陀螺仪的原理及应用

陀螺仪的原理及应用
陀螺仪的原理及应用

编号0710118

毕业论文

(2011届本科)

题目:陀螺仪的原理及其应用

系(部)院:物理与机电工程学院

专业:物理学

作者姓名:李淑娟

指导教师:李守义职称:副教授

完成日期:2011 年 5 月20 日

二○一一年五月

目录

河西学院本科生毕业论文(设计)诚信声明 (2)

河西学院本科生毕业论文(设计)任务书 (3)

河西学院本科生毕业论文(设计)开题报告 (5)

陀螺仪的原理及其应用 (7)

0 引言 (7)

1 陀螺仪的原理 (9)

2 几种陀螺仪介绍 (10)

2.1微机械陀螺仪 (10)

2.1.1 微机械陀螺仪姿态测量原理 (10)

2.1.2 微机械陀螺的发展 (11)

2.2硅微振动陀螺仪 (12)

2.2.1 振动陀螺仪的原理 (12)

2.2.2 驱动力的表达式 (12)

2.2.3 硅微振动陀螺仪的发展 (14)

2.3光纤陀螺仪 (14)

2.3.1 光纤陀螺仪的原理 (14)

3.3.2 光纤陀螺的发展 (15)

2.4弹性驱动陀螺仪 (16)

2.4.1 弹性驱动陀螺仪的启动原理 (17)

2.4.2弹性驱动陀螺仪的发展 (19)

3 结论 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

文献综述 (22)

河西学院本科生毕业论文(设计)题目审批表 (24)

河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 (25)

河西学院毕业论文(设计)指导教师评审表 (25)

河西学院本科生毕业论文(设计)答辩记录表 (27)

河西学院本科生毕业论文(设计)诚信声明本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文,是本人在指导老师的指导下独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文(设计)作者签名:

二〇一一年五月二十日

河西学院本科生毕业论文(设计)任务书

论文题目陀螺仪的原理及其应用

作者姓名李淑娟所属系专业年级物理与机电工程学院物理学07(1)班

指导教师姓名、职称李守义副教授任务下达日2010.12.1 一、论文(设计)的主要内容

介绍陀螺仪的来源及发展历史,分析陀螺仪的工作原理以及在各方面的应用,然后重点介绍微机械陀螺仪、硅微振动陀螺仪、光纤陀螺仪和弹性驱动陀螺仪,分别从它们各自的工作原理入手,推导其工作驱动方程,并分析了它们各自在未来的发展趋势及其在各方面的应用价值。

二. 论文(设计)的基本要求

陀螺仪是力学教学中角动量定理的一个典型的应用,认真阅读参考资料,掌握陀螺仪的基本原理,并对其原理进行详细的分析。根据陀螺仪的原理,分析各种陀螺仪的应用。

三. 论文(设计)进度安排

阶段论文(设计)各阶段名称起止日期

一查阅相关文献,确定题目,写出开题报告。10.12.1-11.3.5

二查阅本论文有关的文献,写出文献综述。11.3.5-11.4.5

三进行理论分析。11.4.5-11.04.20

四论文撰写,写出初稿,进行修改并定稿。11.04.20-11.05.20

四.需收集和阅读的资料及参考文献(指导教师指定)

[1] 梁阁亭, 恵俊军, 李玉平. 陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹, 2006, 4: 38~40.

[2] 王广龙, 祖静, 张文栋. 微机械陀螺仪及其应用研究[J]. 电子测量与仪器学报, 1999, 13(2): 31~34.

[3] 王存超, 王寿荣, 夏敦柱. 基于自适应控制的硅微振动陀螺仪驱动电路研究[J]. 测控技术, 2007, 26(7): 73~77.

[4] 姜仁富. 弹性驱动陀螺仪概述[J]. 传感世界, 1996, 3: 19~24

[5] 裘安萍, 蔡体菁等. 硅微机械振动陀螺仪非线性动力分析[J]. 传感技术学报, 2000, 1: 18~22.

[6] 郭秀中, 阮爱武. 微机械梳状驱动陀螺仪的理论分析[J]. 传感器世界, 1997, 16(3): 23~26.

[7] Sanders G A, Szafraniec B, LIU Renyong et al. Fiber optic gyros for space, marine, and aviation applications[J]. SPIE.

1996, 2837: 61~67.

[8] Kajioka H, Humagai T, Nakai H, et al. Commercial applications of mass- produced fiber optic gyros[J]. SPIE. 1996,

2837: 18~37.

[9] 胡卫东. 光纤陀螺发展评述[J]. 红外技术, 2001, 23(5): 29~33.

[10] 金杰, 王玉琴. 光纤陀螺研究综述[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2003, 6: 4~7.

[11] JIN J, WANG Y Q. An overview of fiber-optic gyroscopes[J]. Optical Fiber & Electric Cable and Their Applications,

2003, 181: 4~7 ( in Chinese).

[12] 谭健荣, 刘永智, 黄琳. 光纤陀螺的发展现状[J]. 激光技术, 2006, 30(5): 544~547.

负责人签名:

年月日系

负责人签名:

年月日

河西学院本科生毕业论文(设计)开题报告论文题目陀螺仪的原理及应用

作者姓名李淑娟所属院、专业、年级物理与机电工程学院物理学07级指导教师姓名、职称李守义副教授预计字数7000 开题日期2011.3.5 选题的根据:

在现今的世界格局中,战争以信息化战争的对抗为主,重点是发展精确制导武器,惯性技术是加强武器系统和提高作战能力的关键技术,而陀螺仪

在惯性技术中发挥着巨大作用。因此,这些研究工作中首先考虑的就是陀螺

仪的使用和研发,所以,研究陀螺仪具有重要的意义。目前陀螺的发展已进

入第四个阶段,即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺。

主要内容及其主要的研究方法:

介绍了陀螺仪的来源及发展历史,分析了陀螺仪的工作原理以及在各方面的应用,然后重点介绍了微机械陀螺仪、硅微振动陀螺仪、光纤陀螺仪和弹性驱动陀螺仪,分别从它们各自的工作原理入手,推导了其工作驱动方程,并分析了它们各自在未来的发展趋势及其在航海、航天、军事等各方面的应用价值。

完成期限和采取的主要措施:

完成期限:2011.3.5—2011.5.20

主要措施:1. 查阅资料

2. 结合自己对资料的认识,总结出陀螺仪的原理及几个应用。

3. 认真撰写,写出初稿并进行多次修改。

主要参考资料:

[1] 梁阁亭, 恵俊军, 李玉平. 陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹, 2006, 4: 38~40.

[2] 王广龙, 祖静, 张文栋. 微机械陀螺仪及其应用研究[J]. 电子测量与仪器学报, 1999, 13(2): 31~34.

[3] 王存超, 王寿荣, 夏敦柱. 基于自适应控制的硅微振动陀螺仪驱动电路研究[J]. 测控技术, 2007, 26(7): 73~77.

[4] 姜仁富. 弹性驱动陀螺仪概述[J]. 传感世界, 1996, 3: 19~24

[5] 裘安萍, 蔡体菁等. 硅微机械振动陀螺仪非线性动力分析[J]. 传感技术学报, 2000, 1: 18~22.

[6] 郭秀中, 阮爱武. 微机械梳状驱动陀螺仪的理论分析[J]. 传感器世界, 1997, 16(3): 23~26.

[7] Sanders G A, Szafraniec B, LIU Renyong et al. Fiber optic gyros for space, marine, and aviation applications[J]. SPIE.

1996, 2837: 61~67.

[8] Kajioka H, Humagai T, Nakai H, et al. Commercial applications of mass- produced fiber optic gyros[J]. SPIE. 1996,

2837: 18~37.

[9] 胡卫东. 光纤陀螺发展评述[J]. 红外技术, 2001, 23(5): 29~33.

[10] 金杰, 王玉琴. 光纤陀螺研究综述[J]. 光纤与电缆及其应用技术, 2003, 6: 4~7.

[11] JIN J, WANG Y Q. An overview of fiber- optic gyroscopes[J]. Optical Fiber & Electric Cable and Their Applications,

2003, 181: 4~7 ( in Chinese).

[12] 谭健荣, 刘永智, 黄琳. 光纤陀螺的发展现状[J]. 激光技术, 2006, 30(5): 544~547.

