振动陀螺仪简介(1)
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最新第3章振动陀螺仪简介
压电晶体振动陀螺仪
双轴速率传感器（DART） 多功能传感器
2021/1/16
______________________________________
2
____________
§3.1 石英音叉陀螺仪
又称石英音叉速率传感器：Quartz Rate Sensor，QRS
在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐渐发展出 现的一种小型固态惯性器件。
二 结构与性能
（2）驱动与检测电路
2021/1/16
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10
____________
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 满刻度输出：
由于信号处理器可以控制传感器的测量范围和信号带宽，因 此完全依赖控制电路的增益来实现不同的满刻度量程。采用专 用集成电路，可以在标定时通过外加元件调整测量范围。目前 的测量范围在±5—5000度/秒。
第三章 振动陀螺仪简介
2021/1/16
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1
____________
振动陀螺仪
叉形振子振动陀螺仪
石英速率传感器（QRS） 微机械石球谐振陀螺仪（HRG） 固态角速率传感器（START）
对检测电路的基本要求是有足够的灵敏度和信噪比。经放大、 滤波后，在基准频率上同步解调后输出。多数集成电路是双极 性电路，有时还采用数字跟踪滤波器对出现在通带中被检波的 次级谐波加以抑制，以提高基频信号信噪比。
2021/1/16
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振动陀螺仪概述
F c2m 2vmm xn co nst
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
音叉振动陀螺 动力方程
苛氏惯性力矩
T 2 scF 2 ( s 0 x )m m x n co n t s
2 m 0 x m snco n t s T m co n ts
假设音叉对中心轴的转动惯量为 J，阻力系数为 c，扭转刚 度为 k，音叉绕中心轴的角位移为θ ，可导出动力学方程
振动陀螺仪 概述
机械陀螺：基于牛顿力学原理
转子陀螺：三浮、静电， 制造工艺复杂、成本高
振动陀螺：
原理：利用高频振动的质量在被基 座带动旋转时产生的苛氏加速度
特点：结构简单、体积小、重量轻、 可靠性高、承载能力大、性能稳定、 成本低 发展： 1940s-50s，美国研制音叉陀螺 1960s 美国压电振动陀螺（通用）
壳体谐振陀螺
Hemispherical Resonant Gyro (HRG) 工作部件是很薄的圆口壳体，基本 原理是振型偏转
缘于布里安 1890 年的发现和分析
半球形的玻璃杯绕中心线旋转时， 杯口振动的四波腹图案发生偏转
经分析，该现象源于苛氏效应
该 发 现 长 期 未 引 起 注 意 ， 直 到 1980年前后才被利用研制壳体谐振 陀螺仪。
K
壳体谐振陀螺的优点及发展状况
优点 工作精度较高 仪表性能稳定 结构简单、可靠性高 启动时间短 工作频带宽（测量的最 高角速率不受限制） 承受过载能力强 抗辐射能力强 能承受电源中断的影响 体积小成本低
发展状况 1970s 末 美国Delco公司始制 1982 制成惯性级精度的样机 1994 Delco 被Litton 收购 1980s 中期 前苏开始研制 1990s 末 俄进入实用 1987 中国开始研制 1994 受Delco被收购的影响， 国内研制陷入停滞 2019 国内重新恢复
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
音叉振动陀螺 动力方程
苛氏惯性力矩
T 2 scF 2 ( s 0 x )m m x n co n t s
2 m 0 x m snco n t s T m co n ts
假设音叉对中心轴的转动惯量为 J，阻力系数为 c，扭转刚 度为 k，音叉绕中心轴的角位移为θ ，可导出动力学方程
振动陀螺仪 概述
机械陀螺：基于牛顿力学原理
转子陀螺：三浮、静电， 制造工艺复杂、成本高
振动陀螺：
原理：利用高频振动的质量在被基 座带动旋转时产生的苛氏加速度
特点：结构简单、体积小、重量轻、 可靠性高、承载能力大、性能稳定、 成本低 发展： 1940s-50s，美国研制音叉陀螺 1960s 美国压电振动陀螺（通用）
壳体谐振陀螺
