振動陀螺儀簡介13308

2024/11/71第三章振動陀螺儀簡介

2024/11/72振動陀螺儀杯形振子振動陀螺儀半球諧振陀螺儀（HRG）固態(tài)角速率傳感器（START）叉形振子振動陀螺儀石英速率傳感器（QRS）微機(jī)械石英晶體轉(zhuǎn)叉陀螺儀微硅轉(zhuǎn)叉陀螺儀壓電晶體振動陀螺儀雙軸速率傳感器（DART）多功能傳感器2024/11/73§3.1石英音叉陀螺儀

又稱石英音叉速率傳感器：QuartzRateSensor，QRS

在音叉振動陀螺和壓電晶體陀螺儀基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展出現(xiàn)的一種小型固態(tài)慣性器件。

主要工作部分是石英音叉以及激勵電路和測量電路。音叉是采用特定切向幾何寬度和厚度約0.5mm，長度大約幾毫米的石英晶體制成。2024/11/74§3.1石英音叉陀螺儀

一工作原理

音叉在激勵電信號作用下引起壓電效應(yīng)，從而使音叉以某一固定頻率作等幅振動。當(dāng)音叉旋轉(zhuǎn)時，由于哥氏慣性力，從而激發(fā)出垂直于原振動平面的感生振動。感生振動的振幅與轉(zhuǎn)動的角速度成正比，感生振動通過石英的壓電效應(yīng)再產(chǎn)生一個壓電信號，通過測量該壓電信號即可測量轉(zhuǎn)動的角速度。

2024/11/75§3.1石英音叉陀螺儀

一工作原理

驅(qū)動振幅越大，可使敏感電極信號越大。但振幅過大，超過材料的機(jī)械強(qiáng)度時出現(xiàn)非線性，直接影響標(biāo)度因數(shù)。驅(qū)動振幅應(yīng)該在允許的范圍內(nèi)選取較大值，同時必須保持恒幅。為此，驅(qū)動電流保持恒定，對保持穩(wěn)定輸出非常重要。驅(qū)動振動和敏感振動是在諧振頻率附近工作的，振幅的大小直接與頻率有關(guān)。驅(qū)動振動頻率在諧振頻率附近穩(wěn)定，對穩(wěn)定輸出同等重要。諧振頻率與音叉的橫截面尺寸、石英切型以及電極位置、電極面積都有關(guān)。因此，設(shè)計音叉尺寸和電極結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。輸出不僅對勻角速度能夠響應(yīng)，而且對于簡諧旋轉(zhuǎn)角速度也能響應(yīng)。簡諧旋轉(zhuǎn)和諧振驅(qū)動振動同時作用在音叉上，哥氏力的頻率與二者的和（差）頻相關(guān)。

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二結(jié)構(gòu)與性能

（1）石英音叉的基本結(jié)構(gòu)

主要部件就是石英音叉，其結(jié)構(gòu)雖然較為簡單，但電極的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等設(shè)計方案多種多樣。設(shè)計時首先考慮石英晶片的切型。既要充分利用石英晶體的壓電常數(shù)，以獲得最大的靈敏度，又要有效利用切型的頻率溫度特性，以保證工作溫度范圍內(nèi)能有穩(wěn)定輸出。2024/11/77§3.1石英音叉陀螺儀

（1）石英音叉的基本結(jié)構(gòu)

幾何尺寸也是要考慮的問題。幾何尺寸（晶片的長度、寬度、厚度）決定了音叉振動的頻率特性。音叉的彎曲振動模式?jīng)Q定了它工作在低頻區(qū)，已見報道的石英音叉工作頻率在10-40kHz。最復(fù)雜的問題是它的電極設(shè)計，包括電極結(jié)構(gòu)、電極位置、電極面積、電極引線布局等等。

二結(jié)構(gòu)與性能

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（2）驅(qū)動與檢測電路

電路并不復(fù)雜。對驅(qū)動電路的主要要求是能激勵石英音叉作恒頻等幅振動。由于陀螺的輸出信號直接正比于音叉源振動的振幅，因此，對電路的電流穩(wěn)定性要求極高。對檢測電路的基本要求是有足夠的靈敏度和信噪比。經(jīng)放大、濾波后，在基準(zhǔn)頻率上同步解調(diào)后輸出。多數(shù)集成電路是雙極性電路，有時還采用數(shù)字跟蹤濾波器對出現(xiàn)在通帶中被檢波的次級諧波加以抑制，以提高基頻信號信噪比。二結(jié)構(gòu)與性能

