,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,第,三,章,振 动 陀 螺 仪 简 介,舌砒谎王腋配傈崔泅惯趟师蘸前篡靴疡扣经盾舶蓉五典刺满殷硬巴阿灾戏第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,1,振动陀螺仪,杯形振子振动陀螺仪,半球谐振陀螺仪（HRG）,固态角速率传感器（START）,叉形振子振动陀螺仪,石英速率传感器（QRS）,微机械石英晶体转叉陀螺仪,微硅转叉陀螺仪,压电晶体振动陀螺仪,双轴速率传感器（DART）,多功能传感器,睦畏庸擂讫对看课致炊镐徊黍氮昆刻陆腰涕度蛤除多次彭怠兴茧沧扦唇剐第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,2,3.1,石英音叉陀螺仪,又称石英音叉速率传感器,：,Quartz Rate Sensor，QRS,在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐渐发展出现的一种小型固态惯性器件。,主要工作部分是石英音叉以及激励电路和测量电路。音叉是采用特定切向几何宽度和厚度约0.5mm，长度大约几毫米的石英晶体制成。,肯诱切惶唾仍学汲刁鞭鄂耳撞若串滔磕泛阎第服负焕均讽窑沫残鉴瞧悠节第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,3,3.1,石英音叉陀螺仪,一 工作原理,音叉在激励电信号作用下引起压电效应，从而使音叉以某一固定频率作等幅振动。当音叉旋转时，由于哥氏惯性力，从而激发出垂直于原振动平面的感生振动。感生振动的振幅与转动的角速度成正比，感生振动通过石英的压电效应再产生一个压电信号，通过测量该压电信号即可测量转动的角速度。,营端婴街紊卤缩宿堰探哼锥坚睁租涕寿勘饿伯陆花属腥壶贫耍蕉跌挡成牵第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,4,3.1,石英音叉陀螺仪,一 工作原理,驱动振幅越大，可使敏感电极信号越大。但振幅过大，超过材料的机械强度时出现非线性，直接影响标度因数。驱动振幅应该在允许的范围内选取较大值，同时必须保持恒幅。为此，,驱动电流保持恒定，对保持稳定输出非常重要。,驱动振动和敏感振动是在谐振频率附近工作的，振幅的大小直接与频率有关。驱,动振动频率在谐振频率附近稳定，对稳定输出同等重要。,谐振频率与音叉的横截面尺寸、石英切型以及电极位置、电极面积都有关。因此，设计,音叉尺寸和电极结构至关重要。,输出不仅对匀角速度能够响应，而且对于简谐旋转角速度也能响应。,简谐旋转和谐振驱动振动同时作用在音叉上，哥氏力的频率与二者的和（差）频相关。,外末男螟戎腰旷侨佑师吠耻函倍向菠毯钧夸渔鳞痊访叶姐荚斡迅润衙鹿舵第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,5,3.1,石英音叉陀螺仪,二 结构与性能,（1）石英音叉的基本结构,主要部件就是石英音叉，其结构虽然较为简单，但电极的结构、几何尺寸等设计方案多种多样。,设计时,首先考虑石英晶片的切型,。既要充分利用石英晶体的压电常数，以获得最大的灵敏度，又要有效利用切型的频率温度特性，以保证工作温度范围内能有稳定输出。,撵韩炮悲慎日寅留柬缨菩罕阔较右徊麦饶存隋石责约窟六草鲸贰浓松赫滑第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,6,3.1,石英音叉陀螺仪,（1）石英音叉的基本结构,几何尺寸,也是要考虑的问题。几何尺寸（晶片的长度、宽度、厚度）决定了音叉振动的频率特性。音叉的弯曲振动模式决定了它工作在低频区，已见报道的石英音叉工作频率在10-40kHz。,最复杂的问题是它的电极设计,，包括电极结构、电极位置、电极面积、电极引线布局等等。,二 结构与性能,帕质趁少媳耶申智厚拈耻渣锯苫贼当和坏瓮折枉土弹辐盎违张唆咙称土缩第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,7,3.1,石英音叉陀螺仪,（2）驱动与检测电路,电路并不复杂。,对,驱动电路的主要要求,是能激励石英音叉作恒频等幅振动。由于陀螺的输出信号直接正比于音叉源振动的振幅，因此，对电路的电流稳定性要求极高。,对,检测电路的基本要求,是有足够的灵敏度和信噪比。经放大、滤波后，在基准频率上同步解调后输出。多数集成电路是双极性电路，有时还采用数字跟踪滤波器对出现在通带中被检波的次级谐波加以抑制，以提高基频信号信噪比。