Hemispherical Resonant Gyro (HRG) 工作部件是很薄的圆口壳体，基本 原理是振型偏转
缘于布里安 1890 年的发现和分析
半球形的玻璃杯绕中心线旋转时， 杯口振动的四波腹图案发生偏转
经分析，该现象源于苛氏效应
该 发 现 长 期 未 引 起 注 意 ， 直 到 1980年前后才被利用研制壳体谐振 陀螺仪。
K
壳体谐振陀螺的优点及发展状况
优点 工作精度较高 仪表性能稳定 结构简单、可靠性高 启动时间短 工作频带宽（测量的最 高角速率不受限制） 承受过载能力强 抗辐射能力强 能承受电源中断的影响 体积小成本低
发展状况 1970s 末 美国Delco公司始制 1982 制成惯性级精度的样机 1994 Delco 被Litton 收购 1980s 中期 前苏开始研制 1990s 末 俄进入实用 1987 中国开始研制 1994 受Delco被收购的影响， 国内研制陷入停滞 2019 国内重新恢复
振动陀螺仪的原理
振动陀螺仪的原理振动陀螺仪是一种基于旋转惯性原理工作的仪器，用于测量和检测物体的旋转运动。
它的工作原理是利用陀螺仪的转动稳定性和陀螺效应。
下面是对振动陀螺仪原理的详细介绍。
1. 陀螺效应：陀螺效应是指陀螺具有保持稳定旋转轴方向的倾向。
当陀螺受到外界作用力时，其转动轴会发生倾斜，但由于陀螺的旋转惯性，会产生一个与外力方向垂直的力矩，使陀螺重新保持稳定。
2. 工作原理：振动陀螺仪通常由陀螺转子、传感器和信号处理器等部分组成。
陀螺转子由一个通过支撑轴固定的旋转陀螺组成，通过电动机或马达驱动转子旋转。
转子在转动过程中，会受到外界物体旋转的影响，产生陀螺效应。
3. 转动稳定性：振动陀螺仪的工作基于陀螺转子的转动稳定性。
转子旋转时，保持相对刚性的旋转轴，受到外界力矩的影响会产生预cession和nutation两种运动。
预cession是转子旋转轴绕一个垂直于外部力矩的轴缓慢转动，其周期与外部力矩的大小和方向有关。
而nutation是转子轴线绕自身轴线产生的周期性变化。
4. 示性运动：振动陀螺仪中的传感器用于检测陀螺转子的示性运动，从而测量外界力矩对转子的影响。
传感器通常包括压电陶瓷、电容式传感器或光学的方式。
这些传感器可以感知转子的变形或运动，将其转化为相应的电信号，并传递给信号处理器进行处理。
5. 信号处理：信号处理器通常由模数转换器、滤波器、放大器和微处理器等组成。
模数转换器将模拟信号转换为数字信号，滤波器用于去除噪音和干扰，放大器用于放大信号强度，微处理器用于处理和分析信号，并可以输出陀螺仪的测量结果。
6. 应用领域：振动陀螺仪广泛应用于惯性导航、无人机、航天航空、车辆导航、工程测量和地质勘探等领域。
在这些领域中，振动陀螺仪可以提供精确的方向、位置和角速度等信息，用于实时监测和控制。
总结起来，振动陀螺仪的原理是基于陀螺效应和转动稳定性的。
它通过测量和检测陀螺转子的示意运动，实现对物体旋转运动的测量。
【精品】PPT课件 振动陀螺仪 概述共17页
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
振动陀螺仪简介
19世纪末，科学家们开始研究机械振动陀螺仪，其原理是通过振动体的振动来测量 角度或角速度。
20世纪初，随着电子技术的发展，振动陀螺仪逐渐被应用于航空、航天、军事等领 域。
振动陀螺仪的发展阶段
20世纪50年代，随着微电子技术 的发展，振动陀螺仪开始采用微 型化设计，提高了其精度和稳定
性。
20世纪70年代，随着激光技术和 光学技术的发展，光学陀螺仪开 始出现，其精度和可靠性更高。
同时，随着新材升。
04 振动陀螺仪的优缺点分析
振动陀螺仪的优点
01
02
03
04
高精度
振动陀螺仪能够提供高精度的 角速度测量，适用于需要精确
导航和姿态控制的场合。
动态性能好
振动陀螺仪具有较好的动态性 能，能够在快速运动过程中提
供准确的角速度信息。
21世纪初，随着MEMS（微电子 机械系统）技术的发展，MEMS 振动陀螺仪开始广泛应用于消费 电子产品、汽车、游戏等领域。
振动陀螺仪的未来展望
随着科技的不断发展，振动陀螺仪将继续向高精 度、高稳定性、小型化、智能化方向发展。
未来，振动陀螺仪有望在无人驾驶、VR/AR、智 能家居等领域发挥更大的作用。
02 振动陀螺仪的应用领域
航空航天领域
导航系统
惯性测量
振动陀螺仪在航空航天领域中广泛应 用于导航系统，提供准确的姿态和位 置信息，确保飞机和卫星的稳定运行。
振动陀螺仪结合加速度计等其他传感 器，用于测量和计算航天器的运动状 态，为导航和制导系统提供重要参数。
姿态控制
振动陀螺仪能够快速响应并测量角速 度变化，用于控制航天器的姿态调整， 保持正确的指向。
振动陀螺仪通常包含一个弹性支撑的振动梁，该梁在驱动器 的作用下以预定的频率进行振动。当振动梁受到角速度作用 时，科氏力将改变梁的振动轨迹，通过测量这种变化可以推 导出角速度的大小和方向。
