惯性器件及应用课程教学大纲

惯性器件及应用课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：201404114课程中文名称：惯性器件及应用课程英文名称：InertialSensorandApplication课程性质：专业核心课程开课专业：测控技术与仪器开课学期：5总学时：40（其中理论36学时，实验4学时）总学分：2.5二、课程目标目标1：掌握方向余弦矩阵及欧拉角等刚体姿态描述方法，能够利用定点转动刚体动力学原理解释陀螺仪稳定及进动等自然现象。（对应指标点1-3）目标2：掌握利用刚体动力学原理推导转子陀螺仪完整动力学方程方法，理解其工程简化的基本含义，并根据不同陀螺仪及加速度计的结构、工作机理及技术方程，判断惯性器件的基本误差源及其表现形式。（对应指标点2-3）目标3：掌握光学陀螺仪等现代陀螺仪的基本结构及工作原理，能够初步设计光学陀螺仪、振动陀螺仪、微机械陀螺仪等信号处理电路的基本结构。（对应指标点3-2）目标4：通过设计和观察实验现象养成善于观察、独立思考的习惯。（对应指标点4-1）三、教学基本要求1、通过学习方向余弦矩阵及欧拉角等刚体姿态描述方法学习，掌握坐标变换的基本概念及其物理含义，使学生建立起载体姿态的三维空间概念，理解姿态表述、测量的基本思想。（对应目标1）2、能够利用刚体动力学基本方程推导转子陀螺仪的完整动力学方程，并利用技术方程正确解释陀螺仪稳定和进动等基本自然现象，掌握陀螺仪在各种基本输入状态下的响应特性，掌握陀螺仪误差分析与建模的基本方法，了解陀螺仪测试的基本步骤和数据处理方法。了解常规加速度计的基本工作原理及构成。（对应目标2）3、通过学习激光陀螺、光纤陀螺及振动陀螺基本原理，了解现代陀螺仪的主要构成和现有信号处理方案的特点及存在的不足。（对应目标3）4、通过实验现象观察和撰写实验报告，学会分析基本客观规律的基本方法，并进行正确表述。（对应目标4）四、教学内容与学时分配1绪论（2学时）1.1惯性器件的基本分类、组成1.2惯性器件及相关技术的应用领域及发展趋势2刚体转子陀螺仪的力学基础（6学时）2.1刚体定点转动的数学描述方法2.2哥氏定理与哥氏加速度、刚体定点转动的角动量定理和欧拉方程2.3定点转动的四元数描述方法3加速度的测量与加速度计（4学时）3.1加速度的测量原理3.2摆氏加速度计、挠性加速度计和陀螺积分加速度计的结构、工作原理及动力学方程3.3微机械加速度计的测量原理与信号处理方法4旋转质量陀螺仪的基本特性及动力学方程（6学时）4.1自由陀螺仪的基本特性及其物理实质4.2二自由度陀螺仪的运动方程和基本运动特性分析4.3单自由度陀螺仪的运动方程和基本运动特性分析5典型刚体转子陀螺仪的基本结构及组成（4学时）5.1三浮陀螺仪、静电陀螺仪的基本组成和工作原理5.2动力调谐陀螺仪的基本组成和工作原理6振动陀螺仪的基本工作原理及结构（6学时）6.1石英音叉陀螺仪的基本工作原理及结构6.2半球谐振陀螺仪的基本工作原理及组成6.3硅微陀螺仪的基本工作原理及组成7光学角速度敏感器（4学时）7.1光学角速度敏感器的一般原理7.2环形激光陀螺仪7.3干涉式光纤陀螺仪8惯性器件的应用简介（4学时）8.1陀螺仪表及其组成8.2惯性导航系统及其基本组成五、教学方法及手段1、课堂教学针对学生空间转动概念建立困难的问题，结合多媒体等现代教学手段，对陀螺仪稳定及进动现象进行视频演示以提高教学效果；结合生活中的自然现象，将陀螺仪进动理论等抽象问题浅显化，组织教案，剖析重点难点问题，并逐步引申至实际工程问题；将科研成果和惯性器件特别是光学陀螺仪、MEMS惯性器件发展趋势及应用范围引入教学，保持教学内容的新颖性，并调动学生对课程的兴趣；鼓励学生利用所掌握的数理知识，观察生活中的物理现象，引导学生结合所学理论进行解释，鼓励学生深入思考。2、实践性教学为课程设计4学时实验。课堂教学和实验教学相结合，实验前提出问题，实验后用理论解释实验现象，加深对课程知识理解和掌握，提高理论与实际相结合意识。根据实验内容讲解实验与工程应用的关系，增强学生综合运用知识的能力。3、多环节训练相结合通过作业和随机问答等多种形式，巩固学习成果，提高学生学习兴趣和效率。六、实验（或）上机内容实验一：自由陀螺仪的三大特性（1学时）。实验二：自由陀螺仪相对地球的视运动（1学时）。实验三：陀螺漂移的多位置测试（1学时）。实验四：线加速度计的静态测试（1学时）七、前续课程、后续课程前续课程：大学物理A、理论力学B、自动控制理论后续课程：惯性导航系统八、参考教材及学习资源刘繁明.惯性器件及应用.哈尔滨工业大学出版社，2013年吴俊伟.惯性技术基础.哈尔滨工程大学出版社，2005年刘希珠.雷田玉.陀螺力学基础.清华大学出版社，1987年陆恺.陀螺仪原理及应用.国防工业出版社，1981年杨培根.光电惯性技术.兵器工业出版社，1999年九、考核方式教学要求考核方式占总成绩的比例1．通过学习方向余弦矩阵及欧拉角等刚体姿态描述方法学习，掌握坐标变换的基本概念及其物理含义，使学生建立起载体姿态的三维空间概念，理解姿态表述与测量的基本思想。卷面考试30%平时作业5%2．能够利用刚体动力学基本方程推导转子陀螺仪的完整动力学方程，并利用技术方程正确解释陀螺仪稳定和进动等基本自然现象，掌握陀螺仪在各种基本输入状态下的响应特性，掌握陀螺仪误差分析与建模的基本方法，了解陀螺仪测试的基本步骤和数据处理方法。了解常规加速度计的基本工作原理及构