指导教师意见

签名:

年月日

负责人签名:

年月日系

负责人签名:

年月日

陀螺仪的原理及其应用

河西学院物理与机电工程学院李淑娟

摘要:介绍了陀螺仪的来源及发展历史,分析了陀螺仪的工作原理以及在各方面的应用,然后重点介绍了微机械陀螺仪、硅微振动陀螺仪、光纤陀螺仪和弹性驱动陀螺仪,分别从它们各自的工作原理入手,推导了其工作驱动方程,并分析了它们各自在未来的发展趋势及其在航海、航天、军事等各方面的应用价值。

关键词:陀螺仪,光纤,振动,驱动,惯性技术

Principle and application of the gyroscope

Abstract:This paper first introduces the source of gyroscope. From the source of gyroscope, this paper describes the history of the gyroscope, analyses the working principles of gyroscope and applications in every aspects, and then emphasizes on micro-mechanical gyroscopes, silicon micro-gyroscope, fiber gyroscopes and gyro flexible drive, from their each working principles respectively, deduces their working driving equation and analyses their development tendency and application value in navigation, aerospace, military affairs and other aspects in the future.

Key words: Gyroscope, Optical fiber, Vibration, Drive, Inertial Technology

0 引言

绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺,它是一个质量均匀分布的,具有轴对称形状的刚体,其几何对称轴就是它的自转轴。而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。

1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子(rotor),由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字gyro(旋转)和scope(看)两字合为gyro scope 一字来命名这种仪表。

陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器,其功能是测量运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪有两大特性,即定轴性和进动性。利用这两个特性就可在导弹等运载器的飞行过程中建立不变的基准,从而测量出运动体的姿态角和角速度。同时由加速度计测出其线加速度,经过必要的积分运算和坐标变换,确定弹(箭)相对于基准坐标系的瞬时速度和位置。也就是说,可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐标系,通过陀螺仪和加速度计测出运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、宇航飞行器等)的旋转运动和直线运动信号,经计算机综合计算,并指令姿态控制系统和推进系统,实现运载器的完全自主导航。惯性制导技术的第一次应用是在第二次世界大战时德国的V22火箭上。20世纪60年代后,美、苏争霸,扩充军备,大力发展惯性制导技术。现代导弹、宇航飞行器等多采用惯性制导的方法。1970年,我国

人造地球卫星发射成功,其中也应用了惯性制导技术。20世纪90年代的海湾战争中,法国的AS230激光制导空对地导弹命中率95%,美国的斯拉姆导弹则创造了“百公里穿杨”的记录。为攻击一座水电站,一架A26飞机在116km的距离上,发射了一枚斯拉姆导弹,而附近另一架A27飞机发射的第二枚导弹,竟穿过第一枚导弹打开的墙洞击中目标。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来,陀螺已有近100年的发展史,发展过程大致分为4个阶段:第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺;第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺;第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺;目前陀螺的发展已进入第四个阶段,即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺[1]。

微机械陀螺仪是基于微机械加工制造技术产生的高技术产品,是当代微机械电子系统(MEMS)领域和惯性领域新兴的十分重要的分支,而MEMS及其制造技术是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,它涉及电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。它是未来低成本、中精度、微尺寸、低功耗、抗高过载、高可靠性惯性测量元件的发展方向[2]。它不仅可以用于炮射导弹、炮弹、末敏弹药的惯性导航系统和姿态测量系统等军事领域,同时还可以用于卫星、飞机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的方向定位和姿态测量等民用商业领域。

硅微振动陀螺仪是以微机电系统(MEMS)技术为基础,用来测量转动角速度的微型传感器,因其体积小、价格低、适于批量生产等特点,越来越受到人们的重视,成为目前研究的重点[3]。

1976 年,美国犹他大学的Vali和R. W.Shorthil首次提出了光纤陀螺( Fiber op tic gyro)的概念。它标志着第二代光学陀螺——光纤陀螺的诞生(第一代光学陀螺为激光陀螺)。光纤陀螺不仅具有环形激光陀螺的各项优点,而且在某些方面还优于环形激光陀螺,无论在军用还是民用领域里都拥有极强的竞争能力和广阔的潜在市场。随着光纤技术和集成光路技术的发展,光纤陀螺正朝着高精度和小型化发展。

弹性驱动陀螺仪是一种快速启动的陀螺仪。弹性驱动陀螺仪最突出的特点是启动时间很短。电动陀螺仪采取快速启动措施后,启动时间为5s。火药燃气驱动陀螺仪和高压冷气驱动陀螺仪的启动时间0.2~0.3s。弹性驱动陀螺仪的启动时间可以达到10ms数量级,一般都在0.1s以内[4]。弹性驱动陀螺仪又称储能陀螺仪,其实它只是一种最典型的储能陀螺仪,因为火药燃气驱动陀螺仪和高压冷气驱动陀螺仪也属储能陀螺仪的范畴。弹性驱动陀螺仪的结构特点是:在陀螺转子里面(或在转子外面)安装有发条弹簧,靠它储存能量。

1 陀螺仪的原理

陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中,陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。

陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性:一为定轴性(inertia or rigidity),另一是进动性(precession),这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

定轴性:当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变:

1. 转子的转动惯量愈大,稳定性愈好:

2. 转子角速度愈大,稳定性愈好。

所谓的“转动惯量”,是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时,它们所获得的角速度一般是不一样的,转动惯量大的刚体所获得的角速度小,也就是保持原有转动状态的惯性大;反之,转动惯量小的刚体所获得的角速度大,也就是保持原有转动状态的惯性小。

进动性:当转子高速旋转时,若外力矩作用于外环轴,陀螺仪将绕内环轴转动;若外力矩作用于内环轴,陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性,叫做陀螺仪的进动性。进动角速度的方向取决于动量矩H的方向(与转子自转角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向,而且是自转角速度矢量以最短的路径追赶外力矩。进动方向这可用右手定则判定。即伸

直右手,大拇指与食指垂直,手指顺着自转轴的

方向,手掌朝外力矩的正方向,然后手掌与4指

弯曲握拳,则大拇指的方向就是进动角速度的方

向。进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大

小和外力矩M的大小,其计算式为H

M

。进动

性的大小也有三个影响的因素:

(1)外界作用力愈大,其进动角速度也愈大;图 1 进动方向

(2)转子的转动惯量愈大,进动角速度愈小; (3)转子的角速度愈大,进动角速度愈小。 2 几种陀螺仪介绍 2.1 微机械陀螺仪

2.1.1 微机械陀螺仪姿态测量原理

微机械陀螺仪的理论基础是经典力学中哥氏效应理论,即系统中以速度V 运动的质量

m ,存在角速度ω时,产生哥氏力F ,V m F ω2=。从结构上看,微机械陀螺仪大体上可

分为振动式和转子式两大类。目前国外研制最多的是振动式微机械陀螺仪。它是利用振动质量被带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度的。从功能上看,它属于单轴速率陀螺仪或称速感器。其姿态测量原理是:敏感元件(质量块)在激励模态下振动,沿垂直于振动方向的轴施加角速度,在哥氏力的作用下,质量块将在三维空间的另一方向上以敏感模态同频动,其振动幅度与角速度大小成正比,相位与角速度方向有关,通过测量敏感模态的振动幅度就可以知道角速度。其振动频率一般为数百至数千Hz ,振幅一般为百分之mm 。

音叉振动式微机械陀螺仪的特点是沿驱动轴为线振动而绕输出轴为角振动,它的动力程可用二阶线性微分方程表示。

t T k c J n

m ωθθθcos =++ (1) 式中:J 为音叉绕中心轴的转动惯量;c 为阻力系数;k 为扭转刚度;m T 为哥氏惯性力矩;

n ω为音叉激振角速度;θ表示音叉绕中心轴的角位移。

引入音叉无阻尼振动固有角频率0ω和相对阻尼系数(或称阻尼比)ζ

J

k

=

0ω (2) kJ

C

2=

ζ (3) 可把(1)式写成如下形式

t J

T n m

ωθωθζωθcos 220

=++ (4) 由(4)式可以看出,音叉振动陀螺仪的动力学方程是一个典型的有阻尼受迫振动二阶微分方程。当输人角速度ω为常值时,它的解为

)cos()2()()1sin(2

022

2

0020?ωωζωωωγωζαθζω-+-+

+-=-t

n n n m

t J T t e (5)

