第四章 敏感元件

惯性测量和惯性导航技术的基本概念惯性敏感元件和压力传感器的原理敏感元件在鱼雷上的应用技术

§4-1 陀螺仪

所谓陀螺 , 是从力学的角度讲是指饶自己的对称轴高速旋转的对称物体。

今天，陀螺技术已发展成一个综合性的尖端领域，陀螺仪的精度有了极大的提高，除了传统的框架支承转子陀螺仪外，又出现了许多新型陀螺，如液浮陀螺、静电陀螺、挠性陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。以陀螺为核心的稳定平台和惯导技术也在迅速广泛应用。鱼雷控制是最早实现陀螺仪工程应用的领域之一。

二自由度陀螺仪的结构原理

当陀螺转子绕自转轴高速旋转时，二自由度陀螺仪便具有了陀螺特性，表现为定轴性和进动性。根据力学原理，在满足一定条件和忽略章动的情况下，二自由度陀螺的角动量和外加力矩以及角运动关系可以描述为

xy

M

H y

x

M

H

把二自由度陀螺仪置于鱼雷上，发射时使其自转轴指向参考航向，则在短时间内自转轴指向参考航向不变，可作为参考基准；鱼雷 ( 基座 ) 纵轴相对陀螺自转轴的转动角即为偏航角 ψ 。

若鱼雷发射时，使双自由度陀螺的自转轴与地垂线方向重合，则在短时间内陀螺自转轴可作为垂直参考基准，鱼雷立轴和横轴相对自转轴的转动角分别给出了鱼雷的水平姿态角 θ 、 φ 。

当单自由度陀螺仪固连于鱼雷，而鱼雷以角速度 ω 运动时，则带动陀螺转子强迫进动。为了维持强迫进动，则在框架轴向转子要受外力矩 M 作用，有方程 M=ωH 成立。M 力矩一般由在框架轴向的弹性约束提供。

/M H

§4-2 加速度计

加速度计用于鱼雷不仅可以测量鱼雷的运动加速度，而且可以测量鱼雷的水平姿态角 θ 和 φ 。这是因为加速度计不仅感测线加速度 a ，而且感测重力加速度 g ，严格地讲加速度计感测 a 与 g 之和 f ，f 称为比力。因此加速度计也称为比力计。

一、摆式加速度计

鱼雷上常用的摆式加速度计结构原理右图所示。圆筒形的转动体称为摆组件。组件通过轴承与仪表壳体相连。摆组件质心不在转动轴上，偏心距为 e ，定位扭杆产生与转角成正比的弹性恢复力矩。 加速度计力学模型

二、用加速度计测量水平姿态角 当鱼雷做匀速直线运动或静止时，加速度计仅感测重力加速度 g 在它们测量轴上的分量，从而得到鱼雷相对垂线的位置，即水平姿态角。

sincos

sin

gf

gf

y

x2

arcsin( / )

arcsin

1

x

y

x

f g

f

fg

g

倾斜仪

三、鱼雷加速度对测量的影响当鱼雷的运动加速度不为零时，加速度计的

输出为

zz

xx

agf

agf

sincos

sin

当 ， 不大时有

zz

xx

agf

agf

产生的测量误差为 gax / ga z /

在入水和加速度段断开加速度计给控制系统的反馈信号；当环形或蛇形搜索运动时对向心加速度 加以补偿

§4-3 惯性导航技术

惯性导航是一种自主式的导航方法，它完全依靠鱼雷自载设备自主的完成导航任务，提供包括位置、航向、速度、加速度，以及姿态角、转动角速率在内的全部导航和制导信息。

导航加速度计和陀螺都安装在导航平台上，加速度计输出的信息，送到导航计算机，导航计算机除计算航行器位置、速度等导航信息外，还要计算对陀螺的施矩信息。陀螺在施矩信息作用下，通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。而航行器的姿态和方位信息，则从平台的框架轴上直接测量得到。

平台式惯导系统

捷联式惯导系统

导航加速度计和陀螺直接安装在航行器上。用陀螺测量的角速度信息 减去计算的导航坐标系相对惯性空间的角速度 ,则得到雷体坐标系相对导航坐标系的角速度 , 进行姿态矩阵的计算，然后把雷体坐标系轴向的加速度信息转换到导航坐标系进行导航计算。 姿态矩阵的计算、加速度信息的坐标变换、姿态与航向角的计算，构成所谓的“数学平台”。

§4-4 深度传感器

压力传感器有多种类型，但都有两部分组成。一是敏感元件，它的功能是把压力转换为其它易于测量的物理量，如位移、应变、电阻、电荷、电压等；二是测量电路，它的功能是把上述物理量进一步变换或放大，得到所需的输出电信号。目前鱼雷上常用的压力传感器有电位计式传感器和压阻传感器。

深度传感器组件主要是由引压总成、底座、压块、深水压力传感器、浅水压力传感器等组成。其中浅水压力传感器 (Ya)的量程范围为 0 ～ 0.6MPa， (相当于 0 ～ 60米水深 )。深水压力传感器 (Yb)的量程范围为 0 ～ 3MPa， (相当于 0 ～ 300米水深 ) 。

§4-5 其他 AUV 常用传感器

1. 多普勒测速仪（ Doppler Velocity Sonar）2. 磁罗盘（Magnetic Compass）3. 陀螺罗经（ Gyro-Compass）4. 测深仪（ Altimeter）5. 声学定位系统（ LBL ， USBL）6. 惯性测量单元（ IMU）7. 微机械MEMS 陀螺、加速度计8. GPS 、 GLONASS 、北斗

DVS

Gyro Compass