,二 结构与性能,缮滁溅险疮榔乔涵提铲萝信粟绚补陋与肝啡侥缎拇孰拉姓特美盛茹诲告鸟第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,8,3.1,石英音叉陀螺仪,（2）驱动与检测电路,二 结构与性能,滤波放大器,滤波放大器,放大器,放大器,AMP AGC,AGC,REF,驱动音叉,传感器音叉,导屯蓝蕾边拆亡揩卒稚诣轰蔼篱娜咋皇奶败博旦朵随掠昔肤溯吓保陆休弛第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,9,3.1,石英音叉陀螺仪,（2）驱动与检测电路,二 结构与性能,印托笨钙阐蜕屉属辫闭牵咏断宁绿傻栽盘阅肯杀颓肉妥菏于圆柴词皆写再第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,10,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,满刻度输出：,由于信号处理器可以控制传感器的测量范围和信号带宽，因此完全依赖控制电路的增益来实现不同的满刻度量程。采用专用集成电路，可以在标定时通过外加元件调整测量范围。目前的测量范围在55000度/秒。,二 结构与性能,司捻搁占距晰促条搞赶企扔床蚁蒂度总穆嘿预惹诡其寓茁难蘑碱听耍允惰第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,11,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,输出与使用环境温度有关，使用前可能会发生输出偏离，其大小可达满刻度的百分之几。用户可调整阻尼电路中的偏值调节装置，消除出厂时的剩余偏值。,偏值调整：,二 结构与性能,肉敞厩未丰袄燃饼芜期用盛驻援翻减韶刻牵喘铲鞋例疯刨凰蛙榷抱忱蜜哎第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,12,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,重复性是指电源多次重复接通时陀螺输出的变化的大小。在QRS中没有旋转质量陀螺的转子定心等平衡问题，所以其重复性通常优于旋转质量陀螺仪。,重复性与稳定性：,稳定性通常分为短期、中期和长期稳定性三种。短期稳定性一般指启动后的最初几分钟，中期稳定性一般指几天到几十天，而长期稳定性则指一年以上。,二 结构与性能,楷蹋哉夸粕汽庞渠爷亲荫丁桩烈臻缮蚤徒化引刚泳厕讼芦美笆芬肘茬凋想第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,13,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,偏值稳定性是指在一定温度范围内偏值的稳定性，是陀螺的关键性指标之一。同类陀螺中这项指标,QRS,最好。通常情况下内部并不需要进行温度控制，而是采用温度补偿的方法，即反复测量确定各敏感元件与温度间的最佳关系，通过输出补偿就可以达到较高的精度。,偏值稳定性：,二 结构与性能,犀遍屑蹄悔炯诛湛馒差唤劳堑截倡伊为霹撒瞬狸鼻馋骗五撼宣耐讨缸脂缺第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,14,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,QRS,具有良好的标度因数稳定性和线性度，大量的测试结果已经证明，其线性度在运行过程中约在10,-5,量级，比同类转子陀螺仪还要好得多。,标度因数稳定性及其线性度：,二 结构与性能,危鸟箭讨跪佬骸类食心艳彭铅攻太富厄嗓库央般柱毗搞兑砧级将勉悍芜噎第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,15,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,与转子陀螺仪不同，,QRS,的动态性能主要由同步解调电路决定。带宽与满刻度量程无关，超过,100Hz,。若采用专用集成电路降噪，更有利于提高增益和带宽。,动态特性：,二 结构与性能,僧脚久机荆经素嘿已颖诽柱庞培霖绷杨黄暑娟裹炕掖丽吝慷吴植杜翼掩年第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,16,3.1,石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,QRS,在高振动环境下仍具有优良性能。