液浮陀螺仪性能改进技术 陈桂明 9787030393821 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈桂明 著

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• 机械工程
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• 误差分析
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• 导航技术

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030393821

商品编码：29511029536

包装：平装

出版时间：2014-01-01

基本信息

书名：液浮陀螺仪性能改进技术

定价：65.00元

作者：陈桂明

出版社：科学出版社

出版日期：2014-01-01

ISBN：9787030393821

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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液浮陀螺仪具有高精度、长寿命和高可靠性等优点。液浮陀螺仪涉及材料、机电、控制、制导等多个学科领域，其性能受材料特性、加工工艺、装配水平、温度控制、电机性能、轴承性能等因素影响较大，且各因素之间又相互关联、相互制约。
　　《液浮陀螺仪性能改进技术》系统分析了液浮陀螺仪的结构、工作原理及影响液浮陀螺仪精度和稳定性的重要因素，在大量实验和工程实践数据分析的基础上，主要从温度场、框架变形、振动三个方面研究并提出了液浮陀螺仪性能改进技术。
　　《液浮陀螺仪性能改进技术》可作为自动控制、惯性制导等相关专业领域的学生、教师、科研工作者和工程技术人员的参考用书。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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《空间精密测量中的陀螺仪技术及其应用》 书籍内容简介 本书深入探讨了现代空间精密测量领域中至关重要的陀螺仪技术，并对其在各类高精度应用中的实现与优化进行了详尽的阐述。全书围绕着陀螺仪的原理、性能指标、误差来源、以及各类先进的改进技术展开，力求为读者提供一个全面而深入的理解。 第一部分：陀螺仪基础理论与关键性能指标 本部分首先从陀螺仪的基本物理原理入手，详细介绍了其核心部件——高速旋转的转子（或称惯性环）所产生的陀螺效应。我们将追溯到牛顿力学和角动量守恒定律，解释为什么高速旋转的物体会抵抗其姿态的改变。在此基础上，我们将详细讲解不同类型的陀螺仪，包括： 机械陀螺仪： 重点介绍传统的机械陀螺仪，如万向架陀螺仪、无万向架陀螺仪（如球式陀螺仪），分析它们的结构特点、工作原理以及在早期空间任务中的应用。虽然其精度有限，但理解其基础对于理解后续的先进技术至关重要。 光纤陀螺仪（FOG）： 详细阐述光纤陀螺仪的工作原理，包括Sagnac效应的物理基础，以及如何利用光波在旋转物体上的传播路径差异来测量角速度。我们将深入分析不同构型的光纤陀螺仪，如开放式、闭环式、偏振保持式等，并比较它们的优缺点。 环形激光陀螺仪（RLG）： 详细介绍环形激光陀螺仪的工作原理，解释两个反向传播激光束在感应到旋转时的频率漂移如何转化为角速度测量。我们将探讨不同类型的环形激光陀螺仪，如单轴、双轴、三轴，以及它们在精度和稳定性上的权衡。 MEMS陀螺仪： 介绍微机电系统（MEMS）陀螺仪的微观工作原理，通常基于科里奥利力效应。我们将分析其基本结构，如振动微梁或微盘，以及它们如何通过测量科里奥利力引起的位移或频率变化来检测旋转。 在介绍完各类陀螺仪的基本原理后，本书将聚焦于衡量陀螺仪性能的关键指标。我们将对这些指标进行深入的定义和分析，包括： 零偏（Bias）： 详细解释零偏的概念，即在无输入信号时陀螺仪输出的非零值。我们将讨论零偏的产生原因，如材料不均匀性、温度变化、以及制造工艺等，并阐述其对测量精度的直接影响。 零偏不稳定性（Bias Instability）： 进一步分析零偏随时间变化的随机性，即零偏不稳定性。我们将介绍常用的度量方法，如Allan方差，并讨论影响零偏不稳定的因素。 角度随机游走（Angle Random Walk, ARW）： 定义角度随机游走，即陀螺仪输出角速度噪声积分产生的角度累积误差。我们将解释ARW如何影响长期导航精度，并分析其与白噪声的数学关系。 速率随机游走（Rate Random Walk, RRW）： 解释速率随机游走，即陀螺仪输出的低频噪声，其影响随时间呈平方增长。