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）微機械石英晶體轉叉陀螺儀微硅轉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，從而使音叉以某一固定頻率作等幅振動。當音叉旋轉時，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動的角速度成正比，感生振動通過石英的壓電效應再產生一個壓電信號，通過測量該壓電信號即可測量轉動的角速度。

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一工作原理

驅動振幅越大，可使敏感電極信號越大。但振幅過大，超過材料的機械強度時出現(xiàn)非線性，直接影響標度因數(shù)。驅動振幅應該在允許的范圍內選取較大值，同時必須保持恒幅。為此，驅動電流保持恒定，對保持穩(wěn)定輸出非常重要。驅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。驅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。因此，設計音叉尺寸和電極結構至關重要。輸出不僅對勻角速度能夠響應，而且對于簡諧旋轉角速度也能響應。簡諧旋轉和諧振驅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。

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二結構與性能

（1）石英音叉的基本結構

主要部件就是石英音叉，其結構雖然較為簡單，但電極的結構、幾何尺寸等設計方案多種多樣。設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）石英音叉的基本結構

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決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。最復雜的問題是它的電極設計，包括電極結構、電極位置、電極面積、電極引線布局等等。

二結構與性能

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（2）驅動與檢測電路

電路并不復雜。對驅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。經放大、濾波后，在基準頻率上同步解調后輸出。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。二結構與性能

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（2）驅動與檢測電路二結構與性能

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

（2）驅動與檢測電路二結構與性能

2024/11/711§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標

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現(xiàn)不同的滿刻度量程。采用專用集成電路，可以在標定時通過外加元件調整測量范圍。目前的測量范圍在±5—5000度/秒。二結構與性能

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（3）性能指標

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

偏值調整：二結構與性能

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（3）性能指標

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

重復性與穩(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。二結構與性能

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（3）性能指標

偏值穩(wěn)定性是指在一定溫度范圍內偏值的穩(wěn)定性，是陀螺的關鍵性指標之一。同類陀螺中這項指標QRS最好。通常情況下內部并不需要進行溫度控制，而是采用溫度補償?shù)姆椒ǎ捶磸蜏y量確定各敏感元件與溫度間的最佳關系，通過輸出補償就可以達到較高的精度。

偏值穩(wěn)定性：二結構與性能

2024/11/715§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標

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

標度因數(shù)穩(wěn)定性及其線性度：二結構與性能

2024/11/716§3.1石英音叉陀螺儀

（3）性能指標

與轉子陀螺儀不同，QRS的動態(tài)性能主要由同步解調電路決定。帶寬與滿刻度量程無關，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：二結構與性能

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（3）性能指標

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)有關報道，QRS已經取得美國海軍、空軍等的導彈、飛機和艦船上的使用資格，標志著QRS的設計已進入成熟階段。

振動與環(huán)境條件：二結構與性能

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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)術精確制導武器在成本、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驅動與數(shù)字變換電路VQA驅動與數(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

一工作原理與結構

（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：振蕩的軸對稱殼體繞中心軸旋轉時，環(huán)線振型不再相對殼體靜止，而是相對殼體進動。2024/11/721§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結構

諧振的四波腹振型產生進動也是由于哥氏力的作用而產生的。（1）工作原理

2024/11/722§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結構

（2）典型結構

2024/11/723§3.2半球諧振陀螺儀

一工作原理與結構

（3）工作模式

半球杯體的激勵電壓與杯體的位置有關。輸入轉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，振型可隨輸入轉動自由進動，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而改變。

兩種激勵形式：單點激勵和雙點激勵

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二半球諧振陀螺儀的信號檢測

單點激勵BA單點激勵難于實現(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

雙點激勵BAC在A、C兩點施加激勵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

雙點激勵BAC在A、C兩點施加激勵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)檢測的本質是保持四波腹振蕩的位置和速度不因杯體的旋轉而變化。

（n為奇數(shù)）最有利于實現(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

振動弦信號磁鐵驅動磁鐵輸入軸驅動信號輸出信號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

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