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（2）驅(qū)動與檢測電路二結(jié)構(gòu)與性能

濾波放大器濾波放大器放大器放大器AMPAGCAGCREF驅(qū)動音叉?zhèn)鞲衅饕舨?024/11/710§3.1石英音叉陀螺儀

（2）驅(qū)動與檢測電路二結(jié)構(gòu)與性能

2024/11/711§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標(biāo)

滿刻度輸出：

由于信號處理器可以控制傳感器的測量范圍和信號帶寬，因此完全依賴控制電路的增益來實(shí)現(xiàn)不同的滿刻度量程。采用專用集成電路，可以在標(biāo)定時通過外加元件調(diào)整測量范圍。目前的測量范圍在±5—5000度/秒。二結(jié)構(gòu)與性能

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（3）性能指標(biāo)

輸出與使用環(huán)境溫度有關(guān)，使用前可能會發(fā)生輸出偏離，其大小可達(dá)滿刻度的百分之幾。用戶可調(diào)整阻尼電路中的偏值調(diào)節(jié)裝置，消除出廠時的剩余偏值。

偏值調(diào)整：二結(jié)構(gòu)與性能

2024/11/713§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標(biāo)

重復(fù)性是指電源多次重復(fù)接通時陀螺輸出的變化的大小。在QRS中沒有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺的轉(zhuǎn)子定心等平衡問題，所以其重復(fù)性通常優(yōu)于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺儀。

重復(fù)性與穩(wěn)定性：

穩(wěn)定性通常分為短期、中期和長期穩(wěn)定性三種。短期穩(wěn)定性一般指啟動后的最初幾分鐘，中期穩(wěn)定性一般指幾天到幾十天，而長期穩(wěn)定性則指一年以上。二結(jié)構(gòu)與性能

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（3）性能指標(biāo)

偏值穩(wěn)定性是指在一定溫度范圍內(nèi)偏值的穩(wěn)定性，是陀螺的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。同類陀螺中這項(xiàng)指標(biāo)QRS最好。通常情況下內(nèi)部并不需要進(jìn)行溫度控制，而是采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，即反?fù)測量確定各敏感元件與溫度間的最佳關(guān)系，通過輸出補(bǔ)償就可以達(dá)到較高的精度。

偏值穩(wěn)定性：二結(jié)構(gòu)與性能

2024/11/715§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標(biāo)

QRS具有良好的標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性和線性度，大量的測試結(jié)果已經(jīng)證明，其線性度在運(yùn)行過程中約在10-5量級，比同類轉(zhuǎn)子陀螺儀還要好得多。

標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性及其線性度：二結(jié)構(gòu)與性能

2024/11/716§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標(biāo)

與轉(zhuǎn)子陀螺儀不同，QRS的動態(tài)性能主要由同步解調(diào)電路決定。帶寬與滿刻度量程無關(guān)，超過100Hz。若采用專用集成電路降噪，更有利于提高增益和帶寬。

動態(tài)特性：二結(jié)構(gòu)與性能

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（3）性能指標(biāo)

QRS在高振動環(huán)境下仍具有優(yōu)良性能。振動誤差小于0.003o/sg-1。據(jù)有關(guān)報道，QRS已經(jīng)取得美國海軍、空軍等的導(dǎo)彈、飛機(jī)和艦船上的使用資格，標(biāo)志著QRS的設(shè)計已進(jìn)入成熟階段。

振動與環(huán)境條件：二結(jié)構(gòu)與性能

2024/11/718§3.1石英音叉陀螺儀

三數(shù)字石英慣性測量裝置

數(shù)字石英慣性測量裝置（DQI）是為滿足戰(zhàn)術(shù)精確制導(dǎo)武器在成本、體積和功耗等方面的特殊要求，由美國洛克威爾公司和BEI公司聯(lián)合開發(fā)的一種新型固態(tài)慣性測量裝置。

DQI由兩部分組成：一部分是ISA及其處理電路，另一部分是IMU功能電路，包括數(shù)字信號處理電路、輸入/輸出電路及電源電路等。2024/11/719§3.1石英音叉陀螺儀