式中α和γ为由初始条件决定的任意常数;?为相位移,22002arctan

n

n ωωωζω?-=。 从(5)式可以看出,音叉绕中心轴的角运动由两个分量组成;一是有阻尼的衰减角振动分量;另一是强迫角振动分量。因固有角频率0ω通常取得很大,前者很快衰减。如果选取激振角频率n ω等于固有角频率0ω,则相位移o 90=θ;在这种谐振状态下,音叉强迫角振动成为

t J T m

n 02

sin 2ωζωθ=

(6) 由于n m m x ms sF T ωω022==其中s 为集中质量至音中心轴的垂直距离,x 为振幅,代人(2)、(3)式,有

t c

x ms m

n 00sin 2ωωθ=

(7) 音叉绕中心轴强迫振动角位移由传感器检测。设传感器标度因数为u K , 则传感器输出的幅值为

ωωK c

x ms K U m

u

m ==02 (8) 可见输出电压的幅值m U 与输入角速度ω成正比。这里K 称为音叉振动陀螺标度因数

c

x ms K K m

u

02= (9) 代人(4)式,(7)式可写为

t U m n 0sin ωθ= (10)

从(10)式可以看出,音叉绕中心轴的角位移θ以固有角频率0ω、幅值m U 振动,信号的相位与激振信号的相位关系,则取决于输人角速度的方向[2]。所以,输出信号需要用鉴相器与激振信号的相位进行比较,才能判别输入角速度的方向。 2.1.2 微机械陀螺的发展

随着微机械加工工艺和手段的进一步发展,微机械陀螺仪在测量精度上将会有很大提高,加之它特有的微尺寸、低功耗、低成本和抗高过载等特点,在未来惯性测量元件的应用领域必将占有更大的市场。由于炮射导弹飞行时间短、转速低,测量精度要求不高,并结合其结构紧凑、要求测量系统体积小的特点,采用微机械陀螺仪测量弹体姿态是完全可行的。

在现今的世界格局中,战争以信息化战争的对抗为主,重点是发展精确制导武器,实现中远程精确打击和非接触作战;大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加

强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力。惯性技术是加强武器系统和提高作战能力的关键技术。许多国家都将发展军事力量作为首要目标,而衡量军事力量提高的一个因素就是先进武器系统的研究和制造,而这些研究工作中首先考虑的就是陀螺仪的使用和研发,航天惯性技术在实施精确打击中的特殊地位,导弹武器精确制导对惯性技术的要求,在战术武器应用方面前景看好。战术武器方面,惯性系统与其他方式的组合制导,也是一个重要的发展空间。故而微机械陀螺仪的研究更是重中之重。 2.2 硅微振动陀螺仪 2.2.1 振动陀螺仪的原理

振动陀螺仪的工作原理与古典的单自由度旋转陀螺仪类似,只是用振动运动代替了旋转运动。工作时,给固定的定子梳齿施加正弦驱动电压,则定子梳齿间形成梳齿电容,使定齿与动齿间形成圆周方向的静电驱动力。在静电驱动力的作用下,带有陀螺仪检测质量和梳齿的振动轮绕垂直与该轮的中心轴做简谐角振动。当在基片平面内有一沿垂直于扭杆方向的角速度输入时,作用在陀螺检测质量上的哥氏力将使振动轮绕扭杆作周期性振动[5],这是位于振动轮下面的电容将发生变化,根据其电容变化的大小就可测得输入角速度的值。

硅微振动陀螺仪是二十世纪八十年代发展起来的一种新型微机电陀螺,它是根据陀螺原理,利用微机电加工技术制造而成的。硅微振动陀螺仪通过振动质量块敏感哥氏力来测量转动角速度,包括驱动和敏感两个模态。驱动模态的稳定性和一致性对陀螺的性能有着重要影响。在单个驱动模态中,自激驱动可使陀螺驱动自动稳定在陀螺仪驱动模态的固有频率上,锁相驱动通过调整相位也可使得驱动模态谐振,但单驱动模态的硅微振动陀螺仪对系统轴向加速度的干扰十分敏感,故设计中采用双驱动模态,由于微机械加工误差的影响,固有频率存在偏差,无法保证双驱动模态的一致性(同频、等幅、反相),不利于后续的信号处理。为减小加工误差的影响,自适应控制器在陀螺中得到了应用,但要求特殊的驱动结构;基于自适应控制原理,对硅微振动陀螺仪采用固定频率信号驱动,通过振动速度检测和反馈实现自适应调谐,能够应用于双驱动模态的硅微振动陀螺仪驱动中,振动稳定并保持一致。 2.2.2 驱动力的表达式

图2示出梳状电极的结构组成。在梳状电极形成电容器内的电容量为

a

bh

n d lh n C εε

)12(2++- (11) 式中:ε为介电常数,d b a l ,,,代表内容见图;h 为电极厚度;n 为两侧都有交叠部分的叉

指数目(例如图中5=n )。若在固定电极上施加驱动电压u 对梳状电极形成电容器的储存的电场能量为

2

12

22)21(21E E a

bh u n d lh u n Cu E +=++==εε (12)

将电场能量E 对x 轴向位移求偏导数,则得沿x 轴方向的静电力

2222

1)21(a bh

u n d h u n a E l E x E F εε++=??+??=??=

(13)

因实际结构中b a 2比d 大的很多,故式(13)可简化成

d

h

u n F 2

ε= (14) 在固定电极上施加的是带有直流偏置的交流电压。为使A ,B 两端梳状电极以推挽方式驱动,两端固定电极上交流电压的相位应当相反,亦即

t u u u D D P A ωsin +=

t u u u D D P B ωsin -= (15)

式中:p u 为直流偏置电压;D u 为交流电压幅值;ω为角频率。在该电压作用下,A 、B 两端固定电极对活动电极的静电吸力按下式计算

)sin sin 2(22

2t u t u u u d

h n F D D D D P P A x ωωε

++= )s i n s i n 2(222t u t u u u d

h n F D D D D P P B x ωωε

+-= (16) 静电吸力的方向总是使电极之间的电场能量趋于最大。因此A 端固定电极对活动电极的静电吸力沿x 轴的正向,B 端的静电吸力则沿x 轴的负向。2个静电吸力的合力就是梳状电极的静电驱动力,其表达式为

t u u d

h

n F F F D D P B A x x x ωε

sin 4=-= (17) 或

t F F D xm x ωsin =

(18)

图 2 梳状电极的结构组成

这里xm F 为静电驱动力的幅值

D P xm u u d

h

n F ε

4= (19) P u 和D u 常取成相等[6],这样式(19)成为

2

4D xm u d

h n F ε

= (20) 由此可见,梳状电极静电驱动力是随时间按简谐规律变化的,其角频率与驱动电压的角频率相同,幅值与梳状电极的几何参数及驱动电压有关,而与活动电极相对固定电极的位移无关(当位移比叉指交叠部分的长度小得多时)。因此,这种驱动方式的振幅可以设计得较大(指相对其它驱动方式而言),有利于提高陀螺仪的测量灵敏度。 2.2.3 硅微振动陀螺仪的发展

硅微机械振动陀螺仪经过十几年的发展,先后出现了双框架式、音叉式、振动轮式等许多典型的结构型式。双框架式硅微振动陀螺仪由于沿z 轴方向质量分布不对称,而对x ,y 方向冲击非常敏感,由此而产生的测量误差制约了陀螺仪测量精度的提高。音叉式结构采用叉指驱动、极板垂直振动方式进行工作,存在的主要问题是z 方向的冲击直接影响陀螺仪的输出信号,且当检测极板垂直位移较大时,陀螺仪存在“脱齿”现象。振动轮式陀螺仪采用线驱动、角振动输出的方式进行工作,对称的结构消除了外界冲击对其输出信号的干扰。

它们在单晶硅芯片上使用集成电路制造中的光刻、腐蚀、离子注入以及键合等微机械加工技术制造而成,非常适合大规模生产,成本很低,而且体积小(仅指甲盖那么大),重量轻,功耗小,启动快,有利于发展冗余技术,易于实现数字化和智能化。它的高速发展将在军民品各个领域获得应用。 2.3 光纤陀螺仪

自1976年Vali 和R.W.Shorthil 提出光纤陀螺的概念以来,光纤陀螺的发展已走过了30多个年头。在这短短的30多年里,光纤陀螺得到了很大的发展,其角速度的测量精度已从最初的15°/h 提高到现在小于0.001°/h 的量级,并已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用[7,8,9]。 2.3.1 光纤陀螺仪的原理

光纤陀螺的基本工作原理与Sagnac 干涉仪的原理相似。其基本光路系统如图3所示,由长度为l 的单模光纤代替Sagnac 干涉仪中圆形光路部分而构成。来自光源的光束通过分束器分成了两束光,这两束光分别从光纤线圈(即光纤缠绕在半径为R 的环上)两端耦合进入光纤