20世纪初，随着电子技术的发展，振动陀螺仪逐渐被应用于航空、航天、军事等领 域。
振动陀螺仪的发展阶段
20世纪50年代，随着微电子技术 的发展，振动陀螺仪开始采用微 型化设计，提高了其精度和稳定
性。
20世纪70年代，随着激光技术和 光学技术的发展，光学陀螺仪开 始出现，其精度和可靠性更高。
同时，随着新材升。
04 振动陀螺仪的优缺点分析
振动陀螺仪的优点
01
02
03
04
高精度
振动陀螺仪能够提供高精度的 角速度测量，适用于需要精确
导航和姿态控制的场合。
动态性能好
振动陀螺仪具有较好的动态性 能，能够在快速运动过程中提
供准确的角速度信息。
21世纪初，随着MEMS（微电子 机械系统）技术的发展，MEMS 振动陀螺仪开始广泛应用于消费 电子产品、汽车、游戏等领域。
振动陀螺仪的未来展望
随着科技的不断发展，振动陀螺仪将继续向高精 度、高稳定性、小型化、智能化方向发展。
未来，振动陀螺仪有望在无人驾驶、VR/AR、智 能家居等领域发挥更大的作用。
02 振动陀螺仪的应用领域
航空航天领域
导航系统
惯性测量
振动陀螺仪在航空航天领域中广泛应 用于导航系统，提供准确的姿态和位 置信息，确保飞机和卫星的稳定运行。
振动陀螺仪结合加速度计等其他传感 器，用于测量和计算航天器的运动状 态，为导航和制导系统提供重要参数。
姿态控制
振动陀螺仪能够快速响应并测量角速 度变化，用于控制航天器的姿态调整， 保持正确的指向。
振动陀螺仪通常包含一个弹性支撑的振动梁，该梁在驱动器 的作用下以预定的频率进行振动。当振动梁受到角速度作用 时，科氏力将改变梁的振动轨迹，通过测量这种变化可以推 导出角速度的大小和方向。
三轴振动陀螺仪的原理
三轴振动陀螺仪的原理
三轴振动陀螺仪是一种高精度、高灵敏度的惯性传感器，主要用于测量飞行器、导航系统等物体的角速度和角度变化。
其原理是利用陀螺效应，通过测量陀螺在三个轴向上的振动来确定物体的角速度和角度变化。
陀螺效应是指在旋转的陀螺体上施加外力时，其轴线会产生一个垂直于外力方向的力矩，使其保持原有的方向稳定不变。
这种稳定性可以用来制作陀螺仪，用于测量物体的旋转状态。
三轴振动陀螺仪由三个相互垂直的陀螺体组成，每个陀螺体都可以在其轴向上振动。
当物体发生旋转时，陀螺体会受到惯性力的作用产生相应的振动，通过测量振动信号的幅值和频率，可以计算出物体的角速度和角度变化。
三轴振动陀螺仪的精度和灵敏度取决于陀螺体的设计和制造工艺。
现代的陀螺体采用微纳加工技术制造，可以实现非常高的精度和灵敏度。
此外，三轴振动陀螺仪还可以通过信号处理和滤波技术来提高测量精度和抗干扰能力。
三轴振动陀螺仪广泛应用于航空航天、导航、惯性导航、惯性测量等领域。
在航空航天领域，三轴振动陀螺仪已成为现代飞行器的重要组成部分，可以实现高精度的姿态控制和导航功能。
在导航领域，三轴振动陀螺仪可以和其他传感器（如加速度计、磁力计等）结合
使用，实现高精度的定位和导航。
三轴振动陀螺仪是一种高精度、高灵敏度的惯性传感器，利用陀螺效应测量物体的角速度和角度变化。
其广泛应用于航空航天、导航、惯性测量等领域，是现代科技发展的重要成果之一。
振动陀螺仪概述
高精度化
通过改进设计和制造工艺， 提高振动陀螺仪的测量精 度，以满足更广泛的应用 需求。
智能化
结合传感器融合、人工智 能等技术，实现振动陀螺 仪的智能化，提高其自主 感知和决策能力。
应用前景展望
航空航天
用于导航、姿态控制和稳定系统， 提高飞行器的导航精度和稳定性。
机器人
用于机器人的姿态感知和运动控制， 提高机器人的自主导航和操作能力。
科学研究领域
天文观测
振动陀螺仪为天文观测提供稳定的平台，确保望远镜等观测 设备的准确指向和跟踪，提高天文观测的精度和可靠性。
地球物理勘探
在地球物理勘探中，振动陀螺仪用于测量和记录地震波的传 播方向和速度，为地质勘查和资源勘探提供重要的数据支持 。
03 振动陀螺仪的发展历程
初期发展阶段
19世纪末期
使振动方向发生改变。
通过测量这个方向改变量，可以 推算出物体旋转的角速度。
振动陀螺仪的数学模型
振动陀螺仪的数学模型通常采用线性系统理论来描述，通过建立微分方程来描述振 动系统的动态行为。
该模型通常包括质量、弹性常数、阻尼等参数，通过这些参数可以计算出系统的固 有频率、阻尼比等特性。
在实际应用中，还需要考虑非线性因素和外部干扰的影响，对数学模型进行修正和 优化。
振动陀螺仪的概念开始萌芽，人们开始探索利用振动原理来检测和指示方向。
20世纪初
科学家们开始研究如何将振动陀螺仪应用于导航和制导系统，以提供更准确的姿 态和位置信息。
快速发展阶段
20世纪50年代
随着电子技术和材料科学的进步，振 动陀螺仪的设计和制造技术得到了快 速的发展。
20世纪70年代