我们将探讨RRW的来源，并说明其对高动态场景下的测量影响。 灵敏度（Scale Factor）： 定义陀螺仪的灵敏度，即输出信号与输入角速度之间的比例关系。我们将分析灵敏度误差的来源，如温度变化、激励电压波动等，并讨论其校准方法。 轴间耦合（Gimbal Lock / Cross-axis Sensitivity）： 详细阐述轴间耦合的概念，即一个轴的运动会影响其他轴的测量。我们将重点分析万向架陀螺仪中“万向架锁定”现象的产生机理，以及在现代陀螺仪中如何通过设计和算法来减弱其影响。 工作温度范围与温漂（Temperature Range & Temperature Drift）： 讨论陀螺仪在不同温度下性能的变化，以及如何设计和选择能够在极端温度环境下稳定工作的陀螺仪。 第二部分：空间精密测量中的陀螺仪误差来源分析 本部分将对陀螺仪在空间精密测量应用中可能遇到的各类误差进行系统性的梳理和深入分析。理解这些误差是进行性能改进的前提。 内部误差： 制造与材料缺陷： 详细讨论陀螺仪内部组件（如转子、壳体、光纤、激光腔等）在制造过程中产生的微小不均匀性、应力集中、以及材料本身的特性差异如何导致零偏、灵敏度漂移等误差。 振动与冲击： 分析外部振动和冲击对陀螺仪内部敏感元件的影响，如何引起瞬态误差、甚至永久性损伤，以及如何通过结构设计和减震措施来缓解。 温度梯度与变化： 深入探讨温度对陀螺仪各项性能指标的影响，包括零偏漂移、灵敏度变化、甚至热应力引起的内部形变。我们将分析不同类型陀螺仪对温度的敏感度差异。 电磁干扰（EMI）： 讲解外部电磁场如何干扰陀螺仪的电子电路和敏感元件，导致测量信号失真和误差累积。 老化效应： 讨论陀螺仪部件随着时间推移发生的物理和化学变化，如材料疲劳、光纤损耗增加、激光器性能衰减等，如何导致长期性能退化。 外部误差： 平台姿态误差： 在集成到测量平台时，平台本身的安装误差、动态形变、以及加速度计读数误差如何传递到陀螺仪的测量结果中。 重力梯度（Gravitational Gradient）： 对于某些高精度陀螺仪，地球或行星的重力梯度可能引起微小的力矩，从而影响测量精度。 大气压力变化（在某些低轨道应用中）： 虽然在真空的太空环境中影响较小，但在接近大气层的轨道上，大气压力的微小变化有时也可能对部分敏感的陀螺仪产生影响。 太阳光照与热辐射： 分析空间探测器表面受到的不均匀太阳光照和地球热辐射如何引起局部温度差异，进而影响陀螺仪的性能。 第三部分：空间精密测量领域中的陀螺仪应用 本部分将聚焦于陀螺仪在各种尖端的空间精密测量任务中的实际应用，展现其不可或缺的作用。 卫星姿态确定与控制： 详细介绍陀螺仪作为卫星姿态确定系统（ADS）的核心传感器之一，如何与星敏感器、太阳敏感器、地磁敏感器等协同工作，实现高精度的姿态测量。我们将讨论陀螺仪在静态姿态保持、动态姿态机动、以及轨道控制中的具体作用。 惯性导航系统（INS）： 阐述陀螺仪与加速度计相结合，构成惯性导航系统的原理。我们将讨论INS在深空探测器自主导航、轨道参数测量、以及星际飞行器姿态和位置推算中的应用。 天文望远镜的指向与稳定： 讲解高精度陀螺仪如何在地面和空间天文望远镜中实现对天体的精确指向和稳定跟踪。例如，在哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜中，陀螺仪如何补偿望远镜平台因热膨胀、微流星体撞击等引起的微小扰动，确保成像的清晰度。 引力波探测任务： 讨论在LIGO、Virgo、以及未来的空间引力波探测器（如LISA）中，陀螺仪所扮演的角色。例如，在LISA任务中，陀螺仪可能用于监测探测器之间的相对姿态，并辅助评估和补偿由太阳风、空间尘埃等引起的微小推力。 遥感与地球观测： 在高分辨率地球观测卫星中，陀螺仪用于保证相机或传感器的稳定指向，以及实现精确的地理定位，从而提高地物信息提取的精度。 火星探测器与月球探测器： 详细分析陀螺仪在火星车、月球着陆器等复杂任务中的导航、定位、以及科学仪器指向方面的作用，例如在火星车自主避障和采样过程中，陀螺仪提供的姿态信息至关重要。 空间站与载人航天器： 探讨陀螺仪在空间站内的姿态维持、轨道调整、以及航天员进行的舱外活动（EVA）中的安全保障作用。 第四部分：先进的陀螺仪性能改进技术 本部分是本书的核心和重点，将集中阐述为了克服上述误差，在空间精密测量领域开发和应用的各类先进技术。 高精度陀螺仪的选型与标定： 深入比较不同类型陀螺仪在空间应用中的优劣势： 对比FOG、RLG、以及新兴的原子陀螺仪（Atomic Gyroscope）等在精度、稳定性、可靠性、功耗、体积等方面的特点，为空间任务提供选型指导。 精细化标定技术： 详细介绍如何通过多温度、多角度、多激励信号下的精密标定，建立陀螺仪的误差模型。我们将探讨动态标定、自适应标定等方法。 