传感线圈并反向传输。从光纤线圈两端出来的两束光,通过合束器后又重新复合,并且产生干涉。如果光纤线圈处在静止状态,从光纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤线圈以角速度ω旋转,这两束光会由于Sagnac 效应而产生相位差。当光纤线圈以角速度ω相对于惯性参照系统作旋转运动时,两束光的传播速度是有差异的。A rditty 和Lefevre 已导出与ω同方向。 传输的光传播速度为:

)1

1(2n

R n c C -+=

ω同 (21) 与ω反方向传输的光传播速度为:

)1

1(2n

R n c C --=

ω反 (22) 式中c 为真空中的光速;n 为光纤的折射率。 通过计算和推导可得到,与ω同方向行进的光的到达时间为:

A c

n cl T ω22

+=

同 (23) 与ω反方向行进的光的到达时间为: A c

n cl T ω22

-=

反 (24) 式中A 为光路所包围的面积,对于光纤 线圈而言2R A π=

由式(23)和式(24)可以求得两束光之间 的相位差?Φ为:

c

A

c A c T f 0208422λπωωλππ=?=

?=?Φ (25) 式中0λ为光波长,f 为光频率。从式(25)可以看出相位差?Φ与光路轨迹形状、旋转的中心位置与光纤折射率n 无关,而只与光路轨迹的几何参数有关。如果光纤的匝数为N ,则式(25)可以修正为:

c

AN

08λπω=

?Φ (26) 通过相位解调提取?Φ,即可利用上式求出ω[10]

3.3.2 光纤陀螺的发展

图 3光纤陀螺的原理结构示意图

光纤陀螺的分类按其结构和原理可分为干涉式光纤陀螺(I-FOG)、谐振式光纤陀螺(R-FOG)、光纤型环形激光陀螺(FRLG)、布里渊光纤陀螺(B-FOG)。而I-FOG按结构分类又可分为开环和闭环两种,还按其相位解调方式分类等。

表征光纤陀螺的性能优劣主要是输入动态范围、精度、标度因数、偏置漂移等参数。根据不同的实际应用性能需求,如今已发展出以下4种主要的干涉式光纤陀螺结构[11]。

(1)开环全保偏光纤陀螺:精度低、成本低,早期采用模拟电路,现已基本采用数字信号处理,漂移率也提高到1°/h左右。

(2)开环单模消偏光纤陀螺:精度低、低成本,采用消偏器,采用处理电路基本和上一种相似,性能稍好于前一种。

10 °/h)、高成本,采用数字电路,主要应用

(3)闭环全保偏光纤陀螺:精度高(可达到4

于空间技术、军事应用和科学研究。

(4)闭环单模光纤陀螺:成本相对前一种光纤陀螺低,精度高(可达到0.0035°/h),采用特殊消偏技术,数字电路,制作难度大。

经过三十多年的研究和探索,I-FOG的研究已经进入实用化阶段,中、低精度的开环系统的应用早已广泛开展,高精度的闭环系统已日趋完善,并逐步开始应用于实际系统。新型光纤陀螺的研究,尤其是R-FOG和布里渊光纤陀螺正在加速进行。目前,国内的光纤陀螺的研究也取得了一定的进展,但是也遇到了一些困难,主要是没有适合光纤陀螺的优质元器件,如光纤、光纤线圈、超辐射发光二极管、光集成芯片等,这些极大地阻碍了光纤陀螺的研制进度。基于这个原因,我们要利用国内综合技术的优势,从元器件入手,发扬大力协作的精神,联合攻关研制光纤陀螺。虽然我国研制光纤陀螺面临很多技术困难,但是在某些方面也取得很好的成就。目前,国内关于FOG的研究,实际上可以围绕以下四个方面进行:1)提高角速度测量灵敏度;2)扩大测量范围;3)抑制漂移;4)将光纤陀螺的性能转移到工程应用[10,12]。在不远的将来光纤陀螺技术在航空、航天、航海及陆地的各个领域都将得到广泛的应用。

总而言之,光纤陀螺今后的研究趋势可归纳为如下:(1)采用三轴测量代替单轴,研发多功能集成光学芯片、保偏技术等,加大光纤陀螺的小型化、低成本化力度;(2)深入开发中、低精度光纤陀螺的应用,特别是民用惯性导航技术;(3)加强精密级光纤陀螺的技术与应用研究,开发新型的光纤陀螺B-FOG和FRLG 等。

2.4弹性驱动陀螺仪

弹性驱动陀螺仪是利用发条弹簧所储存的弹簧势能驱动陀螺仪转子高速旋转的陀螺

仪,它最突出的特点是启动时间很短。 2.4.1 弹性驱动陀螺仪的启动原理

发条弹簧是弹性驱动陀螺仪的动力源是最关键的元件。常用的发条有蜗线发条、直线蜗卷发条。蜗线发条,其自由状态呈蜗卷形,利用蜗卷卷紧的发条恢复自由状态的恢复力矩。直线蜗卷发条,其工作部分的自由状态呈直线形,两端头的形状有多种多样的类型,因为没有原始弯曲,所以加工成本低。在研制过程中,先后采用过蜗线发条和直线蜗卷发条,采用直线蜗卷发条不但加工方便,而且由于发条钢带的厚度也可以小一点,装配方便。

直线蜗卷发条的形状如图4所示。

发条的外端部有弯钩,通过它固定在转子的两部分转子(1)和转子(2)之间,如图5所示。 弹性驱动陀螺仪的型式之一,其原理图如图6所示。发条弹簧3置于转子1的内腔,外条弹簧3的外端固定于转子1上(见图5),内端与转子轴相连。图6所表示的状态是储能状态(已经上紧发条),此时发条弹簧一圈紧靠一圈地缠绕在转子轴上,足够的弹簧势能储存于此。在激励信号作用下使陀螺解锁时,所储存的弹簧势能n E 迅速转换成转子高速旋转的动能v E 。此时发条弹簧内端是与转子轴脱开的,它一圈紧靠一圈地紧贴在转子的内壁上成为转旋转质量的一部分。

根据能量转换原理v n E E =

n KM E D n π= (27)

式中:D M ——发条力矩;n ——上紧发条时,发条的弹性变形圈数;K ——修正系数,与发条外端的固定方式有关,对于V 形固定85.0~80.0=K

g

D bL Ebh M 3

π=

(28)

式中:b ——发条带宽度;h -发条带厚度;g L ——发条带工作长度;E ——发条材料的弹

图 4 直线蜗卷发条形状

图 5 直线蜗卷发条与转子的联接

性模量。

2

2

1Ω=

J E v (29) 式中:Ω——陀螺仪转子转速;J ——陀螺仪转子的转动惯量。 综合(27)式和(29)式得

Ω=J n KM D 21

π

J

n

KM D π2=Ω∴ 代入8.0=K 得

J

n

M D 4

.21=Ω (r/min) (30) 式中:D M ——发条力矩m N ?;J ——转子转动惯量2m Kg ?;n ——发条弹性变形圈数。

陀螺仪转子在发条弹簧驱 动下,其能量转换的速度是 很快的,陀螺仪转子由静止 状态到达规定转速所需要的 时间称转子的启动时间,对 于这种类型的陀螺仪通常以 最高转速为基准。

启动时间t ?可由下式计算

KM

nJ t π2=?

