第章振動(dòng)陀螺儀簡(jiǎn)介

1、第 三 章振動(dòng)(zhndng)陀螺儀簡(jiǎn)介 7/19/20221共四十七頁(yè)振動(dòng)(zhndng)陀螺儀杯形振子振動(dòng)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(dòng)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(dòng)陀螺儀雙軸速率傳感器（DART）多功能傳感器7/19/20222共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 又稱石英音叉(ynch)速率傳感器：Quartz Rate Sensor，QRS 在音叉振動(dòng)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(lì)電路和測(cè)量電路。音叉是采用特定切向幾何寬

2、度和厚度約0.5mm，長(zhǎng)度大約幾毫米的石英晶體制成。 7/19/20223共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 一 工作(gngzu)原理 音叉在激勵(lì)電信號(hào)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(dòng)。當(dāng)音叉旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于哥氏慣性力，從而激發(fā)出垂直于原振動(dòng)平面的感生振動(dòng)。感生振動(dòng)的振幅與轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度成正比，感生振動(dòng)通過(guò)石英的壓電效應(yīng)再產(chǎn)生一個(gè)壓電信號(hào)，通過(guò)測(cè)量該壓電信號(hào)即可測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。 7/19/20224共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 一 工作(gngzu)原理 驅(qū)動(dòng)振幅越大，可使敏感電極信號(hào)越大。但振幅過(guò)大，超過(guò)材料的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)非線性，直接影響標(biāo)

3、度因數(shù)。驅(qū)動(dòng)振幅應(yīng)該在允許的范圍內(nèi)選取較大值，同時(shí)必須保持恒幅。為此，驅(qū)動(dòng)電流保持恒定，對(duì)保持穩(wěn)定輸出非常重要。 驅(qū)動(dòng)振動(dòng)和敏感振動(dòng)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(dòng)振動(dòng)頻率在諧振頻率附近穩(wěn)定，對(duì)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(jì)音叉尺寸和電極結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。 輸出不僅對(duì)勻角速度能夠響應(yīng)，而且對(duì)于簡(jiǎn)諧旋轉(zhuǎn)角速度也能響應(yīng)。簡(jiǎn)諧旋轉(zhuǎn)和諧振驅(qū)動(dòng)振動(dòng)同時(shí)作用在音叉上，哥氏力的頻率與二者的和（差）頻相關(guān)。 7/19/20225共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 二 結(jié)構(gòu)(jigu)與性能 （1）石英音叉的基本結(jié)構(gòu)

4、 主要部件就是石英音叉，其結(jié)構(gòu)雖然較為簡(jiǎn)單，但電極的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等設(shè)計(jì)方案多種多樣。 設(shè)計(jì)時(shí)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。7/19/20226共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （1）石英音叉的基本(jbn)結(jié)構(gòu) 幾何尺寸也是要考慮的問(wèn)題。幾何尺寸（晶片的長(zhǎng)度、寬度、厚度）決定了音叉振動(dòng)的頻率特性。音叉的彎曲振動(dòng)模式?jīng)Q定了它工作在低頻區(qū)，已見(jiàn)報(bào)道的石英音叉工作頻率在10-40kHz。最復(fù)雜的問(wèn)題是它的電極設(shè)計(jì)，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)

5、構(gòu)與性能 7/19/20227共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （2）驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)(jin c)電路 電路并不復(fù)雜。 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的主要要求是能激勵(lì)石英音叉作恒頻等幅振動(dòng)。由于陀螺的輸出信號(hào)直接正比于音叉源振動(dòng)的振幅，因此，對(duì)電路的電流穩(wěn)定性要求極高。 對(duì)檢測(cè)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(shí)還采用數(shù)字跟蹤濾波器對(duì)出現(xiàn)在通帶中被檢波的次級(jí)諧波加以抑制，以提高基頻信號(hào)信噪比。二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/20228共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （2）驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)(jin c)電路 二 結(jié)構(gòu)與性能