温度补偿与控制技术： 多项式补偿模型： 介绍如何利用高阶多项式来拟合陀螺仪的温度-误差关系，并进行实时补偿。 集成温度传感器与加热/制冷系统： 讨论如何在陀螺仪封装内部集成高精度温度传感器，并辅以温控系统，将陀螺仪工作在最优温度区间。 热应力分析与设计： 通过有限元分析等方法，预测和评估热应力对陀螺仪性能的影响，并优化结构设计以减小热应力。 振动抑制与冲击防护： 减震支架与阻尼材料： 介绍如何设计和选择高性能的减震支架、阻尼材料，以隔离外部振动和冲击。 内部结构优化： 探讨如何通过改变陀螺仪内部敏感元件的固定方式、材料选择等，提高其抗振动和抗冲击能力。 嵌入式信号处理与滤波： 在信号采集端进行有效的数字滤波，以去除振动引起的瞬态噪声。 误差建模与补偿算法： 卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其变种： 详细介绍线性卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）等在融合陀螺仪与其他传感器数据、估计陀螺仪误差、以及进行实时补偿中的应用。 最小二乘法与递归最小二乘法： 分析这些算法在建立和更新陀螺仪误差模型中的作用。 人工智能与机器学习在误差补偿中的应用： 探讨如何利用神经网络、支持向量机等机器学习算法，从海量数据中学习复杂的误差特性，实现更精准的补偿。 光纤陀螺仪（FOG）的性能提升： 改进的光学组件设计： 如优化光源、耦合器、偏振控制器等，减小杂散反射、偏振串扰和相位噪声。 长光纤技术的应用： 增加光纤长度以提高灵敏度，并探讨如何解决光纤的非线性效应和温度影响。 数字信号处理技术： 应用先进的数字信号处理算法，如自适应滤波、数字Sagnac效应模拟等，提高信噪比和零偏稳定性。 闭环与宽带FOG： 分析闭环FOG如何通过反馈回路提高线性度和带宽，以及宽带FOG在更高动态场景下的优势。 环形激光陀螺仪（RLG）的性能提升： 优化激光腔设计： 减小腔长变化、提高腔体稳定性，抑制腔体反射引起的误差。 改进的锁区（Lock-in）抑制技术： 详细介绍如抖动（dither）、旋转（rotation）、偏振隔离（polarization isolation）等技术，克服RLG在低速旋转时出现的锁区现象。 新型材料与涂层： 采用低损耗、高反射率的镜面材料和涂层，提高激光器的效率和稳定性。 数字补偿与频率校准： 利用数字信号处理技术，实现激光频率的精确测量和补偿，提高陀螺仪的精度。 新兴陀螺仪技术： 原子陀螺仪（Atomic Gyroscope）： 重点介绍基于原子干涉、原子进动等原理的原子陀螺仪，分析其潜在的超高精度和长时稳定性，以及在空间导航领域的未来前景。 量子陀螺仪： 简要介绍量子陀螺仪的研究进展，以及其可能带来的革命性精度提升。 冗余与故障诊断： 多传感器融合与一致性检查： 介绍如何通过多个同类型或不同类型陀螺仪的组合，以及对传感器输出进行一致性检查，提高系统的整体可靠性。 故障检测、隔离与重构（FTIR）： 探讨如何设计有效的故障诊断算法，及时发现陀螺仪的失效，并进行隔离，以确保剩余正常传感器的信息能够继续提供服务。 第五部分：结论与展望 本书最后将对空间精密测量中陀螺仪技术的发展现状进行总结，并对未来的发展趋势进行展望。我们将讨论计算能力的提升、新型材料的涌现、以及人工智能技术的进一步融合将如何推动陀螺仪性能迈向新的高度，从而赋能更具挑战性的空间探索任务。 本书的读者对象： 本书适合从事航天航空工程、精密仪器制造、导航制导控制、空间科学研究的工程师、技术人员、研究生以及相关专业的本科高年级学生阅读。对于对高精度测量技术感兴趣的爱好者，本书也将提供一个深入了解的窗口。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我刚翻开这本书的目录时，那种扑面而来的技术术语密度，让我瞬间明白了这是一部“硬核”作品，面向的读者群体无疑是行业内的资深工程师、高校的博士生或者深潜于此的科研人员。我特别关注到“性能改进”这个关键词，这暗示着本书的落脚点不是停留在原理介绍，而是解决实际工程中遇到的“瓶颈”问题。在我看来，陀螺仪的性能提升往往意味着毫厘之间的差距，可能涉及到材料的微观结构、加工工艺的纳米级控制，甚至是反馈控制算法的优化迭代。我推测书中会对各种“有损”因素进行细致入微的剖析，比如轴承间隙的微小变化如何转化为角速度测量误差，或者介质的粘滞系数随环境变化如何影响其动态响应。如果书中能提供详尽的案例分析，比如某个特定军工项目或航空航天任务中采用的改进方案，那将是极具说服力的。我希望它能超越传统的理论推导，提供一些“非正统”的、但已被验证有效的工程技巧，帮助我们跨越从实验室原型到可靠产品的“最后一英里”。这种实战经验的积累和总结，才是此类专业书籍的真正价值所在。