代入8.0=K ,并考虑到单位换算得

M

Jn

t 2800

=? (ms) 由计算和试验,t ?的数值只有几十毫秒,所以弹性驱动陀螺实现了快速启动[4]。 在图6所示的陀螺仪中,发条弹簧驱动陀螺仪转子高速旋转起来以后,转子轴就有足够的方向稳定性,安装在外环轴上的电刷被稳定,安装于陀螺仪底座上电位计跟随着载体

图 6 弹性驱动陀螺仪

1一陀螺仪转子 2一陀螺仪内环 3一发条弹簧 4一陀螺仪外环 5一 电位计 (固定在陀螺壳体上)电刷固定在外环轴上 6一外环轴承 7一转子上安装轴承的部位 8一内环轴承 9一转于轴 10一转子轴承

倾斜运动。因此电位计可以输出载体运动的倾斜角信号。

2.4.2 弹性驱动陀螺仪的发展

弹性驱动陀螺仪如同其它类型的自由陀螺仪一样,可以用作倾斜传感器和滚动位置指示器。在此,陀螺仪的本体部分,并无根本区别,主要差别在于陀螺外环轴向安装的传感器。

由于弹性驱动陀螺仪的启动时间很快,所以它通常应用于要求快速启动的场合。这种陀螺仪结构比较简单,制造成本低,可靠性好。如果实际使用中,要求的工作时间很短,例如40s至20s,那么,转子旋转起来后,可以靠惯性运转维持陀螺仪工作。如果要求工作时间较长,可以增加电维持转子转速的措施,例如用发条弹簧把陀螺仪转子首先驱动到转速18000r/min,然后转换成微电机维持转子转速22000r/min,此时如同一般的电动陀螺仪。如果对转速稳定性要求不高,也可以用比较简单的办法维持转子转速在一定的范围内。在我们国家,弹性驱动陀螺仪的研制和应用才刚刚起步技术还不成熟需要进一步研究的问题还很多。尽管一般钟表、手表以及很多日常用品中,发条弹簧类型较多,技术比较成熟,但是,弹性驱动陀螺仪中的发条弹簧有其特殊性,需要在设计上、工艺上、试验方面做很多的工作。

3 结论

陀螺仪是根据角动量守恒定律而制造的精确测量相对空间的角速度和角位移的装置。主要有定轴性和进动性两大特性。用陀螺的原理制造出的各种仪器广泛用于航海、航空、军事等各个领域。微机械陀螺仪的惯性导航系统和姿态测量系统用于军事、航天、医疗器械等各领域。硅微振动陀螺仪的驱动模态和检测模态可以精确的测量出输入角速度的值,有利于提高陀螺仪的测量灵敏度。光纤陀螺仪的快速发展使其角速度的测量精度越来越高,其应用也将越来越广。弹性驱动陀螺仪的启动时间短,应用于快速启动的场合。

虽然陀螺的诞生至今已有100多年的历史,但近几十年陀螺及其相关技术才得到快速发展,特别在20世纪80年代以后更是突飞猛进,20世纪90年代以后,光纤陀螺技术发展迅速,从未来的发展前景看,是今后发展的主要方向。它不仅可以用于舰艇、导弹、飞机等高性能的导航与制导系统,而且,如果采用集成电路及集成光路技术,进一步减小体积、质量及成本,提高可靠性、稳定性和耐用性,还可以在民用运载工具方面得到广泛的应用,所以陀螺技术在国防和国民经济的建设中发挥了其重要作用。

电子陀螺仪工作原理【详述】

电子陀螺仪工作原理 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理!更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 电子陀螺仪其实就是机械式陀螺仪的进化,机械式是利用真实的陀螺等机械制作的,而电子是利用芯片来实现陀螺仪的功能,其工作原理类似(电子只不过是模拟出来的而已)。 所有陀螺仪的工作原理是一样的:广泛应用于航海、航空和航天领域,种类很多,其中陀螺罗盘就是代替罗盘的装置。 陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。 最基础的陀螺仪的结构:基础的陀螺仪是一种机械装置,其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子,转子装在一支架内; 历史: 1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转

动中的转子(rotor),由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪,但直到现也,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理!更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展.

陀螺仪传感器分类及原理

【悠牛仪器仪表网】陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。用来感测和维持方向的装置,它是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要依据,并且在汽车安全,航模,望远镜等领域广泛应用。 主要检测空间某些相位的倾角变化、位置变化,主要用于空间物理领域,特别在航空、航海方面有较多的用途,如:飞机上的陀螺仪,当飞机在做360°翻转的时候,陀螺仪将会保持原始的基准状态不变,从而让驾驶员找到本飞机在空间状态的相位变化,也就是:当时飞机处在什么相位。 陀螺仪传感器原理 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。 然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪传感器应用领域以及发展方向现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。 传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。 由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。 和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 陀螺仪传感器分类 根据框架的数目和支承的形式以及附件的性质决定陀螺仪的类型有: 二自由度陀螺仪(只有一个框架,使转子自转轴具有一个转动自由度)。 根据二自由度陀螺仪中所使用的反作用力矩的性质,可以把这种陀螺仪分成三种类型: 积分陀螺仪(它使用的反作用力矩是阻尼力矩);速率陀螺仪(它使用的反作力矩是弹性力矩); 无约束陀螺(它仅有惯性反作用力矩); 现在,除了机、电框架式陀螺仪以外,还出现了某些新型陀螺仪,如静电式自由转子陀螺仪,挠性陀螺仪,激光陀螺仪等。 三自由度陀螺仪(具有内、外两个框架,使转子自转轴具有两个转动自由度。在没有任何力矩装置时,它就是一个自由陀螺仪)。 直流电流传感器 https://www.360docs.net/doc/a214900919.html,/subject/zhiliudianliuchuanganqi.html

MEMS陀螺仪工作原理

陀螺仪是用来测量角速率的器件,在加速度功能基础上,可以进一步发展,构建陀螺仪。 陀螺仪的内部原理是这样的:对固定指施加电压,并交替改变电压,让一个质量块做振荡式来回运动,当旋转时,会产生科里奥利加速度,此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计,解码方法大致相同,都会用到放大器。 角速率由科氏加速度测量结果决定 - 科氏加速度 = 2 × (w ×质量块速度) - w是施加的角速率(w = 2 πf) 通过14 kHz共振结构施加的速度(周期性运动)快速耦合到加速度计框架 - 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位,因此可以抵消低速外部振动 该机械系统的结构与加速度计相似(微加工多晶硅) 信号调理(电压转换偏移)采用与加速度计类似的技术 施加变化的电压来回移动器件,此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转,可以看到器件会上下移动,外部指将感知该运动,从而就能拾取到与旋转相关的信号。

上面的动画,只是抽象展示了陀螺仪的工作原理,而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子。

PS:陀螺仪可以三个一起设计,分别对应于所谓滚动、俯仰和偏航。 任何了解航空器的人都知道,俯仰是指航空器的上下方向,偏航是指左右方向,滚动是指向左或向右翻滚。要正确控制任何类型的航空器或导弹,都需要知道这三个参数,这就会用到陀螺仪。它们还常常用于汽车导航,当汽车进入隧道而失去GPS信号时,这些器件会记录您的行踪。 无人机在飞行作业时,获取的无人机影像通常会携带配套的POS数据。从而在处理中可以更加方便的处理影像。而POS数据主要包括GPS数据和

IMU数据,即倾斜摄影测量中的外方位元素:(纬度、经度、高程、航向角(Phi)、俯仰角(Omega)及翻滚角(Kappa))。 GPS数据一般用X、Y、Z表示,代表了飞机在飞行中曝光点时刻的地理位置。 飞控是由主控MCU和惯性测量模块(IMU,Inertial Measurement Unit)组成。IMU提供飞行器在空间姿态的传感器原始数据,一般由陀螺仪传感器/加速度传感器/电子罗盘提供飞行器9DOF数据。 IMU中的传感器用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态,这有个专有名词叫做运动感测追踪,英文Motion Tracking。运动感测技术主要有四种基础运动传感器,下面分别说明其进行运动感测追踪的原理。 微机电系统(MEMS) IMU中使用的传感器基本上都是微机电系统(MEMS),是半导体工业中非常重要的一个分支。 微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。微机电系统是微米大小的机械系统,是以半导体制造技术为基础发展起来的。 我们的四轴飞行器上用到的加速度陀螺仪MPU6050,电子罗盘 HMC5883L都是微机电系统,属于传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。 加速器(G-sensors) 加速器可用来感测线性加速度与倾斜角度,单一或多轴加速器可感应结合线性与重力加速度的幅度与方向。含加速器的产品,可提供有限的运动感测功能。 加速度计的低频特性好,可以测量低速的静态加速度。在我们的飞行器上,就是对重力加速度g(也就是前面说的静态加速度)的测量和分析,其它瞬间加速度可以忽略。记住这一点对姿态解算融合理解非常重要。 当我们把加速度计拿在手上随意转动时,我们看的是重力加速度在三个轴上的分量值。加速度计在自由落体时,其输出为0。为什么会这样呢?这里涉及到加速度计的设计原理:加速度计测量加速度是通过比力来测量,而不是通过加速度。

陀螺仪基本原理

陀螺仪介绍2013-1-28

?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28

?陀螺仪发展及应用情况 ?MEMS陀螺仪基本原理 ?陀螺仪与加速度传感器、电子罗盘的 对比以及九轴概念 ?测试讨论 2013-1-28

2013-1-28 1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault )为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子 (rotor ),由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字 gyro (旋转)和skopein (看)两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。