微电子技术的引入使得振动陀螺仪的 尺寸大大减小，性能也得到了显著提 高。
三轴振动陀螺仪的原理
三轴振动陀螺仪的原理三轴振动陀螺仪是现代惯性导航系统的核心组成部分之一。
它是一种基于陀螺效应测量旋转角速度和方向的仪器。
本文将介绍三轴振动陀螺仪的原理、构成、工作流程和应用场景。
一、三轴振动陀螺仪的原理1. 陀螺效应陀螺效应是指将陀螺仪转动时，在转速不变的情况下，它的转轴方向会发生偏转的现象。
这是由于旋转的陀螺仪具有巨大的角动量，很难改变其转轴方向，导致其转轴始终维持在原方向上。
2. 三轴振动陀螺仪的结构三轴振动陀螺仪是由三个陀螺仪组成，分别位于 X、Y、Z 三个方向上。
每个陀螺仪都可以测量其所在方向的角速度，通过将三个方向的角速度向量叠加，可以得到物体的总角速度向量。
3. 工作原理在工作时，三轴振动陀螺仪会被安装在测量对象上，并转动以保持其方向。
当测量对象开始旋转时，陀螺仪所在方向会随着旋转而发生偏转，导致在该方向上出现一个陀螺效应。
这时陀螺仪会测量出沿该方向的角速度，从而获得旋转的信息。
二、三轴振动陀螺仪的构成三轴振动陀螺仪包括三个陀螺仪，一个信号处理器、一个控制器和一个电源。
每个陀螺仪都是由一个转子和一个固定部分组成。
转子是由一个旋转的圆盘和一个陀螺轴组成，可以自由旋转。
而固定部分则包括一个支架、一个针轴和一个检测器。
当转子旋转时，陀螺效应会使其转轴和原先的方向有一个角度偏差，这时检测器会感应到转轴的偏移量，并输出相应的信号。
信号处理器则可以处理接收到的信号，并把它们转化为物体的角速度。
控制器可以决定如何使用这些数据，例如通过滤波器消除杂波或对角速度进行积分以计算出物体的角度。
三、三轴振动陀螺仪的工作流程三轴振动陀螺仪的工作流程可以简单地分为三个步骤：感知旋转、转换角速度和积分计算角度。
1. 感知旋转当三轴振动陀螺仪被安装在物体上时，它可以感知到该物体的旋转。
对于每个陀螺仪，当它随物体旋转时，它所在方向的陀螺效应会导致转轴偏离其原先的方向，并产生一个瞬时信号。
2. 转换角速度信号处理器会接收陀螺仪输出的信号，并将其转换为物体的角速度。
振动陀螺仪简介资料
输出与使用环境温度有关，使用前可能会发生输出偏离， 其大小可达满刻度的百分之几。用户可调整阻尼电路中的 偏值调节装置，消除出厂时的剩余偏值。
2020/7/2
12
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 重复性与稳定性：
重复性是指电源多次重复接通时陀螺输出的变化的大小。 在QRS中没有旋转质量陀螺的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。
2020/7/2
14
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 标度因数稳定性及其线性度：
QRS具有良好的标度因数稳定性和线性度，大量的测试 结果已经证明，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。
2020/7/2
15
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
2020/7/2
7
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（2）驱动与检测电路
电路并不复杂。
对驱动电路的主要要求是能激励石英音叉作恒频等幅振动。 由于陀螺的输出信号直接正比于音叉源振动的振幅，因此，对 电路的电流稳定性要求极高。
对检测电路的基本要求是有足够的灵敏度和信噪比。经放大、 滤波后，在基准频率上同步解调后输出。多数集成电路是双极 性电路，有时还采用数字跟踪滤波器对出现在通带中被检波的 次级谐波加以抑制，以提高基频信号信噪比。
又称石英音叉速率传感器：Quartz Rate Sensor，QRS
在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐渐发展出 现的一种小型固态惯性器件。
主要工作部分是石英音叉以及激励电路和测量电路。 音叉是采用特定切向几何宽度和厚度约0.5mm，长度大约几 毫米的石英晶体制成。
2020/7/2
12
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 重复性与稳定性：
重复性是指电源多次重复接通时陀螺输出的变化的大小。 在QRS中没有旋转质量陀螺的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。
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 标度因数稳定性及其线性度：
