振动陀螺仪简介

GB Agexp[
j(t
t0 )]cos 2
UB
(t,
C
)
GBC gexp[
j(t
t0 )]cos 2(
C
)
UB
(t, ,
C
)
G0
gexp[
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 A
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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。
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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§3.3 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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§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
五 梳齿振动硅微陀螺仪
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A
FA (t) F0 (t) ( ) F0 (t) Agexp[ j(t t0 )]
U (t, ,)
GB
A gexp[
j(t
t0
)]cos
2(
k)
单点激励难于实现闭环检测
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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, )
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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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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（2）驱动与检测电路
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§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
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。
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是相对壳体进动。 k
k
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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
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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§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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§3.2半球谐振陀螺仪
信号磁铁 振动弦 驱动磁铁
输出信号
输入轴
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驱动信号
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§3.3 其它典型振动陀螺仪
二 振动杯式陀螺仪
输入轴
谐振子
信号 电极
驱动 电极
壳体 连接 器
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§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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§3.1 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
UB
(t, ,
C
)
G0 B gexp[
j(t
t0 )]
cos 2(
B )]
B A2 C2 AC cos 2C B tan1[C sin 2C /( A C cos 2C )] / 2
U 2020/5/16 B
(t, ,
C
)
B gexp[
j(t
t0 )]
cos 2(
B
k)]
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§3.2半球谐振陀螺仪
• 偏值调整：
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。
（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。
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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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§3.3 其它典型振动陀螺仪
五 梳齿振动硅微陀螺仪
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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
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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
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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
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一 工作原理与结构
（3）工作模式
根据半球谐振子的激励方式不同，半球谐振陀螺有两 种工作模式，即“全角度”和“再平衡”方式。
• 半球杯体的激励电压不取决于杯体的位置，振型可随输入转动自由进 动，振型的瞬时位置是积分速率输出，此时，陀螺是作为角速率积分陀 螺使用。此时称陀螺仪工作于“全角度”模式。
• 半球杯体的激励电压与杯体的位置有关。输入转动和谐振子参量变化 时，通过控制电路使谐振子振型维持在零进动的稳定工作状态，此时， 陀螺是作为角速率陀螺。此时称陀螺仪工作于“再平衡” 模式。
频
滤
器
波
器
整 形 电 路
频率 电压 转换 混频 器
带 通 滤 波 器
电容传感器的电路框图
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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
力矩器（16个） 信号器（8个）
半球振子
四波腹振动力矩器与信号器的配置
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§3.3 其它典型振动陀螺仪
一 振动弦式陀螺仪
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
d
C0
A
d0
0r A
d0
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C
C0
C0
g
0 r
d0
Agd
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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
调频 振荡器
恒频 振荡器
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带
混
通
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
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
gexp[
j(t
t0
)]
cos
2(
1 2
tan 1
C A
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
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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。