振动陀螺
半球谐振陀螺仪原理
半球谐振陀螺仪原理导言：半球谐振陀螺仪是一种利用陀螺效应测量方向和角速度的设备。
它在导航、惯性导航系统、航空航天等领域具有重要的应用。
本文将介绍半球谐振陀螺仪的原理和工作机制。
一、陀螺效应的基本概念陀螺效应是指陀螺体在外力作用下发生的方向和角速度变化。
当陀螺体受到外力作用时，它会产生一个力矩，使其保持原来的方向和角速度。
这一现象被称为陀螺效应。
二、半球谐振陀螺仪的结构半球谐振陀螺仪由一个半球形陀螺体和悬挂装置组成。
陀螺体在悬挂装置的支撑下能够自由旋转。
当陀螺体受到外力作用时，它会发生方向和角速度的变化。
三、半球谐振陀螺仪的工作原理半球谐振陀螺仪利用陀螺效应来测量方向和角速度。
当陀螺体受到外力作用时，它会产生一个力矩，使其保持原来的方向和角速度。
通过测量力矩的大小和方向，可以确定外力的方向和角速度。
四、半球谐振陀螺仪的应用半球谐振陀螺仪在导航、惯性导航系统、航空航天等领域具有重要的应用。
它可以用来测量飞行器的方向和角速度，从而实现精确的导航和控制。
五、半球谐振陀螺仪的优势和局限性半球谐振陀螺仪具有体积小、重量轻、测量精度高等优点。
然而，它也存在一些局限性，例如对温度和振动敏感，需要进行定期校准和维护。
六、结论半球谐振陀螺仪是一种利用陀螺效应测量方向和角速度的设备。
它在导航、惯性导航系统、航空航天等领域具有重要的应用。
通过测量陀螺体受到的力矩，可以确定外力的方向和角速度。
尽管半球谐振陀螺仪具有一些局限性，但它仍然是一种非常有用的测量装置。
参考文献：。
振动陀螺仪简介
G0
exp[ j(t t0 )][ Acos 2 C cos 2( C )]
2024/8/1
24
第25页/共46页
§3.2半球谐振陀螺仪
二 半球谐振陀螺仪的信号检测
双பைடு நூலகம்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(
B )]
B A2 C2 AC cos 2C B tan1[C sin 2C /( A C cos 2C )] / 2
§3.1 石英音叉陀螺仪
二 结构与性能
（3）性能指标
• 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
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。
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。
2024/8/1
15
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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。
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第12页/共46页
§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。
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
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2
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§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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§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
______________________________________
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。
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振动陀螺仪安装方法说明书
振动陀螺仪安装方法说明书一、准备工作在开始安装振动陀螺仪之前，请确保您具备以下所需物品：1. 振动陀螺仪设备及其附件；2. 安装支架或架子；3. 所需的工具，如螺丝刀、扳手等。
二、安装步骤1. 确定安装位置在安装振动陀螺仪之前，先要确定其最佳安装位置。
一般来说，振动陀螺仪应安装在稳固的表面上，避免与其他设备存在干扰。
同时，还需要考虑到安装位置是否方便维护和观察读数。
2. 安装支架或架子将振动陀螺仪的支架或架子安装在所选定的位置上。
确保支架或架子稳固可靠，并能够承受振动陀螺仪的重量。
根据实际需要，可以选择固定型支架或可调节角度的架子。
3. 连接附件将陀螺仪设备连接好所需的附件，包括电源线、数据线等。
确保连接牢固，并且线路不会造成其他设备的绊倒或搭乱。
4. 安装振动陀螺仪将振动陀螺仪设备放置在支架或架子上，确保安装牢固。
如果有固定螺丝孔，使用相应的螺丝将振动陀螺仪固定在支架上。
如果是可调节角度的架子，根据需要转动角度和方向，确保振动陀螺仪的感应轴正确对准目标。
5. 调整陀螺仪姿态根据实际需要，调整振动陀螺仪的姿态。
使用各种可调节部件，如支架角度、装置高度等，确保陀螺仪装置与目标设备平行且保持水平。
必要时，可以使用水平仪或其他工具帮助校准。
6. 确保固定稳固在安装完毕后，确保振动陀螺仪设备牢固地固定在支架或架子上。
检查螺丝和连接件是否牢固，避免松动或摇晃。
三、安全注意事项1. 在安装振动陀螺仪时，务必断开电源，以防电击事故发生。
2. 安装过程中避免将脚或手指放置在支架或架子下方，以免造成意外伤害。
3. 在操纵陀螺仪设备时，注意避免强烈冲击和振动，以免影响其工作效果和寿命。
