3.2 一种数字式静电陀螺仪测角系统
静电悬浮决定了静电陀螺仪必须采用非接触式的质量不平衡调制传感器或光学传感器来进行动量矩位置测量。 质量不平衡调制传感器原理是，有意制造转子赤道面的径向质心偏移，并使陀螺的转速远超出支承频带，造成转子质心绕旋转轴运动，致使电极支承电压中调制了转子的质量不平衡信号，对支承电压调制信号进行解算，即可得到陀螺极轴的位置信号。这种传感器除转子需特殊工艺制造外，在机械结构上毋需其它附加部件，因此结构简单，特别适用于微型静电陀螺仪的极轴位置信号读取。 但是，这种传感器也有不足，其一，测角灵敏度取决于质量不平衡调制程度，而质量偏心将引起静电干扰力矩，这样测角灵敏度与陀螺精度存在矛盾；其二，极轴位置信号是从支承信号中分离出来的，这就容易对支承的可靠性带来影响。
光学传感器对陀螺不产生附加影响，且测角灵敏度高。这种传感器通常在转子极轴位置刻制特殊的图谱，用光电传感器读取极轴位置信号。D形刻线光电传感器是光学传感器的一种典
型运用，它有很高的零位分辨率，工作在平台式跟踪状态，通常在空心转子静电陀螺仪中得到应用。
本文研究的是另一种数字式测角系统，它在转子的赤道平面刻制锯齿图案, 用光电传感器读取信号，并用数字量表征极轴位置的偏角，在较大范围内具有线性输出，有较高的测角精度，可工作于平台式系统。
3.2.1 测角原理
（1）方案
图3 测角系统方案
测角系统方案如图3所示。在转子表面对称于赤道位置均布8个相同的锯齿形图案，正交安装在陀螺壳体上的两组光电传感器对准赤道平面。转子表面图谱形成的光电信号经放大送到专用电路进行信号处理，将转子轴相对壳体的偏角转换成数字量，同时确定极轴转角相位，再送计算机进行计数或作偏角计算。
1） 转子面的图谱
转子表面的锯齿形图谱对测角范围、灵敏度和三角形(如图4所示)，两直角
图4 转子面的图谱
边BC、AB分别位于转子的纬平面和经平面上，中位线位于赤道上，占转子赤道面周长的1/16，斜边AC的大圆刻线倾角决定了锯齿图案的大小，同时也决定了测角系统中极轴偏角的检测范围。
由图4可以看出，当转子极轴OZb绕OXb轴转过角至OZ时，沿OY轴安装的传感器光轴相对OY轴也产生偏角，其在转子表面的光点由E移至F，则极轴偏角的最大测量值为：
= （1）
本方案选取的大圆刻线倾角为，因此偏角的最大测量值为2.4。转子表面图谱获得的方法大致有以下三种：用光刻技术制作球形掩膜：再对图形作镀膜处理，在精密激光加工机上直接刻蚀出整体图形，在数控机床上刻制图形轮廓，然后对图形进行化学处理，形成图谱。无论那种方法都必须精确准转子的赤道位置，控制图形的等分精度及边缘清晰度。
2）光纤传感器
通常，光电传感器做成自准直光电传感器，通过半透半反棱镜把转子反射象点传到探测器上。这种传感器结构比较复杂，光轴调整困难，体积较大，且在转子表面形成的光斑直径过大，对于数字式测角方案会降低光电转换灵敏度。在数字式测角系统中，宜采用光纤传感器，其结构原理如图5所示。光纤传感器由光源经光纤、光纤耦合器、光纤头将光束射向球面，返回的调制光束由耦合器引入探测器，再经前置放大输出。
信号拾取的基本原理是：对称于赤道的锯齿图经转速调制并经光电转换处理
图5 光纤传感器结构原理
成方波信号，通过测量方波的宽度变化确定陀螺极轴的相对转角。刻制多组图形，可取多组数据的平均值，同时通过采集多圈数据值进一步提高测量精度。因此, 转子极轴偏角可表示为：
（2）
式中，N为计数结果，0为转子转速，f为填充脉冲的频率，m为多圈采集的圈数。光电传感器沿正交轴成对安装，输出信号处理可得到转角的差动相位信号，对该相位进行细分和辨向处理即可得到转角的数字量。这种差动相位测量方法具有较高的测角精度，同时可有效克服转速不稳产生的影响以及加速度等因素引起的干扰。
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