6、 濾波放大器濾波放大器放大器放大器AMP AGCAGCREF驅(qū)動(dòng)音叉?zhèn)鞲衅饕舨?/19/20229共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （2）驅(qū)動(dòng)(q dn)與檢測(cè)電路 二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/202210共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （3）性能指標(biāo) 滿刻度(kd)輸出： 由于信號(hào)處理器可以控制傳感器的測(cè)量范圍和信號(hào)帶寬，因此完全依賴控制電路的增益來(lái)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(shí)通過(guò)外加元件調(diào)整測(cè)量范圍。目前的測(cè)量范圍在55000度/秒。二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/202211共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （3）性能指標(biāo) 輸出

7、與使用環(huán)境溫度有關(guān)，使用前可能會(huì)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(zhungzh)，消除出廠時(shí)的剩余偏值。 偏值調(diào)整：二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/202212共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)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(shí)陀螺輸出的變化的大小。在QRS中沒(méi)有(mi yu)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺的轉(zhuǎn)子定心等平衡問(wèn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性三種。短期穩(wěn)定性一般指啟動(dòng)后的最初幾分鐘，中期穩(wěn)定性一般指幾天到幾十天，而長(zhǎng)期穩(wěn)定性則指一年以上。二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/2022

8、13共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （3）性能指標(biāo) 偏值穩(wěn)定性是指在一定(ydng)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ǎ捶磸?fù)測(cè)量確定各敏感元件與溫度間的最佳關(guān)系，通過(guò)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 7/19/202214共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)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(cè)試結(jié)果已經(jīng)證明，其線性度在運(yùn)行過(guò)程(guchng)中約在10-5量級(jí)，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

9、性度：二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/202215共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （3）性能指標(biāo) 與轉(zhuǎn)子陀螺儀不同，QRS的動(dòng)態(tài)性能主要由同步(tngb)解調(diào)電路決定。帶寬與滿刻度量程無(wú)關(guān)，超過(guò)100Hz。若采用專用集成電路降噪，更有利于提高增益和帶寬。 動(dòng)態(tài)特性：二 結(jié)構(gòu)與性能 7/19/202216共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 （3）性能指標(biāo) QRS在高振動(dòng)環(huán)境下仍具有優(yōu)良性能。振動(dòng)誤差小于0.003/sg-1。 據(jù)有關(guān)報(bào)道，QRS已經(jīng)取得(qd)美國(guó)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(jì)已進(jìn)入成熟階段。 振動(dòng)與環(huán)境條件：二 結(jié)構(gòu)與性能

10、7/19/202217共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 三 數(shù)字石英慣性測(cè)量(cling)裝置 數(shù)字石英慣性測(cè)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(guó)洛克威爾公司和BEI公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一種新型固態(tài)慣性測(cè)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(hào)處理電路、輸入/輸出電路及電源電路等。7/19/202218共四十七頁(yè)3.1 石英(shyng)音叉陀螺儀 三 數(shù)字石英(shyng)慣性測(cè)量裝置 信息輸出外部電源QRS-xQRS-yQRS-zVQA -zVQA-xVQA -yQRS驅(qū)動(dòng)與數(shù)字變

11、換電路VQA驅(qū)動(dòng)與數(shù)字變換電路QRS數(shù)字信號(hào)處理VQA數(shù)字信號(hào)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(jí)電源7/19/202219共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 一 工作原理(yunl)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(dòng)分析理論為基礎(chǔ)：振蕩的軸對(duì)稱殼體繞中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，環(huán)線振型不再相對(duì)殼體靜止，而是相對(duì)殼體進(jìn)動(dòng)。7/19/202220共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 一 工作原理(yunl)與結(jié)構(gòu) 諧振的四波腹振型產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)也是由于哥氏力的作用而產(chǎn)生的。（1）工作原理 7/19/202221共四十七頁(yè)3.