4. 如果发现振动陀螺仪设备存在故障或异常情况，请及时停止使用，并联系专业人员进行检修或维护。
请在按照以上步骤完成振动陀螺仪的安装后，再开启电源，并配置相关软件进行使用。
如有其他问题，请参考设备说明书或咨询技术支持人员。
祝您顺利完成安装，愉快地使用振动陀螺仪！。
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
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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 。
苍蝇振动陀螺仪的原理
苍蝇振动陀螺仪的原理
苍蝇使用的振动陀螺仪工作原理可以概括为:
1. 组织结构
苍蝇的胸部背侧有一对特化的小球状结构,称为走钟器,它是感受旋转运动的重要组织。
2. 机械接触刺激
当苍蝇做转动运动时,液体将走钟器内的感觉毛刷动,激发神经冲动。
3. 转动方向敏感
每侧走钟内感觉毛的排列方向不同,使其对旋转方向高度敏感。
4. 旋转加速度计算
神经冲动的频率变化可以反映旋转速度和加速度的大小。
5. 空间定向反应
获取旋转信息后,苍蝇可以做出相应飞行定向运动,修正身体定位。
6. 双耳互补
利用两侧走钟器采集的信息,大脑可以综合分析运动参数。
7. 动态稳定
当外界干扰造成失衡时,陀螺感受可以快速纠正平衡。
8. 视觉协同配合
视觉也可提供定向参考,与走钟感受形成综合自主控制。
苍蝇利用生物结构的巧妙,实现了对飞行运动敏锐的自主感知和修正。
振动陀螺仪简介
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。
陀螺仪振动陀螺
陀螺分解图 谐振子振型图 力发生器和传感器分布图
壳体谐振陀螺 振型偏转描述
谐振子分解： 谐振子分解：弹性质量环 激振、弹性变形： 激振、弹性变形： 圆 椭圆 圆 椭圆 长短轴反复交替 四波腹振型 基座转动前后， 基座转动前后，振型相对基座的偏转
振型相对惯性空间的旋转， 振型相对惯性空间的旋转，比基座滞后 了一个角度， 了一个角度，造成振型偏转
ψ = Kφ
或
ψ = K ∫ ω dt
K 标度因数。对于 4 波节振型，K≈0.3 标度因数。 波节振型， ≈
壳体谐振陀螺 振型运动分析
波腹位置的质点： 波腹位置的质点：沿径向振动 波节位置的质点： 波节位置的质点：沿切向振动 其它位置的质点： 其它位置的质点：两种振动合成 设波腹径向振幅 r0 波节处切向振幅 s0 则距波节θ 则距波节θ处：
Delco的三种型号半球谐振陀螺参数 Delco的三种型号半球谐振陀螺参数
其中Tm = 2ms 0Fra bibliotekx mωω n
& Jθ& + cθ& + kθ = Tm cos ω n t
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 叉绕中心轴的角位移为θ，可导出动力学方程
引入
得到
2 kJ && + 2ζω θ + ω 2θ = Tm cos ω t & θ 0 0 n J
壳体谐振陀螺
振动陀螺仪， 振动陀螺仪，工作部件是很薄的圆口 壳体， 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， 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 经分析， 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 年前后才被利用研制壳体谐振 陀螺仪。 陀螺仪。 核心部分：谐振子（ 核心部分：谐振子（一端约束一 端开口的薄壁壳体）， ），半球形或圆 端开口的薄壁壳体），半球形或圆 柱形
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5
2.1 音叉陀螺: 结构
原理:
振动的端部质量和基座的转动耦合产生的苛氏效应
结构:
U 型的弹性臂. 受到激励后，两臂做对称振动，导致 两个端部质量做对称的线振动
几百或几千 Hz, 幅值相同(几百 mm) 相位相反 音叉底部与基座挠性连接
音叉 挠性轴 基座
阻尼器
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
假设，绕 着中心轴
角位移 --------------θ 转动惯量 ----------- J 阻尼比 -------------- c 扭转刚-- ------------ k
T
ac
x Fc
v
v
Fc
ac
s0
s0
则绕中心轴转动的动态方程可以写成:
J c k Tm cosnt
振动陀螺:
原理 ---- 利用振动的质量随着基座旋转 时产生的苛氏加速度
特点 --- 简单, 轻小, 可靠, 便宜
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
3
1.1 振动陀螺: 发展历程
Development:
1940s-50s --- 美国研制音叉陀螺 1960s --- 通用汽车研制压电陀螺. 1970s后期 --- Delco 公司研制半球谐振陀螺 1980s早期 --- Draper 和 Sperry 研制 MEMS 陀螺 精度: 音叉, 压电, MEMS:
ac
x Fc
v
v
Fc
ac
s0
s0
苛氏惯性力
Fc
mபைடு நூலகம்2
ac
mxmn
cosnt
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
9
2.5 动态方程
苛氏惯性力矩
T 2sFc 2(s0 x) mxm n cosnt 2ms0 xm n cosnt Tm cosnt
---- 精度较低 (战术武器, 车辆, 坦克, 雷达) 半球谐振陀螺 (HRG):
---- 较高精度, 达到惯性级, 光纤陀螺的竞争者.