三數(shù)字石英慣性測量裝置

信息輸出外部電源QRS-xQRS-yQRS-zVQA-zVQA-xVQA-yQRS驅(qū)動與數(shù)字變換電路VQA驅(qū)動與數(shù)字變換電路QRS數(shù)字信號處理VQA數(shù)字信號處理IMU處理器與接口自檢與故障診斷電源變換電路ISAIMU次級電源2024/11/720§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結(jié)構(gòu)

（1）工作原理

半球諧振陀螺儀是一種速率積分陀螺儀，以薄殼杯形振子的振動分析理論為基礎(chǔ)：振蕩的軸對稱殼體繞中心軸旋轉(zhuǎn)時，環(huán)線振型不再相對殼體靜止，而是相對殼體進(jìn)動。2024/11/721§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結(jié)構(gòu)

諧振的四波腹振型產(chǎn)生進(jìn)動也是由于哥氏力的作用而產(chǎn)生的。（1）工作原理

2024/11/722§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結(jié)構(gòu)

（2）典型結(jié)構(gòu)

2024/11/723§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結(jié)構(gòu)

（3）工作模式

半球杯體的激勵電壓與杯體的位置有關(guān)。輸入轉(zhuǎn)動和諧振子參量變化時，通過控制電路使諧振子振型維持在零進(jìn)動的穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時，陀螺是作為角速率陀螺。此時稱陀螺儀工作于“再平衡”模式。

根據(jù)半球諧振子的激勵方式不同，半球諧振陀螺有兩種工作模式，即“全角度”和“再平衡”方式。

半球杯體的激勵電壓不取決于杯體的位置，振型可隨輸入轉(zhuǎn)動自由進(jìn)動，振型的瞬時位置是積分速率輸出，此時，陀螺是作為角速率積分陀螺使用。此時稱陀螺儀工作于“全角度”模式。2024/11/724§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

（1）閉環(huán)檢測

半球諧振陀螺儀的基本工作條件是在外加激勵的作用下，四波腹振蕩的位置和幅度不因殼體的旋轉(zhuǎn)而改變。

兩種激勵形式：單點(diǎn)激勵和雙點(diǎn)激勵

2024/11/725§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

單點(diǎn)激勵BA單點(diǎn)激勵難于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)檢測2024/11/726§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

雙點(diǎn)激勵BAC在A、C兩點(diǎn)施加激勵2024/11/727§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

雙點(diǎn)激勵BAC在A、C兩點(diǎn)施加激勵2024/11/728§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

閉環(huán)檢測的分析

閉環(huán)檢測的本質(zhì)是保持四波腹振蕩的位置和速度不因杯體的旋轉(zhuǎn)而變化。

（n為奇數(shù)）最有利于實(shí)現(xiàn)四波腹振蕩的穩(wěn)定

2024/11/729§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

（2）振動信號的拾取Cd2024/11/730§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

（2）振動信號的拾取調(diào)頻振蕩器恒頻振蕩器混頻器帶通濾波器整形電路頻率電壓轉(zhuǎn)換混頻器帶通濾波器

電容傳感器的電路框圖

2024/11/731§3.2半球諧振陀螺儀

二半球諧振陀螺儀的信號檢測

（2）振動信號的拾取力矩器（16個）信號器（8個）半球振子四波腹振動力矩器與信號器的配置2024/11/732§3.3

其它典型振動陀螺儀

一振動弦式陀螺儀

振動弦信號磁鐵驅(qū)動磁鐵輸入軸驅(qū)動信號輸出信號2024/11/733§3.3

其它典型振動陀螺儀

二振動杯式陀螺儀

輸入軸諧振子信號電極驅(qū)動電極殼體連接器

2024/11/734§3.3

其它典型振動陀螺儀

三振動盤式陀螺儀

2024/11/735§3.3

其它典型振動陀螺儀

四振動輪式硅微陀螺儀

2024/11/736§3.3

其它典型振動陀螺儀

四振動輪式硅微陀螺儀

2024/11/737§3.3

其它典型振動陀螺儀

四振動輪式硅微陀螺儀

2024/11/738§3.3

其它典型振動陀螺儀

四振動輪式硅微陀螺儀

2024/11/739§3.3

其它典型振動陀螺儀

五梳齒振動硅微陀螺儀

2024/11/740§3.3

其它典型振動陀螺儀

五梳齒振動硅微陀螺儀

2024/11/741