QRS具有良好的标度因数稳定性和线性度，大量的测试 结果已经证明，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。
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（2）驱动与检测电路
电路并不复杂。
对驱动电路的主要要求是能激励石英音叉作恒频等幅振动。 由于陀螺的输出信号直接正比于音叉源振动的振幅，因此，对 电路的电流稳定性要求极高。
对检测电路的基本要求是有足够的灵敏度和信噪比。经放大、 滤波后，在基准频率上同步解调后输出。多数集成电路是双极 性电路，有时还采用数字跟踪滤波器对出现在通带中被检波的 次级谐波加以抑制，以提高基频信号信噪比。
又称石英音叉速率传感器：Quartz Rate Sensor，QRS
在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐渐发展出 现的一种小型固态惯性器件。
主要工作部分是石英音叉以及激励电路和测量电路。 音叉是采用特定切向几何宽度和厚度约0.5mm，长度大约几 毫米的石英晶体制成。
第3章振动陀螺仪简介
4
§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，超过材料的机 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的范围 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 稳定输出非常重要。 • 驱动振动和敏感振动是在谐振频率附近工作的，振幅的大小直接与频 率有关。驱动振动频率在谐振频率附近稳定，对稳定输出同等重要。 • 谐振频率与音叉的横截面尺寸、石英切型以及电极位置、电极面积都 有关。因此，设计音叉尺寸和电极结构至关重要。 • 输出不仅对匀角速度能够响应，而且对于简谐旋转角速度也能响应。 简谐旋转和谐振驱动振动同时作用在音叉上，哥氏力的频率与二者的和 （差）频相关。
又称石英音叉速率传感器：Quartz Rate Sensor，QRS
在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐渐发展出 现的一种小型固态惯性器件。
主要工作部分是石英音叉以及激励电路和测量电路。 音叉是采用特定切向几何宽度和厚度约0.5mm，长度大约几 毫米的石英晶体制成。
2019/12/16
3
§3.1 石英音叉陀螺仪
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§3.3 其它典型振动陀螺仪
五 梳齿振动硅微陀螺仪
B
2019/12/16 U B ( t,, C )e x p [j( t t0 ) ] c o s 2 ( B k) ]27
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
闭环检测的分析
闭环检测的本质是保持四波腹振荡的位置和速度不因杯体的旋转而变化。
C
QRS 数字信号处理
VQA 驱动与 数字变换电路
ISA
VQA 数字信号处理
自检与故障诊断
振动陀螺仪 概述
假设音叉对中心轴的转动惯量为 J，阻力系数为 c，扭转刚 度为 k，音叉绕中心轴的角位移为θ ，可导出动力学方程
c k T cos t J m n
选取ω n = ω 0（固有频率） 有稳态响应：
角位移由传感器检测， 输出电压的幅值
2ms 0 xm n sin 0t c 2m s0 xm U m ku K c
核心部分：谐振子（Resonator, 一端约束一端开口的薄壁壳体）， 半球形或圆柱形
壳体谐振陀螺 分解\振型\分布图
谐振子：材料、尺寸、 连接、槽口、表面；激 振、四波腹振型 力发生器：环形、离 散；环形提供谐振所需 能量；离散形成振型。 16 个离散电极，激振力 分布及随动。
陀螺分解图 谐振子振型图 力发生器和传感器分布图
振型偏转分析 椭圆1圆
各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合
振型偏转分析 圆椭圆2
各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势
苛氏力产生形变趋势
两种趋势的综合
振型偏转分析 椭圆2 圆
各位置的速度
各位置的苛氏力
质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合 总结：每一次变形过程 振型相对基座的偏转都是 和基座转动方向相反
振动陀螺仪 概述
机械陀螺：基于牛顿力学原理 转子陀螺：三浮、静电， 制造工艺复杂、成本高 1970s后，美国研制壳体 谐振陀螺 1980s初，大规模集成电 路工艺，研制微型振动陀 螺（Sperry，Draper） 精度： 音叉、压电、微机械： 精度较低（战术导弹、车 辆、坦克、雷达） 壳体谐振陀螺：精度较 高，可达惯性级，是光学 陀螺仪的竞争者。