振动误差小于0.003,/sg,-1,。,据有关报道，,QRS,已经取得美国海军、空军等的导弹、飞机和舰船上的使用资格，标志着,QRS,的设计已进入成熟阶段。,振动与环境条件：,二 结构与性能,注惑或眨丢沾斥晨弟龟胳飘耀购钟周沦获杂戎搪策午赐加顺挎遣廉安蛇槽第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,17,3.1,石英音叉陀螺仪,三 数字石英惯性测量装置,数字石英惯性测量装置,（DQI）,是为满足战术精确制导武器在成本、体积和功耗等方面的特殊要求，由美国洛克威尔公司和BEI公司联合开发的一种新型固态惯性测量装置。,DQI由两部分组成：一部分是,ISA,及其处理,电路，另一部分是IMU功能电路，包括数字信号处理电路、输入/输出电路及电源电路等。,威偶亏疵梭昏怯被鼠败工巨尸咙烽何罢邹矾叼项疙舰行装声墒酷若晒铆扶第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,18,3.1,石英音叉陀螺仪,三 数字石英惯性测量装置,信息输出,外部,电源,QRS-,x,QRS-,y,QRS-,z,VQA-,z,VQA-,x,VQA-,y,QRS,驱动与,数字变换电路,VQA,驱动与,数字变换电路,QRS,数字信号处理,VQA,数字信号处理,IMU,处理器与接口,自检与故障诊断,电源变换电路,ISA,IMU,次级电源,软停屏诚童哑言嫁槛住道阎芳步朋据山敢宏州朝肺驱舀屈罩侗虾植压浑竹第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,19,3.2,半球谐振陀螺,一 工作原理与结构,（1）工作原理,半球谐振陀螺仪是一种速率积分陀螺仪，以薄壳杯形振子的振动分析理论为基础：振荡的轴对称壳体绕中心轴旋转时，环线振型不再相对壳体静止，而是相对壳体进动。,扁影苗呻阵卑哉汛你很旦跪掀详恳优割妓骸梁甥处狙尊刁樱拨销拢京烛榔第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,20,3.2,半球谐振陀螺仪,一 工作原理与结构,谐振的四波腹振型产生进动也是由于哥氏力的作用而产生的。,（1）工作原理,踪诈号招骸庄直幕吏裳审集甭锥陕婚其冲启设漳围糙坠末狮隔潍缄滨库阴第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,21,3.2,半球谐振陀螺仪,一 工作原理与结构,（2）典型结构,潭枪酬桃后呛锤成垮淘说培贮离彦靖尿撅颁舵慨蚜嘉唉粟呸挚赶索滑决艘第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,22,3.2,半球谐振陀螺仪,一 工作原理与结构,（3）工作模式,半球杯体的激励电压与杯体的位置有关。输入转动和谐振子参量变化时，通过控制电路使谐振子振型维持在零进动的稳定工作状态，此时，陀螺是作为角速率陀螺。此时称陀螺仪工作于“再平衡”模式。,根据半球谐振子的激励方式不同，半球谐振陀螺有两种工作模式，即“全角度”和“再平衡”方式。,半球杯体的激励电压不取决于杯体的位置，振型可随输入转动自由进动，振型的瞬时位置是积分速率输出，此时，陀螺作为积分陀螺使用。此时称陀螺仪工作于“全角度”模式。,洗斡疥吭掷拯德殖窿陶针锰涅屁这炯防似缚碗瞧琼红蒂篙屑睬铡探芭附然第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,23,3.2,半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,（1）闭环检测,半球谐振陀螺仪的基本工作条件是在外加激励的作用下，四波腹振荡的位置和幅度不因壳体的旋转而改变。,两种激励形式：,单点激励,和,双点激励,周想手撰瑚钟粪镐宣一莹戈泪索剂腔暇掩袄蛰抒碑僚肖辰歉量吏俐魁应絮第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,24,3.2,半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,单点激励,B,A,单点激励难于实现闭环检测,结误奄送倍缺抱剑虞选卫宜扎罚助挖迎需渗赶全赋潭蚜事捶胳怠呀煮窟抹第3章振动陀螺仪简介第3章振动陀螺仪简介,11/15/2024,25,3.2,半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,双点激励,B,A,C,在,A,、,C,两点施加激励,