移率是衡量陀螺仪精度的主要指标，一般的常值漂移都能在系统初期校准的过程中予以补偿。随机漂移是围绕均值u做无规律的随机变量，误差用标准偏差d表示。现代坦克要求陀螺仪的漂移率和漂移稳定性应当在0.01b/h（即1d）以内。

2.测量范围

对于工作在速率状态的陀螺来说，其测量范围通常用最大测量角速度与最小测量角速度的比值表示。最小测量角速度，又称“阈值”或“灵敏阈”，数值是陀螺漂移角速度的1/3或更低。

3.最大工作转角

对陀螺仪来说，最大工作转角是与测量角速度紧密关联的指标，我们为了最大限度地减小交叉耦合误差，可将最大工作转角限制在尽量小的数值，可小到角秒级。

坦克的工作环境一般来说是极其恶劣的，主要表现在温度和湿度的剧烈变化以及承受振动和冲击等方面，这就要求陀螺仪能在这种环境下工作并能保证精度和工作寿命，环境对陀螺仪的要求主要体现在以下几个方面：温度范围维持在−40～+50 °C；耐受冲击的试验指标是30 g，11 ms，6次；耐受振动的指标是5～200 Hz，2.5 g，15 min；相对湿度95％、温度4 °C耐受4 h。一般来说，坦克陀螺仪的可靠性和寿命应大大优于坦克炮控系统整体的可靠性和寿命。

稳定器是对火炮进行稳定和瞄准的自动控制系统，它的稳定和瞄准主要是利用陀螺仪的特性来实现的。角度陀螺传感器与速度陀螺传感器是测量火炮偏离角和偏离角速度的测量元件。当陀螺仪转子高速旋转时，陀螺仪具有以下两个重要特性[88]：

1.进动性

当陀螺仪转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。陀螺仪的这种转动称为进动，陀螺仪进动的快慢是由所加力矩的大小决定的。力矩大则进动快，力矩小则进动慢，停止加力矩则进动立即停止。进动的方向取决于加到环上的力矩方向，若力矩方向改变，进动方向也随之改变。稳定器就是利用陀螺仪的这一特性来进行火炮的瞄准和炮塔的转动的。伸直右手，大拇指与食指垂直，手指顺着自转轴的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌与四指弯曲握拳，则大拇指的方向就是进动角速度的方向。瞄准电磁铁所产生的力矩的大小与方向，靠转动操作台握把（即高低向瞄准）或者转动操作台本体（即水平向瞄准）来控制。陀螺仪中还有一个校正电磁铁，当陀螺仪工作时，内环可能产生转动，这一转动使内外环的互相垂直状态受到破坏，降低其稳定精度，在内外环倾斜超过2°～3°时，校正电磁铁自动工作，给外环加一力矩，使内环进动到原来的位置。进动性的大小也有三个影响因素：外界作用力越大，其进动角速度也越大；转子的转动惯量越大，进动角速度越小；转子的角速度越大，进动角速度越小。

2.定轴性

当陀螺转子以高速旋转，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下物理量的改变而改变：转子的转动惯量越大，稳定性越好；转子角速度越大，稳定性越好。若在外环轴上固定一个指针，在基座上安装一个分划板，当基座绕外环轴转动时，分划板随着基座转动，指针保持不动。通过分划板和指针可以测量出基座转动时偏离其原来位置的角度。在稳定器中应用的陀螺仪是利用旋转变压器来代替指针和分划板的，旋转变压器的定子固定在基座上代替分划板，旋转变压器的转子固定在外环轴上代替指针。利用二自由度陀螺仪的定轴性便能测定角度，所以二自由度陀螺仪又称为角度陀螺仪，它与旋转变压器配合在一起称为角度陀螺传感器。陀螺仪的基座固定在火炮上，当坦克车体在行进间产生高低和水平振动时，火炮与炮塔由于耳轴和滚珠座圈内的摩擦而偏离原来位置的角度量，陀螺仪通过旋转变压器发出电控制信号，此信号经过放大后，进入稳定器的动力传动装置，由动力传动装置将火炮和炮塔拉回原位，从而使火炮与炮塔在高低向和水平向上保持所赋予的位置，不受坦克车体振动的影响。

稳定器中的陀螺仪及其作用

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