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1、2023/6/28,1,第 三 章,振 动 陀 螺 仪 简 介,2023/6/28,2,振动陀螺仪,2023/6/28,3,3.1 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。,2023/6/28,4,3.1 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
2、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。,2023/6/28,5,3.1 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
3、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。,2023/6/28,6,3.1 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。,2023/6/28,7,3.1 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
4、（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,2023/6/28,8,3.1 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
5、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,2023/6/28,9,3.1 石英音叉陀螺仪,（2）驱动与检测电路,二 结构与性能,2023/6/28,10,3.1 石英音叉陀螺仪,（2）驱动与检测电路,二 结构与性能,2023/6/28,11,3.1 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,2023/6/28,12,3.1 石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,
6、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,2023/6/28,13,3.1 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,2023/6/28,14,3.1 石英音叉陀螺仪,（3）性能指
7、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,2023/6/28,15,3.1 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,2023/6/28,16,3.1 石英音叉陀螺仪,（3）性能指标,与转子陀螺仪不同，Q
8、RS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,2023/6/28,17,3.1 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,2023/6/28,18,3.1 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，
9、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。,2023/6/28,19,3.1 石英音叉陀螺仪,三 数字石英惯性测量装置,2023/6/28,20,3.2 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。,2023/6/28,21,3.2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
10、由于哥氏力的作用而产生的。,（1）工作原理,2023/6/28,22,3.2半球谐振陀螺仪,一 工作原理与结构,（2）典型结构,2023/6/28,23,3.2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
11、用。此时称陀螺仪工作于“全角度”模式。,2023/6/28,24,3.2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,2023/6/28,25,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,单点激励,单点激励难于实现闭环检测,2023/6/28,26,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,双点激励,在A、C两点施加激励,2023/6/28,27,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,双点激励,在A、C两点施加激励,2
12、023/6/28,28,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,闭环检测的分析,闭环检测的本质是保持四波腹振荡的位置和速度不因杯体的旋转而变化。,（n为奇数）,最有利于实现四波腹振荡的稳定,2023/6/28,29,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,（2）振动信号的拾取,C,d,2023/6/28,30,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,（2）振动信号的拾取,电容传感器的电路框图,2023/6/28,31,3.2半球谐振陀螺仪,二 半球谐振陀螺仪的信号检测,（2）振动信号的拾取,四波腹振动力矩器与信号器的配置,2023/6/28,32,3.3 其
13、它典型振动陀螺仪,一 振动弦式陀螺仪,2023/6/28,33,3.3 其它典型振动陀螺仪,二 振动杯式陀螺仪,2023/6/28,34,3.3 其它典型振动陀螺仪,三 振动盘式陀螺仪,2023/6/28,35,3.3 其它典型振动陀螺仪,四 振动轮式硅微陀螺仪,2023/6/28,36,3.3 其它典型振动陀螺仪,四 振动轮式硅微陀螺仪,2023/6/28,37,3.3 其它典型振动陀螺仪,四 振动轮式硅微陀螺仪,2023/6/28,38,3.3 其它典型振动陀螺仪,四 振动轮式硅微陀螺仪,2023/6/28,39,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,40,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,41,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,42,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,43,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,44,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,45,3.3 其它典型振动陀螺仪,五 梳齿振动硅微陀螺仪,2023/6/28,46,3.3 其它典型振动陀螺仪,六 压电陀螺仪,