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
4
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
ac
ss
苛氏加速度 (大小和方向)
Fc
ac 2 v
苛氏惯性力 (大小和方向)
Fc (m / 2) 2 v m v
苛氏惯性力矩 (大小和方向)
T 2sFc 2sm v
如果两个质量运动方向相反, 则速度 v 的方向, 苛氏加速度 ac 的方向 , 惯性力 Fc 的方向 , 和力 矩 T 的方向都变为相反.
敏感质量绕外框架轴振动， 具有线速度 v
激振电极
驱动轴
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
15
3.2 MEMS 陀螺
敏感质量绕外框架轴振 动，具有线速度 v
和输入角速度 ω 耦合
输出
产生苛氏惯性力 Fc
轴
引起绕内框架轴的振动
由内框架上的电极读取输出
输入
6
2.2 音叉陀螺: 假设
mv
vm
2 s s2
假设每个端部质量 = m/2
某个时刻，两个端部质量以速度 v 相向运动 每个质量距离中心轴的瞬时距离为 s
基座绕中心轴以角速度 ω 旋转
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
7
2.3 质量的苛氏分析
T
ac
vv
Fc
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
8
2.4 音叉的苛氏分析
音叉模型的简化 ---- 质量集中在两个端部 (m/2), 到中心轴的初 始距离为 s0 .
端部质量的振动位移
x xm sin nt 振动的速度 v xmn cosnt
苛氏加速度
ac 2 v 2 n xm cosnt
线性的输入输出关系
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
11
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
12
3.0 电场和静电力
平板电极
静电力:
F
1 2
0
U d
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
14
3.2 MEMS 陀螺
MEMS -- Micro-machined Electromechanical System
利用光刻或化学蚀刻加工石英或硅材料
Draper 研制的框架式振动
陀螺 ( 1990)
v
对外框架激振
敏感质量 内框架
外框架
Vibratory Gyro
振动陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
1
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
2
1.1 振动陀螺: 概述
机械陀螺 转子陀螺
---- 基于牛顿运动定律 ---- 液浮，静电 ---- 结构复杂、昂贵
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
10
2.6 I/O 特性
J c k Tm cosnt
选取 ωn = ω0 (自然频率), 稳态响应为
n
2ms0 xm
c
sin 0t
角位移由传感器检测到, 输出电压信号:
Um
ku
2ms0 xm
c
K
K ---- 输入输出比例因子
Fc
轴 敏感质量
v ac
读取电 极
驱动轴
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
16
3.2 使用了 MEMS 陀螺的 SINS
MEMS 陀螺
MEMS 加速度计
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
17
Outline
1. 振动陀螺概述 2. 音叉陀螺 3. MEMS 陀螺 4. 半球谐振陀螺
2
S
1 2
0E2S
ε0 --- 真空介电常数
电容:
C
0
S d
Lecture 15 -- Vibratory Gyro
13
3.1 压电陀螺
压电效应: 正压电效应: F→E
当晶体受到压力或张力（形变）， 产生电势 逆压电效应: E→F 给晶体施加电场，产生压力或张力 （形变） 压电陀螺 利用逆压电效应激振, 利用正压电效应读取信号