?最初的陀螺仪主要用于航海,起稳定船体的作用,此时主要是二维陀螺仪; ?后在航空、航天领域开始广泛的应用。用于飞行体运动的自动控制系统中,作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示 陀螺仪主要用于飞行状态的指示,作为驾驶和领航仪表使用。在这些应用中都是三维陀螺仪; ?另外,在军事领域,陀螺仪也发挥着重要作用,例如炮弹的旋转、导弹的惯性导航系统,以提高击中-杀伤比 ?最开始用于航海、航空、航天的陀螺仪都是机械式的,到了现代,主要可以分为压电陀螺仪、微机械陀螺仪、光纤陀螺仪、激 光陀螺仪,现代陀螺仪在结构上已不具备“陀螺”,只是在功能上 与传统的机械陀螺仪同样罢了 2013-1-28

2013-1-28 现在广泛使用的MEMS (微机械)陀螺可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS 陀螺相比传统的陀螺有明显的优势: 1、体积小、重量轻,适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合,例如弹载测量等; 2、低成本; 3、更高可靠性,内部无转动部件,全固

陀螺仪工作原理与应用

陀螺仪工作原理与应用(陀螺经纬仪Jyro Station) 来源:译自日本《测量》06年8月号作者:日本测量仪器工业会更新日期:2006-9-22 阅读次数:3235 为了求得测量的基准方位和日照时间的方位,必须使用磁针罗盘仪进行天体观测。然而,磁针罗盘仪的精度有限,在天体观测中还要受到确保通视、天气、场所和时间等观测条件的影响。为了解决这些问题,可采用利用了力学原理求得真北的陀螺经纬仪。陀螺经纬仪在隧道测量以及由于不能和已知点通视而无法确定方位、方向角的情况下都能发挥很大的作用。 (图1:陀螺工作站) 1、陀螺工作站的原理 高速旋转的物体的旋转轴,对于改变其方向的外力作用有趋向于铅直方向的倾向。而且,旋转物体在横向倾斜时,重力会向增加倾斜的方向作用,而轴则向垂直方向运动,就产生了摇头的

运动(岁差运动)。当陀螺经纬仪的陀螺旋转轴以水平轴旋转时,由于地球的旋转而受到铅直方向旋转力,陀螺的旋转体向水平面内的子午线方向产生岁差运动。当轴平行于子午线而静止 时可加以应用。 2、陀螺工作站的构造 (图4:陀螺经纬仪的构造 0点调整螺丝,吊线,照明灯,陀螺转子、指针、供电用馈线、反 射镜、陀螺马达、刻度线、目镜)。

陀螺经纬仪的陀螺装置由陀螺部分和电源部分组成。此陀螺装置与全站仪结合而成。陀螺本体在装置内用丝线吊起使旋转轴处于水平。当陀螺旋转时,由于地球的自转,旋转轴在水平面内以真北为中心产生缓慢的岁差运动。旋转轴的方向由装置外的目镜可以进行观测,陀螺指针的振动中心方向指向真北。利用陀螺经纬仪的真北测定方法有“追尾测定”和“时间测定”等。 追尾测定[反转法] 利用全站仪的水平微动螺丝对陀螺经纬仪显示岁差运动的刻度盘进行追尾。在震动方向反转的点上(此时运动停止)读取水平角。如此继续测定之,求得其平均震动的中心角。用此方法进行20分钟的观测可以求得+/-0。5分的真北方向。 时间测定[通过法] 用追尾测定观测真北方向后,陀螺经纬仪指向了真北方向,其指针由于岁差运动而左右摆动。用全站仪的水平微动螺丝对指针的摆动进行追尾,当指针通过0点时反复记录水平角,可以提高时间测定的精度,并以+/-20秒的精度求得真北方向。 (图2:摇头运动) (图3:向子午线的岁差运动)

陀螺仪的工作原理

陀螺仪的工作原理 陀螺仪的原理 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。 现代陀螺仪 一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪 包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。 陀螺仪工作原理与应用(陀螺经纬仪Jyro Station) 来源:译自日本《测量》06年8月号作者:日本测量仪器工业会更新日期:2006-9-22 阅读次数:6183

一文读懂三轴陀螺仪工作原理和应用

一文读懂三轴陀螺仪工作原理和应用 Iphone 4手机采用了意法半导体的MEMS(微电机系统)陀螺仪芯片,芯片内部包含有一块微型磁性体,可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X,Y,Z三个方向发生位移,利用这个原理便可以测出手机的运动方向。而芯片核心中的另外一部分则可以将有关的传感 一、三轴陀螺仪工作原理三轴陀螺仪:同时测定6个方向的位置,移动轨迹,加速。单轴的只能测量一个方向的量,也就是一个系统需要三个陀螺仪,而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好,是激光陀螺的发展趋势。 在最新款的iPhone 4手机中内置三轴陀螺仪,它可以与加速器和指南针一起工作,可以实现6轴方向感应,三轴陀螺仪更多的用途会体现在GPS和游戏效果上。一般来说,使用三轴陀螺仪后,导航软件就可以加入精准的速度显示,对于现有的GPS导航来说是个强大的冲击,同时游戏方面的重力感应特性更加强悍和直观,游戏效果将大大提升。这个功能可以让手机在进入隧道丢失GPS信号的时候,凭借陀螺仪感知的加速度方向和大小继续为用户导航。而三轴陀螺仪将会与iPhone原有的距离感应器、光线感应器、方向感应器结合起来让iPhone 4的人机交互功能达到了一个新的高度。 二、三轴陀螺仪的应用在工程上,陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年美国Utah大学的Vali和Shorthill提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的

陀螺仪(gyroscope)原理

内容 MID中的传感器 1 加速计 2 陀螺仪 3 地磁传感器 4

MID中的传感器——已商用的传感器 ◆触摸屏 ◆摄像头 ◆麦克风(ST:MEMS microphones……) ◆光线传感器 ◆温度传感器 ◆近距离传感器 ◆压力传感器(ALPS:MEMS气压传感器……) ◆陀螺仪(MEMS) ◆加速度传感器(MEMS) ◆地磁传感器(MEMS)

集成电路(Integrated Circuit,IC) 把电子元件/电路/电路系统集成到硅片(或其它半导体材料)上。 微机械(Micro-Mechanics) 把机械元件/机械结构集成到硅片(或其它半导体材料)上。 微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)MEMS = 集成电路+ 微机械

陀螺仪(Gyroscope) ?测量角速度 ?可用于相机防抖、视频游戏动作感应、汽车电子稳定控制系统(防滑)加速度传感器(Accelerometer) ?测量线加速度 ?可用于运动检测、振动检测、撞击检测、倾斜和倾角检测 地磁传感器(Geomagnetic sensor) ?测量磁场强度 ?可用于电子罗盘、GPS导航

陀螺仪+加速计+地磁传感器 ?电子稳像(EIS: Electronic Image Stabilization)?光学稳像(OIS: Optical Image Stabilization)?“零触控”手势用户接口 ?行人导航器 ?运动感测游戏 ?现实增强

1、陀螺仪(角速度传感器)厂商: 欧美:ADI、ST、VTI、Invensense、sensordynamics、sensonor 日本:EPSON、Panasonic、MuRata、konix 、Fujitsu、konix、SSS 国产:深迪 2、加速度传感器(G-sensor)厂商: 欧美:ADI、Freescale、ST、VTI、Invensense、Sensordynamics、Silicon Designs 日本:konix、Bosch、MSI、Panasonic、北陆电气 国产:MEMSIC(总部在美国) 3、地磁传感器(电子罗盘)厂商: 欧美:ADI、Honeywell 日本:aichi、alps、AsahiKASEI、Yamaha 国产:MEMSIC(总部在美国)

电子陀螺仪原理与构造

MEM陀螺仪传感器产业探究 目录: 一、MEM陀螺仪市场现状................................................. 2. 第一节、MEM主要厂家产品资料汇总 (2) 第二节、MEM在我国的产业现状 (2) 二、MEM陀螺仪介绍.................................................... 3. 第一节、什么是微机械(MEM)? (3) 第二节、微机械陀螺仪(MEMS gyroscope的工作原理 (3) 第三节、微机械陀螺仪的结构......................................... 4. 三、MEM技术的加工工艺................................................. 6. 第一节、体加工工艺.................................................. 6. 第二节、硅表面微机械加工技术....................................... 7. 第三节、结合技术................................................... 7. 第四节、逐次加工.................................................... 8. 第五节、LIGA工艺................................................... 8. 第六节、THEMLA:艺流程........................................... 9. 四、基于DSP的MEM陀螺仪信号处理平台设计 (9) 第一节、MEM陀螺仪信号处理平台的硬件结构 (9) 第二节、MEM陀螺仪信号处理平台系统任务分析....................... 1 0第三节、MEM信号处理平台软件设计方案.. (11) 五、基于GPS的汽车导航系统的设计与实现 (12) 第一节、主体控制方案.............................................. 1.2第二节、GPS定位系统设计 .. (13) 第三节、车体部分MCU主控模块设计................................ 1.4第四节、系统软件设计.............................................. 1.4

