振動陀螺儀簡介.ppt

2019/7/2,1,第 三 章,振動陀螺儀簡介,2019/7/2,2,振動陀螺儀,2019/7/2,3,3.1 石英音叉陀螺儀,一 工作原理,又稱石英音叉速率傳感器：Quartz Rate Sensor，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。,2019/7/2,4,3.1 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(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。,2019/7/2,5,3.1 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，超過材料的機械強度時出現(xiàn)非線性，直接影響標度因數(shù)。驅(qū)動振幅應該在允許的范圍內(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，而且對于簡諧旋轉(zhuǎn)角速度也能響應。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)。,2019/7/2,6,3.1 石英音叉陀螺儀,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(nèi)能有穩(wěn)定輸出。,2019/7/2,7,3.1 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。 最復雜的問題是它的電極設計，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,2019/7/2,8,3.1 石英音叉陀螺儀,（2）驅(qū)動與檢測電路,電路并不復雜。 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,2019/7/2,9,3.1 石英音叉陀螺儀,（2）驅(qū)動與檢測電路,二 結(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,10,3.1 石英音叉陀螺儀,（2）驅(qū)動與檢測電路,二 結(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,11,3.1 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(diào)整測量范圍。目前的測量范圍在55000度/秒。,二 結(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,12,3.1 石英音叉陀螺儀,（3）性能指標,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,2019/7/2,13,3.1 石英音叉陀螺儀,（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(zhuǎn)質(zhì)量陀螺的轉(zhuǎn)子定心等平衡問題，所以其重復性通常優(yōu)于旋轉(zhuǎn)質(zhì)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(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,14,3.1 石英音叉陀螺儀,（3）性能指標,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)鍵性指標之一。同類陀螺中這項指標QRS最好。通常情況下內(nèi)部并不需要進行溫度控制，而是采用溫度補償?shù)姆椒?，即反復測量確定各敏感元件與溫度間的最佳關(guān)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(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,15,3.1 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(jié)果已經(jīng)證明，其線性度在運行過程中約在10-5量級，比同類轉(zhuǎn)子陀螺儀還要好得多。,標度因數(shù)穩(wěn)定性及其線性度：,二 結(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,16,3.1 石英音叉陀螺儀,（3）性能指標,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,2019/7/2,17,3.1 石英音叉陀螺儀,（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0.003/sg-1。 據(jù)有關(guān)報道，QRS已經(jīng)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(jié)構(gòu)與性能,2019/7/2,18,3.1 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。,2019/7/2,19,3.1 石英音叉陀螺儀,三 數(shù)字石英慣性測量裝置,2019/7/2,20,3.2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：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，而是相對殼體進動。,2019/7/2,21,3.2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)生進動也是由于哥氏力的作用而產(chǎn)生的。,（1）工作原理,2019/7/2,22,3.2半球諧振陀螺儀,一 工作原理與結(jié)構(gòu),（2）典型結(jié)構(gòu),2019/7/2,23,3.2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。,2019/7/2,24,3.2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：單點激勵和雙點激勵,2019/7/2,25,3.2半球諧振陀螺儀,二 半球諧振陀螺儀的信號檢測,單點激勵,單點激勵難于實現(xiàn)閉環(huán)檢測,2019/7/2,26,3.2半球諧振陀螺儀,二 半球諧振陀螺儀的信號檢測,雙點激勵,在A、C兩點施加激勵,2019/7/2,27,3.2半球諧振陀螺儀,二 半球諧振陀螺儀的信號檢測,雙點激勵,在A、C兩點施加激勵,2019/7/2,28,3.2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)）,最有利于實現(xiàn)四波腹振蕩的穩(wěn)定,2019/7/2,29,3.2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,C,d,2019/7/2,30,3.2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,電容傳感器的電路框圖,2019/7/2,31,3.2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,四波腹振動力矩器與信號器的配置,2019/7/2,32,3.3 其它典型振動陀螺儀,一 振動弦式陀螺儀,2019/7/2,33,3.3 其它典型振動陀螺儀,二 振動杯式陀螺儀,2019/7/2,34,3.3 其它典型振動陀螺儀,三 振動盤式陀螺儀,2019/7/2,35,3.3 其它典型振動陀螺儀,四 振動輪式硅微陀螺儀,2019/7/2,36,3.3 其它典型振動陀螺儀,四 振動輪式硅微陀螺儀,2019/7/2,37,3.3 其它典型振動陀螺儀,四 振動輪式硅微陀螺儀,2019/7/2,38,3.3 其它典型振動陀螺儀,四 振動輪式硅微陀螺儀,2019/7/2,39,3.3 其它典型振動陀螺儀,五 梳齒振動硅微陀螺儀,2019/7/2,40,3.3 其它典型振動陀螺儀,五 梳齒振動硅微陀螺儀,2019/7/2,41,3.3 其它