12、2半球諧振(xizhn)陀螺儀 一 工作原理(yunl)與結(jié)構(gòu) （2）典型結(jié)構(gòu) 7/19/202222共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 一 工作(gngzu)原理與結(jié)構(gòu) （3）工作模式 半球杯體的激勵(lì)電壓與杯體的位置有關(guān)。輸入轉(zhuǎn)動(dòng)和諧振子參量變化時(shí)，通過(guò)控制電路使諧振子振型維持在零進(jìn)動(dòng)的穩(wěn)定工作狀態(tài)，此時(shí)，陀螺是作為角速率陀螺。此時(shí)稱陀螺儀工作于“再平衡” 模式。 根據(jù)半球諧振子的激勵(lì)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(lì)電壓不取決于杯體的位置，振型可隨輸入轉(zhuǎn)動(dòng)自由進(jìn)動(dòng)，振型的瞬時(shí)位置是積分速率輸出，此時(shí)，陀螺是作為角速率積分陀螺使用。

13、此時(shí)稱陀螺儀工作于“全角度”模式。7/19/202223共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振(xizhn)陀螺儀的信號(hào)檢測(cè) （1）閉環(huán)檢測(cè) 半球諧振陀螺儀的基本工作條件是在外加激勵(lì)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(lì)形式：?jiǎn)吸c(diǎn)激勵(lì)和雙點(diǎn)激勵(lì) 7/19/202224共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振陀螺儀的信號(hào)(xnho)檢測(cè) 單點(diǎn)激勵(lì)BA單點(diǎn)激勵(lì)難于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)檢測(cè)7/19/202225共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振陀螺儀的信號(hào)(xnho)檢測(cè) 雙點(diǎn)激勵(lì)BAC在A、C兩點(diǎn)施加激勵(lì)7/19/2022

14、26共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振陀螺儀的信號(hào)(xnho)檢測(cè) 雙點(diǎn)激勵(lì)BAC在A、C兩點(diǎn)施加激勵(lì)7/19/202227共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振陀螺儀的信號(hào)(xnho)檢測(cè) 閉環(huán)檢測(cè)的分析 閉環(huán)檢測(cè)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 7/19/202228共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振(xizhn)陀螺儀的信號(hào)檢測(cè) （2）振動(dòng)信號(hào)的拾取 Cd7/19/202229共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振(xizhn)陀螺儀的

15、信號(hào)檢測(cè) （2）振動(dòng)信號(hào)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 7/19/202230共四十七頁(yè)3.2半球諧振(xizhn)陀螺儀 二 半球諧振陀螺儀的信號(hào)(xnho)檢測(cè) （2）振動(dòng)信號(hào)的拾取 力矩器（16個(gè)）信號(hào)器（8個(gè)）半球振子四波腹振動(dòng)力矩器與信號(hào)器的配置7/19/202231共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 一 振動(dòng)(zhndng)弦式陀螺儀 振動(dòng)弦信號(hào)磁鐵驅(qū)動(dòng)磁鐵輸入軸驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出信號(hào)7/19/202232共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 二 振動(dòng)(zhndng)杯式陀螺儀

16、輸入軸諧振子信號(hào)電極驅(qū)動(dòng)電極殼體連接器 7/19/202233共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 三 振動(dòng)盤(pán)式陀螺儀 7/19/202234共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 四 振動(dòng)(zhndng)輪式硅微陀螺儀 7/19/202235共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 四 振動(dòng)(zhndng)輪式硅微陀螺儀 7/19/202236共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 四 振動(dòng)(zhndng)輪式硅微陀螺儀 7/19/202237共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 四 振動(dòng)(zhndng)輪式硅微陀螺儀 7/19/202

17、238共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202239共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202240共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202241共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202242共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202243共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202244共四十七頁(yè)3.3 其它(qt)典型振動(dòng)陀螺儀 五 梳齒(sh ch)振動(dòng)硅微陀螺儀 7/19/202245共四十七頁(yè)3.3 其它典型(dinxng)振動(dòng)陀螺儀 六 壓電陀螺儀 7/19/202246共四十七頁(yè)內(nèi)容摘要第 三 章。2/1/2022。2/1/2022。又稱石英音叉速率傳感器：Quartz Ra