传感器：电容式、检 测波形偏转， 8 个电极， 振型对电极输出的影响。
c k T cos t J m n
选取ω n = ω 0（固有频率） 有稳态响应：
角位移由传感器检测， 输出电压的幅值
2ms 0 xm n sin 0t c 2m s0 xm U m ku K c
核心部分：谐振子（Resonator, 一端约束一端开口的薄壁壳体）， 半球形或圆柱形
壳体谐振陀螺 分解\振型\分布图
谐振子：材料、尺寸、 连接、槽口、表面；激 振、四波腹振型 力发生器：环形、离 散；环形提供谐振所需 能量；离散形成振型。 16 个离散电极，激振力 分布及随动。
陀螺分解图 谐振子振型图 力发生器和传感器分布图
振型偏转分析 椭圆1圆
各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合
振型偏转分析 圆椭圆2
各位置的速度 各位置的苛氏力 质量环原来形变趋势
苛氏力产生形变趋势
两种趋势的综合
振型偏转分析 椭圆2 圆
各位置的速度
各位置的苛氏力
质量环原来形变趋势 苛氏力产生形变趋势 两种趋势的综合 总结：每一次变形过程 振型相对基座的偏转都是 和基座转动方向相反
振动陀螺仪 概述
机械陀螺：基于牛顿力学原理 转子陀螺：三浮、静电， 制造工艺复杂、成本高 1970s后，美国研制壳体 谐振陀螺 1980s初，大规模集成电 路工艺，研制微型振动陀 螺（Sperry，Draper） 精度： 音叉、压电、微机械： 精度较低（战术导弹、车 辆、坦克、雷达） 壳体谐振陀螺：精度较 高，可达惯性级，是光学 陀螺仪的竞争者。
传感器：电容式、检 测波形偏转， 8 个电极， 振型对电极输出的影响。
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【精品】PPT课件 振动陀螺仪 概述
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23Байду номын сангаас要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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U (t, ,)
GB A
exp[
j(t
t0 )]cos 2(
k)
单点激励难于实现闭环检测
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26
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
双点激励
在A、C两点施加激励
C B A
U B (t, )
GB A
exp[ j(t
t0 )]cos 2
UB (t,
C )
GB C
exp[ j(t
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
（1）闭环检测
半球谐振陀螺仪的基本工作条件是在外加激励的作用下， 四波腹振荡的位置和幅度不因壳体的旋转而改变。
两种激励形式：单点激励和双点激励
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25
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
单点激励
B
A
FA (t) F0 (t) ( ) F0 (t) A exp[ j(t t0 )]
又称石英音叉速率传感器：Quartz Rate Sensor，QRS
在音叉振动陀螺和压电晶体陀螺仪基础上逐渐发展出 现的一种小型固态惯性器件。
主要工作部分是石英音叉以及激励电路和测量电路。音 叉是采用特定切向几何宽度和厚度约0.5mm，长度大约几毫 米的石英晶体制成。
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3
§3.1 石英音叉陀螺仪
稳定性通常分为短期、中期和长期稳定性三种。短期稳 定性一般指启动后的最初几分钟，中期稳定性一般指几天 到几十天，而长期稳定性则指一年以上。
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13
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 偏值稳定性：
偏值稳定性是指在一定温度范围内偏值的稳定性，是陀螺 的关键性指标之一。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，而是采用温度补偿的方 法，即反复测量确定各敏感元件与温度间的最佳关系，通 过输出补偿就可以达到较高的精度。