微机械陀螺仪的工作原理及其应用

本文详细介绍了意法半导体公司的电容式微机械陀螺仪的基本工作原理,其采用对称双质量块结构,驱动质量块由静电力驱动产生可控的运动速度,而检测质量块则由哥氏力推动运动。振荡驱动电路采用了双闭环的控制结构,有效地减小了温度或其它缺陷对振幅的影响,显著提高了陀螺仪的分辨率和稳定性。最后,以单轴偏航陀螺仪LY530AL为例,详细介绍其关键参数及其应用,并配合三轴加速度传感器LIS3LV02DL,实现了新型无线遥控器和鼠标,验证了LY530AL的性能参数。 微机械陀螺仪 陀螺仪又称角速度计可以用来检测旋转的角速度和角度。正如我们所熟知,传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而,这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件,而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度,因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产,具有成本低和体积小等特点。近年来,微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注,例如,陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等[1]。 微机械工艺的发展和成熟,使得微机械陀螺仪在消费电子中的广泛应用成为可能,并且已有相应的产品面世,如罗技的空中鼠标。这些都使业界相信微机械陀螺仪很快就会成为继微机械加速计之后用于动作感测的另一重要元件。鉴于此,意法半导体公司基于其先进的Thelma工艺先后开发并量产了超小型单轴偏航陀螺仪LISY300AL和LY530AL。LY530AL具有两种接口:模拟和数字接口,提高了设计的灵活性,简化了设计难度,可测角速率达到±300度/秒。本文以LY530AL为例讨论意法半导体微机械陀螺仪的工作原理及其应用。

陀螺仪的定义与原理

1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子(rotor),由于它具有惯性,它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪,但直到现在,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。 编辑本段原理 陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。 在现实生活中,陀螺仪发生的进给运动是在重力力矩的作用下发生的。 编辑本段特性 陀螺仪被广泛用于航空、航天和航海领域。这是由于它的两个基本特性:一为定轴性(inertia or rigidity),另一是进动性(precession),这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。 定轴性 当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其稳定性随以下的物理量而改变: 1.转子的转动惯量愈大,稳定性愈好; 2.转子角速度愈大,稳定性愈好。 所谓的“转动惯量”,是描述刚体在转动中的惯性大小的物理量。当以相同的力矩分别作用于两个绕定轴转动的不同刚体时,它们所获得的角速度一般是不一样的,转动惯量大的刚体所获得的角速度小,也就是保持原有转动状态的惯性大;反之,转动惯量小的刚体所获得的角速度大,也就是保持原有转动状态的惯性小。 进动性

电子陀螺仪原理与构造

MEMS陀螺仪传感器产业探究 目录: 一、MEMS陀螺仪市场现状 (2) 第一节、MEMS主要厂家产品资料汇总 (2) 第二节、MEMS在我国的产业现状 (2) 二、MEMS陀螺仪介绍 (3) 第一节、什么是微机械(MEMS)? (3) 第二节、微机械陀螺仪(MEMS gyroscope)的工作原理 (3) 第三节、微机械陀螺仪的结构 (4) 三、MEMS技术的加工工艺 (6) 第一节、体加工工艺 (6) 第二节、硅表面微机械加工技术 (7) 第三节、结合技术 (7) 第四节、逐次加工 (8) 第五节、LIGA工艺 (8) 第六节、THEMLA工艺流程 (9) 四、基于DSP的MEMS陀螺仪信号处理平台设计 (9) 第一节、MEMS陀螺仪信号处理平台的硬件结构 (9) 第二节、MEMS陀螺仪信号处理平台系统任务分析 (10) 第三节、MEMS信号处理平台软件设计方案 (11) 五、基于GPS的汽车导航系统的设计与实现 (12) 第一节、主体控制方案 (12) 第二节、GPS定位系统设计 (13) 第三节、车体部分MCU 主控模块设计 (14) 第四节、系统软件设计 (14)

一、MEMS陀螺仪市场现状 MEMS陀螺仪即微机电系统陀螺仪,是一种微型传感器,主要用于手机及游戏机等领域。与普通芯片相比,除计算功能外,此产品还具有感知功能,通过内置的陀螺仪传感器可以感知外界运动,并做出相应反应。 在具体应用上,MEMS芯片可以用在消费类电子产品上,比如游戏机中的动作控制;可以用在汽车安全领域,在汽车出现紧急情况时及时作出反应;在军事、航海中,陀螺仪被用来导航。 此前全球针对消费电子产品的陀螺仪厂商只有意法半导体(ST)、飞思卡尔半导体(Freescale)两家,深迪半导体(https://www.360docs.net/doc/a214900919.html,)成为第三家,打破了国内众多消费电子厂商陀螺仪全部依赖进口的局面。深迪半导体成立于2008年8月,目前在国内还没有竞争对手。 根据著名市场研究顾问机构 Yole Development 的最新预测,MEMS 陀螺仪、加速度计和 IMU 的销售额在2013年将达到45亿美元的规模,在消费类应用市场的年增长率达到了27%,而中国未来将是消费类电子、汽车工业以及其产业链的中心和全球最大的市场。 第一节、MEMS主要厂家产品资料汇总 (1)InvenSense: 网上放出的目前只有2轴的产品,加速度和陀螺仪一体化,号称封装尺寸最小。 2009年,借助任天堂(日本最著名的游戏制作公司)的成功,InvenSense在MEMS市场成长速度位居第一。 (2)ST: ST的产品线比较长,主打3轴。陀螺仪L3G系列和加速度传感器LIS属于两个不同的系列。 (3)EPSON: x,y2轴加速度传感器加单轴陀螺仪。 (4)飞思卡尔: 分的很细,根据加速度分成低/中/高三类,典型应用案例是汽车气囊。没有找到陀螺仪的介绍。应该是以工业产品为主。 (5)村田(Murata) 网上资料很少,最新的也是2009年5月的。提供2款产品,都是单轴陀螺仪。 (6)松下 作为2009年MEMS市场的成长速度名列第二的松下,主要面向车用传感器市场。 第二节、MEMS在我国的产业现状 目前国内已有1688家企事业从事传感器的研制、生产和应用,其中从事MEMS研制生产的只有50多家,其规模和应用领域都较小。在国际市场上,德国、日本、美国、俄罗斯等老牌工业国家的企业主导了传感器市场,许多厂家的生产都实现了规模化,有些企业的年

陀螺仪的工作原理

陀螺仪的工作原理 陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向,制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力,使它快速旋转起来,一般能达到每分钟几十万转,可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向,并自动将数据信号传给控制系统。 现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。1976年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外,还有现代集成式的振动陀螺仪,集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度,体积更小,也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。 现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种,它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。塞格尼克理论的要点是这样的:当光束在一个环形的通道中前进时,如果环形通道本身具有一个转动速度,那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时,在不同的前进方向上,光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化,如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度,这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪,如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉,也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度,就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。从这个简单的介绍可以看出,干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小,所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度,而谐振式的陀螺仪在实现干涉时,它的光程差较大,所以它所要求的光源必须有很好的单色性。

三轴陀螺仪的原理和应用.