评分☆☆☆☆☆

这本厚重的著作，光是书脊上的信息就足以让人感受到其沉甸甸的学术分量。虽然我尚未深入研读其中的每一个章节，但仅凭其标题——《液浮陀螺仪性能改进技术》，以及作者陈桂明这名字，就能推断出这绝非一本泛泛而谈的入门读物，而是一部直指核心、聚焦于高精尖工程领域的专业教材或研究专著。我个人对精密仪器领域一直抱有极大的兴趣，尤其是那些涉及动态稳定性和高精度姿态保持的设备。液浮陀螺仪，顾名思义，是利用液体静压力或动压力来支撑旋转部件，从而最大限度地减少摩擦阻力，以实现超长寿命和极高稳定性的关键部件。因此，我非常期待这本书能详细阐述当前设计中面临的那些棘手难题——比如液体动力学特性与结构刚度的耦合效应，以及如何在复杂工况下（例如剧烈的加速度变化或温度漂移）维持其亚弧秒级的精度。我猜想书中必定会深入探讨新型阻尼材料的应用、流场建模的先进数值方法，以及针对振动抑制的创新性控制策略。这本书的出现，无疑为我国在惯性导航和空间姿态控制领域的技术迭代提供了一份宝贵的理论与实践指导手册。我打算从流体力学基础和误差源分析这两块入手，看看它如何构建起性能提升的理论框架。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，真正的技术突破往往发生在理论的边缘地带，那些被传统教材忽视的、但实际工程中却频繁出现的“反常现象”。液浮陀螺仪的性能改进，往往需要跨学科的思维碰撞。我猜想，陈桂明教授可能在书中融入了材料科学的最新进展，比如考虑了极端温度下液体特性的非线性变化，或者引入了基于机器学习的自适应控制策略来实时补偿环境扰动。如果这本书能够挑战一些长期以来被视为“固有缺陷”的设计范式，提出颠覆性的创新思路，那它就不仅仅是一本教科书，而可能成为推动整个行业技术边界向前迈进的里程碑式作品。我个人非常看重这种“敢于质疑前人结论”的精神。我期待从中挖掘出一些在现有设计规范中尚未体现，但未来可能成为下一代高性能导航系统的核心技术要素。这本书的价值，最终将体现在它能启发多少后续的研究者和工程师，去挑战更严苛的性能指标。

评分☆☆☆☆☆

从读者的角度看，一本好的专业书籍，除了内容要精深，其逻辑结构和图表的可读性同样至关重要。我还没有细看内文排版，但基于我对该领域经典著作的经验，我期望这本书的章节划分是层层递进的：从基础的流体力学背景介绍，到液浮轴承的几何优化设计，再到系统级的误差预算和补偿算法。如果书中能配有大量清晰的、带有详细注释的原理示意图、实验曲线图和仿真结果对比图，那么即便某些数学推导非常艰深，读者也能通过直观的视觉信息辅助理解核心概念。特别是在“性能改进”这一主题下，我希望能看到对不同改进路径的优劣势进行横向对比——比如，是采用更低粘度的液体介质带来的摩擦降低更显著，还是通过优化转子动平衡来实现的振动抑制效果更持久？这种多维度、辩证的分析方法，能帮助我们避免陷入单一技术的“思维定式”。我希望这本书能提供的是一套解决问题的“工具箱”，而不是仅仅展示一个“完美答案”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和出版社信息（[9787030393821]）透露出它很可能源自国家级出版社的学术系列，这意味着内容经过了严格的同行评审和专业校验，具有很高的权威性和可靠性。对我这个刚刚接触精密机械设计不久的工程师来说，阅读这本书更像是一次“内功心法”的修炼过程。我感兴趣的是，陈桂明教授如何将复杂的流体力学、振动力学和控制理论融会贯通，构建起一个可以量化、可以预测的性能模型。液浮陀螺仪的难点在于其“软耦合”特性——液体介质既是支撑，又是传动和阻尼的载体，其行为难以用简单的刚体假设来描述。我迫切想知道书中是否提出了新的解析模型，能够更精确地描述在高速旋转状态下，液体膜厚度波动、气泡卷入以及边界层分离等现象对陀螺仪漂移率的影响。如果它能提供一套系统性的性能评估标准和测试流程，并结合先进的传感器技术，那这本书的实用价值将指数级提升。这不仅仅是理论的堆砌，更是对精密工程美学的追求体现。