第3章振动陀螺仪简介培训讲学

稳定输出。
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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。
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Βιβλιοθήκη Baidu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。
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。
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§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。
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。
第三章
振动陀螺仪简介
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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
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§3.1 石英音叉陀螺仪
• 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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二 结构与性能
（3）性能指标
• 偏值调整：
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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三 数字石英惯性测量装置
QRS-x QRS-y QRS-z VQA-x VQA -y VQA -z
• 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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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。
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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
主要部件就是石英音叉，其 结构虽然较为简单，但电极的结 构、几何尺寸等设计方案多种多 样。
设计时首先考虑石英晶片的
切型。既要充分利用石英晶体的
压电常数，以获得最大的灵敏度，
又要有效利用切型的频率温度特
性，以保证工作温度范围内能有
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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§3.1 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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§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。
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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。
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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
驱动音叉
放大器
AMP AGC
AGC REF
传感器音叉
放大器
滤波放大器
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滤波放大器
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二 结构与性能
（2）驱动与检测电路
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二 结构与性能
（3）性能指标
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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