振动陀螺仪简介市公开课一等奖省赛课获奖课件

第三章振动陀螺仪介绍

10/10/1振动陀螺仪简介第1页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）多功效传感器10/10/2振动陀螺仪简介第2页§3.1石英音叉陀螺仪

又称石英音叉速率传感器：QuartzRateSensor，QRS

在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐步发展出现一个小型固态惯性器件。主要工作部分是石英音叉以及激励电路和测量电路。音叉是采取特定切向几何宽度和厚度约0.5mm，长度大约几毫米石英晶体制成。10/10/3振动陀螺仪简介第3页§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发压电效应，从而使音叉以某一固定频率作等幅振动。当音叉旋转时，因为哥氏惯性力，从而激发出垂直于原振动平面感生振动。感生振动振幅与转动角速度成正比，感生振动经过石英压电效应再产生一个压电信号，经过测量该压电信号即可测量转动角速度。

10/10/4振动陀螺仪简介第4页§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，超出材料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主要。驱动振动和敏感振动是在谐振频率附近工作，振幅大小直接与频率相关。驱动振动频率在谐振频率附近稳定，对稳定输出同等主要。谐振频率与音叉横截面尺寸、石英切型以及电极位置、电极面积都相关。所以，设计音叉尺寸和电极结构至关主要。输出不但对匀角速度能够响应，而且对于简谐旋转角速度也能响应。简谐旋转友好振驱动振动同时作用在音叉上，哥氏力频率与二者和（差）频相关。

10/10/5振动陀螺仪简介第5页§3.1石英音叉陀螺仪

二结构与性能

（1）石英音叉基本结构

主要部件就是石英音叉，其结构即使较为简单，但电极结构、几何尺寸等设计方案各种多样。设计时首先考虑石英晶片切型。既要充分利用石英晶体压电常数，以取得最大灵敏度，又要有效利用切型频率温度特征，以确保工作温度范围内能有稳定输出。10/10/6振动陀螺仪简介第6页§3.1石英音叉陀螺仪

（1）石英音叉基本结构

几何尺寸也是要考虑问题。几何尺寸（晶片长度、宽度、厚度）决定了音叉振动频率特征。音叉弯曲振动模式决定了它工作在低频区，已见报道石英音叉工作频率在10-40kHz。最复杂问题是它电极设计，包含电极结构、电极位置、电极面积、电极引线布局等等。

二结构与性能

10/10/7振动陀螺仪简介第7页§3.1石英音叉陀螺仪

（2）驱动与检测电路电路并不复杂。对驱动电路主要要求是能激励石英音叉作恒频等幅振动。因为陀螺输出信号直接正比于音叉源振动振幅，所以，对电路电流稳定性要求极高。对检测电路基本要求是有足够灵敏度和信噪比。经放大、滤波后，在基准频率上同时解调后输出。多数集成电路是双极性电路，有时还采取数字跟踪滤波器对出现在通带中被检波次级谐波加以抑制，以提升基频信号信噪比。二结构与性能

10/10/8振动陀螺仪简介第8页§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AMPAGCAGCREF驱动音叉传感器音叉10/10/9振动陀螺仪简介第9页§3.1石英音叉陀螺仪

（2）驱动与检测电路二结构与性能

10/10/10振动陀螺仪简介第10页§3.1石英音叉陀螺仪

（3）性能指标

满刻度输出：

因为信号处理器能够控制传感器测量范围和信号带宽，所以完全依赖控制电路增益来实现不一样满刻度量程。采取专用集成电路，能够在标定时经过外加元件调整测量范围。当前测量范围在±5—5000度/秒。二结构与性能

10/10/11振动陀螺仪简介第11页§3.1石英音叉陀螺仪

（3）性能指标

输出与使用环境温度相关，使用前可能会发生输出偏离，其大小可达满刻度百分之几。用户可调整阻尼电路中偏值调整装置，消除出厂时剩下偏值。

偏值调整：二结构与性能

10/10/12振动陀螺仪简介第12页§3.1石英音叉陀螺仪

（3）性能指标

重复性是指电源屡次重复接通时陀螺输出改变大小。在QRS中没有旋转质量陀螺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、中期和长久稳定性三种。短期稳定性普通指开启后最初几分钟，中期稳定性普通指几天到几十天，而长久稳定性则指一年以上。二结构与性能

10/10/13振动陀螺仪简介第13页§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稳定性，是陀螺关键性指标之一。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，而是采取温度赔偿方法，即重复测量确定各敏感元件与温度间最正确关系，经过输出赔偿就能够到达较高精度。偏值稳定性：二结构与性能

10/10/14振动陀螺仪简介第14页§3.1石英音叉陀螺仪

（3）性能指标

QRS含有良好标度因数稳定性和线性度，大量测试结果已经证实，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