d
C0
A
d0
0r A
d0
2021/2/5
C
C0
C0
0r A
d0
d
30
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
（2）振动信号的拾取
调频 振荡器
恒频 振荡器
带
混
通
频
滤
器
波
器
频率
整
电压 转换
形
混频
电
器
路
电容传感器的电路框图
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带 通 滤 波 器
31
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
据有关报道，QRS已经取得美国海军、空军等的导弹、 飞机和舰船上的使用资格，标志着QRS的设计已进入成熟 阶段。
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§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）是为满足战术精确制导武器 在成本、体积和功耗等方面的特殊要求，由美国洛克威尔公 司和BEI公司联合开发的一种新型固态惯性测量装置。
壳体 连接 器
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34
§3.3 其它典型振动陀螺仪
三 振动盘式陀螺仪
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§3.3 其它典型振动陀螺仪
四 振动轮式硅微陀螺仪
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§3.3 其它典型振动陀螺仪
四 振动轮式硅微陀螺仪
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37
§3.3 其它典型振动陀螺仪
四 振动轮式硅微陀螺仪
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第三章 振动陀螺仪简介
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1
振动陀螺仪
叉形振子振动陀螺仪 杯形振子振动陀螺仪 压电晶体振动陀螺仪
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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 半球谐振陀螺仪（HRG）
固态角速率传感器（START） 双轴速率传感器（DART）
多功能传感器
2
§3.1 石英音叉陀螺仪
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 标度因数稳定性及其线性度：
QRS具有良好的标度因数稳定性和线性度，大量的测试 结果已经证明，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。
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
C
n （n为奇数）最有利于实现四波腹振荡的稳定
4
B A2 C2
B
1 2
tan 1
C
/
A
(n=1)
UB (t, , C )
A2 C2
exp[
j(t
t0
)]
cos
2(
1 2
tan 1
C A
k )]
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§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
（2）振动信号的拾取 C
是相对壳体进动。 k
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20
§3.2半球谐振陀螺仪
一 工作原理与结构
（1）工作原理
k
Ω k
谐振的四波腹振型产生进 动也是由于哥氏力的作用 而产生的。
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21
§3.2半球谐振陀螺仪
一 工作原理与结构
（2）典型结构
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22
§3.2半球谐振陀螺仪
一 工作原理与结构
DQI由两部分组成：一部分是ISA及其处理电路，另一部 分是IMU功能电路，包括数字信号处理电路、输入/输出电 路及电源电路等。