三轴陀螺仪的原理和应用 三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量六个不同方向的加速、移动轨迹以及位置的测量装置。单轴的话,就只可以测定一个方向的量,那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向,具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点。 很多加速度传感器和角速传感器只是很纯粹的传感器,不一定都是陀螺仪。导弹、轮船以及飞机里都安装有指示仪,定向指示仪是它们的核心部分。它是被安装在可以自由转动方向的框架比较小的飞轮中的,此装置里,由于轴承的摩擦力矩相对来说比较小,因此可以忽略掉。它的刚体结构是属于高度对称的,因此它的质心主要是在连杆中心的位置。如果飞轮绕着自己的对称轴作高速的转动的时候,框架的方向无论发生什么变化,它的中心轴空间的取向是不会发生任何变化的,这个特点是定向指示仪很重要的特征之一。 当给一架飞机安装三轴陀螺仪,同时让它的三个小飞轮的自转轴互相保持垂直的状态,那么根据飞轮轴相对机身的指定方向,驾驶员就可以确定好海伦的航行方向了。其实火箭以及鱼雷之中也安装了定向指示仪的,它有自动导航的功能。鱼雷前进的时候,定向指示仪轴线所指方向是不会发生变化的,当鱼雷受到风浪影响而导致前进的方向发生变化的时候,定向指示仪和鱼雷的纵轴之间就会出现一些偏差,这个时候可以通过启动有关器械来使舵的角度得到一定的改变,这样就可以让鱼雷保持原来的方向继续前进。而在火箭中,是通过使 喷气的方向得到一定的改变来改变飞行的方向。 陀螺仪可以比较准确地测量出运动物体的位置和方向,作为一种惯性的导航仪器,它广泛应用在国防、航天、航海以及航空领域中。它的发展对现代有很重要的意义,例如:高新科技、国防以及国家的工业等等。机械式的陀螺其实是传统的惯性陀螺,它的结构很复杂,因此它对工艺上的结构要求是非常严格的,很多因素都会影响它的测量精度。现代陀螺仪的发展已经越来越快了,技术也越来越成熟,已经成功进入到全新的阶段中。发展最快的当属光纤陀螺仪,它的工作很可靠、灵敏度很高以

MEMS陀螺仪原理

mems陀螺仪 mems陀螺仪即硅微机电陀螺仪,绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。 目录 ?mems陀螺仪的原理 ?mems陀螺仪的特点 ?mems陀螺仪的构成 ?mems陀螺仪的选用 ?mems陀螺仪的安装 mems陀螺仪的原理 ?MEMS 陀螺仪(gyroscope)的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理, 因此它主要是一个不停转动的物体, 它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化. 但是MEMS 陀螺仪(gyroscope)的工作原理不是这样的,因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事.MEMS 陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力. 下面是导出科里奥利力的方法. 有力学知识的读者应该不难理解. 在空间设立动态坐标系(图一).用以下方程计算加速度可以得到三项,分别来自径向加速,科里奥利加速度和向心加速度. 如果物体在圆盘上没有径向运动,科里奥利力就不会产生.因此,在MEMS 陀螺仪的设计上,这个物体被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡,与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力差90 度.

MEMS 陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板.径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动(有点象加速度计中的自测试模式) ,横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化(就象加速度计测量加速度) .因为科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以计算出角速度. mems陀螺仪的特点 ?MEMS陀螺仪是利用coriolis 定理,将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号,其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的,它主要特点是 1. 体积小、重量轻,其边长都小于1mm,器件核心的重量仅为1.2mg。 2. 成本低 3. 可靠性好,工作寿命超过10 万小时,能承受1000g 的冲击。 4. 测量范围大,目前我公司生产的MEMS 陀螺仪测量范围可扩展到7560?/s。 mems陀螺仪的构成 ?MEMS 陀螺仪(gyroscope)的设计和工作原理可能各种各样,但是公开的MEMS 陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念. 利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的 MEMS 陀螺仪没有旋转部件, 不需要轴承, 已被证明可以用微机械加工技术大批量生产. 绝大多数MEMS 陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力. 振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上. 整体动力学系统是二维弹性阻尼系统, 在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式. 通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致, 以实现最大可能的能量转移, 从而获得最大灵敏度.大多数MEMS 陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配,它对系统的振动参数变化极其敏感, 而这些系统参数会改变振动的固有频率, 因此需要一个好的控制架构来做修正.如果需要高的品质因子(Q) ,驱动和感应的频宽必须很窄.增加1%的频宽可能降低20%的信号输出.还有阻尼大小也会影响信号输出. 一般的MEMS 陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成. 有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构. mems陀螺仪的选用 ?陀螺仪在选用时,必须注意被测参数的物理环境和必要的性能指标。具体要求分列如下: 1.性能要求 ⑴ .随机漂移、随机游走系数、输出噪声 不同结构形式、不同原理的陀螺仪的对漂移率定义和要求不同,机械式陀螺仪精度使用的是随机漂移,光纤陀螺仪使用的随机游走系数。 随机漂移——指由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。 随机游走系数——由白噪声产生的随时间累计的陀螺仪输出误差系数。 单位: ?/h1/2、?/s1/2。 输出噪声的单位:?/h/Hz1/2、?/s /Hz1/2 。

三轴陀螺仪基本技术原理解析

三轴陀螺仪基本技术原理解析 在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下,陀螺会在不停自转的同时,还绕着另一个固定的转轴不停地旋转,这就是陀螺的旋进(precession),又称为回转效应(gyroscopic effect)。 陀螺仪的种类很多,按用途来分,它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中,作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示,作为驾驶和领航仪表使用。 我们现在常接触的便是电子式的陀螺仪,有压电陀螺仪,微机械陀螺仪,光纤陀螺仪,激光陀螺仪等,并且还可以和加速度计,磁阻芯片,GPS,做成惯性导航控制系统。MEMS陀螺仪基本技术原理要想将陀螺仪技术应用于手机、MID、手柄、鼠标、数码相机这样的小型设备中,将传统陀螺仪小型化是必然,为此,MEMS陀螺仪正全面走进数码设备、游戏设备。MEMS是什么呢?MEMS(Micro Electro Mechanical systems,微电子机械系统)是建立在微米/纳米技术基础上的前沿技术,其是一种可对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一整体单元的微型系统。 MEMS产品已被广泛地应用于。。.数码相机(防抖防震器件,使用MEMS陀螺仪产品即便在持续震动的环境中,也能准确地进行归零的动作)、笔记本电脑或MID、手机(如加速度计)、MP3/MP4、游戏机等消费电子产品中。陀螺仪利用这种技术,可在硅片上形成微米尺度的精密谐振结构,用来感应角速度的大小和方向。 与传统的利用角动量守恒原理的陀螺仪相比,MEMS陀螺仪使用了不同的工作原理。传统的陀螺仪是一个不停转动的物体,其转轴的指向不随承载它的支架旋转而变化。要把这样一个不停转动的没有支撑的能旋转的物体用微机械技术在硅片衬底上加工出来,显然难上加难。为此,MEMS陀螺仪在基于传统陀螺仪特性的基础上利用科里奥利力来实现了设备的小型化。什么是科里奥利力呢?科里奥利力(Coriolis force)也就时常说的哥里奥利力、科氏力,它是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动

陀螺仪原理

英文名称:gyroscope 定义:利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。 简介 绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺(top)。通常所说的陀螺是特指对称陀螺,它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体,其几何对称轴就是它的自转轴。由苍蝇后翅(退化为平衡棒)仿生得来。 在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下,陀螺会在不停自转的同时,还绕着另一个固定的转轴不停地旋转,这就是陀螺的旋进(precession),又称为回转效应(gyroscopic effect)。陀螺旋进是日常生活中常见的现象,许多人小时候都玩过的陀螺就是一例。 陀螺仪 人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪(gyroscope),它在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。比如:回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转、陀螺的章动、地球在太阳(月球)引力矩作用下的旋进(岁差)等。 陀螺仪的种类很多,按用途来分,它可以分为传感陀螺仪和指示陀螺仪。传感陀螺仪用于飞行体运动的自动控制系统中,作为水平、垂直、俯仰、航向和角速度传感器。指示陀螺仪主要用于飞行状态的指示,作为驾驶和领航仪表使用。 现在的陀螺仪分为,压电陀螺仪,微机械陀螺仪,光纤陀螺仪,激光陀螺仪,都是电子式的,可以和加速度计,磁阻芯片,GPS,做成惯性导航控制系统。 结构 基本上陀螺仪是一种机械装置,其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子,转子装在一支架内;在通过转子中心轴XX1上加一内环架,那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动;然后,在内环架外加上一外环架;这个陀螺仪有两个平衡环,可以环绕飞机三轴作自由运动,就是一个完整的太空陀螺仪(space gyro)。 历史 早于874年,中国陕西省法门寺供奉佛指舍利的贡品中,曾出现过用陀螺仪制作的香囊1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,首先发现高速转动中的转子(rotor),由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向,他用希腊字gyro(旋转)和skopein(看)两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。 陀螺仪是一种既古老而又很有生命力的仪器,从第一台真正实用的陀螺仪器问世以来已有大半个世纪,但直到现在,陀螺仪仍在吸引着人们对它进行研究,这是由于它本身具有的特性所决定的。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。人们从儿童玩的地陀螺中早就发现高速旋转的陀螺可以竖直不倒而保持与地面垂直,这就反映了陀螺的稳定性。研究陀螺仪运动特性的理论是绕定点运动刚体动力学的一个分支,它以物体的惯性为基础,研究旋转物体的动力学特性。

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