10/10/15振动陀螺仪简介第15页§3.1石英音叉陀螺仪

（3）性能指标

与转子陀螺仪不一样，QRS动态性能主要由同时解调电路决定。带宽与满刻度量程无关，超出100Hz。若采取专用集成电路降噪，更有利于提升增益和带宽。动态特征：二结构与性能

10/10/16振动陀螺仪简介第16页§3.1石英音叉陀螺仪

（3）性能指标

QRS在高振动环境下仍含有优良性能。振动误差小于0.003º/sg-1。据相关报道，QRS已经取得美国海军、空军等导弹、飞机和舰船上使用资格，标志着QRS设计已进入成熟阶段。振动与环境条件：二结构与性能

10/10/17振动陀螺仪简介第17页§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）是为满足战术准确制导武器在成本、体积和功耗等方面特殊要求，由美国洛克威尔企业和BEI企业联合开发一个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功效电路，包含数字信号处理电路、输入/输出电路及电源电路等。10/10/18振动陀螺仪简介第18页§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-xQRS-yQRS-zVQA-zVQA-xVQA-yQRS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疗电源变换电路ISAIMU次级电源10/10/19振动陀螺仪简介第19页§3.2半球谐振陀螺仪

一工作原理与结构

（1）工作原理

半球谐振陀螺仪是一个速率积分陀螺仪，以薄壳杯形振子振动分析理论为基础：振荡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。10/10/20振动陀螺仪简介第20页§3.2半球谐振陀螺仪

一工作原理与结构

谐振四波腹振型产生进动也是因为哥氏力作用而产生。（1）工作原理

10/10/21振动陀螺仪简介第21页§3.2半球谐振陀螺仪

一工作原理与结构

（2）经典结构

10/10/22振动陀螺仪简介第22页§3.2半球谐振陀螺仪

一工作原理与结构

（3）工作模式

半球杯体激励电压与杯体位置相关。输入转动友好振子参量改变时，经过控制电路使谐振子振型维持在零进动稳定工作状态，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。依据半球谐振子激励方式不一样，半球谐振陀螺有两种工作模式，即“全角度”和“再平衡”方式。

半球杯体激励电压不取决于杯体位置，振型可随输入转动自由进动，振型瞬时位置是积分速率输出，此时，陀螺是作为角速率积分陀螺使用。此时称陀螺仪工作于“全角度”模式。10/10/23振动陀螺仪简介第23页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

（1）闭环检测半球谐振陀螺仪基本工作条件是在外加激励作用下，四波腹振荡位置和幅度不因壳体旋转而改变。

两种激励形式：单点激励和双点激励

10/10/24振动陀螺仪简介第24页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

单点激励BA单点激励难于实现闭环检测10/10/25振动陀螺仪简介第25页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

双点激励BAC在A、C两点施加激励10/10/26振动陀螺仪简介第26页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

双点激励BAC在A、C两点施加激励10/10/27振动陀螺仪简介第27页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

闭环检测分析

闭环检测本质是保持四波腹振荡位置和速度不因杯体旋转而改变。

（n为奇数）最有利于实现四波腹振荡稳定

10/10/28振动陀螺仪简介第28页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

（2）振动信号拾取Cd10/10/29振动陀螺仪简介第29页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

（2）振动信号拾取调频振荡器恒频振荡器混频器带通滤波器整形电路频率电压转换混频器带通滤波器

电容传感器电路框图

10/10/30振动陀螺仪简介第30页§3.2半球谐振陀螺仪

二半球谐振陀螺仪信号检测

（2）振动信号拾取力矩器（16个）信号器（8个）半球振子四波腹振动力矩器与信号器配置10/10/31振动陀螺仪简介第31页§3.3其它经典振动陀螺仪

一振动弦式陀螺仪

振动弦信号磁铁驱动磁铁输入轴驱动信号输出信号10/10/32振动陀螺仪简介第32页§3.3其它经典振动陀螺仪

二振动杯式陀螺仪

输入轴谐振子信号电极驱动电极壳体连接器

10/10/33振动陀螺仪简介第33页§3.3其它经典振动陀螺仪

三振动盘式陀螺仪

10/10/34振动陀螺仪简介第34页§3.3其它经典振动陀螺仪

四振动轮式硅微陀螺仪

10/10/35振动陀螺仪简介第35页§3.3其它经典振动陀螺仪

四振动轮式硅微陀螺仪

10/10/36振动陀螺仪简介第36页§3.3其它经典振动陀螺仪

四振动轮式硅微陀螺仪

10/10/37振动陀螺仪简介第37页§3.3其它经典振动陀螺仪

四振动轮式硅微陀螺仪

10/10/38振动陀螺仪简介第38页§3.3其它经典振动陀螺仪

五梳齿振动硅微陀螺仪

10/10/39振动陀螺仪简介第39页§3.3其它经典振动陀螺仪

五梳齿振动硅微陀螺仪

10/10/40振动陀螺仪简介第40页§3.3其它经典振动陀螺仪

五梳齿振动硅微陀螺仪

10/10/41振动陀螺仪简介第41页