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§3.1 石英音叉陀螺仪
三 数字石英惯性测量装置
QRS-x QRS-y QRS-z VQA-x VQA -y VQA -z
QRS 驱动与 数字变换电路
t0 )]cos 2(
C )
UB
(t, ,
C
)
G0
exp[ j(t t0 )][ Acos 2 C cos 2( C )]
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§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
双点激励
在A、C两点施加激励
C B A
UB (t, ,
C )
G0 B
exp[ j(t t0 )] cos 2(
4
§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，超过材料的机 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的范围 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 稳定输出非常重要。 • 驱动振动和敏感振动是在谐振频率附近工作的，振幅的大小直接与频率 有关。驱动振动频率在谐振频率附近稳定，对稳定输出同等重要。 • 谐振频率与音叉的横截面尺寸、石英切型以及电极位置、电极面积都有 关。因此，设计音叉尺寸和电极结构至关重要。 • 输出不仅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 谐旋转和谐振驱动振动同时作用在音叉上，哥氏力的频率与二者的和 （差）频相关。
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23
皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的， 全身性疾病，而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下：
1、早期皮肌炎患者，还往往伴 有全身不适症状，如-全身肌肉酸 痛，软弱无力，上楼梯时感觉两 腿费力；举手梳理头发时，举高 手臂很吃力；抬头转头缓慢而费 力。
QRS 数字信号处理
VQA 驱动与 数字变换电路
ISA
VQA 数字信号处理
自检与故障诊断
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IMU 处理器与接口
信息输出
次级电源 电源变换电路
外部 电源
IMU
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§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种速 率积分陀螺仪，以薄壳杯 形振子的振动分析理论为 基础：振荡的轴对称壳体 绕中心轴旋转时，环线振 型不再相对壳体静止，而
• 动态特性：
与转子陀螺仪不同，QRS的动态性能主要由同步解调电 路决定。带宽与满刻度量程无关，超过100Hz。若采用专 用集成电路降噪，更有利于提高增益和带宽。
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 振动与环境条件：
QRS在高振动环境下仍具有优良性能。振动误差小于 0.003º/sg-1。
• 满刻度输出：
由于信号处理器可以控制传感器的测量范围和信号带宽，因 此完全依赖控制电路的增益来实现不同的满刻度量程。采用专 用集成电路，可以在标定时通过外加元件调整测量范围。目前 的测量范围在±5—5000度/秒。
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 偏值调整：
一 工作原理
音叉在激励电信号作用下引起 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，由于哥氏惯性力，从而激发 出垂直于原振动平面的感生振动。 感生振动的振幅与转动的角速度 成正比，感生振动通过石英的压 电效应再产生一个压电信号，通 过测量该压电信号即可测量转动 的角速度。
2021/2/5
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（1）石英音叉的基本结构
几何尺寸也是要考虑的问题。几何 尺寸（晶片的长度、宽度、厚度） 决定了音叉振动的频率特性。音叉 的弯曲振动模式决定了它工作在低 频区，已见报道的石英音叉工作频 率在10-40kHz。 最复杂的问题是它的电极设计，包 括电极结构、电极位置、电极面积、 电极引线布局等等。