几种新型陀螺简介
何传五
北京控制工程研究所,北京100080
摘 要 随着航空航天技术的发展,对惯性测量装置提出了更多的要求。利用不
同原理研制成的陀螺在各种领域均有不同应用。本文仅就微机械陀螺、半球谐振
陀螺、挠性陀螺、光纤陀螺的原理、结构及特性作一简介。
主题词 陀螺仪 3微机械陀螺 3半球谐振陀螺 动力调谐陀螺仪
纤维光学陀螺仪
Brief I ntroduction to Several G yros
He Chuanwu
Beijing Institute of C ontrol Engineering,Beijing100080
Abstract More and more requirements for the inertial measurement units are presented with
dovelopment o f the aerospace technology.Several gyros developed by different concepts are po-
ssessed o f different application areas in aerospace.In the paper the operating principle,struc2
ture and characteistics only for micromechanical gyro,hemispherical resonator gyro,dynami2
cally tuned gyro and fiber2optic gyro are introduced briefly.
Subject terms Gyroscope 3Micromechamical gyro 3Hemispherical resonator gyro
Dynamically tuned gyro Fiber optic gyroscope
1 微机械陀螺
微机械陀螺是微电子与微机械组结合的微型振动陀螺。两种典型的结构形式如图1所
示。图1(a)为音叉结构,呈H形,音叉振动。当有角速度输入时,将产生哥氏力而形
成绕挠性轴振动的力矩,振动幅度与输入角速度成正比。它采用压电石英晶体并由光刻和
化学蚀刻而成,然后再用激光刻修调整平衡。
图1(b)为框架式结构,它由内框架和外框架组成,二者相互正交,均为挠性轴。
检测质量固定在内框架上。检测质量绕驱动轴振动,由于振动角很小,故检测质量点的振
收稿日期 2000年10月8日
动可认为是沿输出轴的线振动。当有角速度输入时,在检测质量上质点作用着哥氏力,产生绕输出轴的力矩,使其绕输出轴振动。测量电容差值的变化,处理后获得正比于输入角速度的输出电压信号。陀螺仪框架是在单晶硅上进行化学蚀刻而制成的,通过可选择的硼掺杂和非均质腐蚀获得所需的几何形状。检测质量由金块加工而成,以减小体积、提高质量,使哥氏力加大。激振电极和读取电极均由玻璃表面金属化制成。与各电机相对的硅制框架表面也需进行金属化处理,以起到极板作用。电极与框架间的相对位置则由装配夹具来保证。
图1 微型振动陀螺仪的结构形式
(a)音叉式 (b)框架式
2 半球谐振陀螺
211 工作原理及结构
半球谐振陀螺的基本原理也是基于哥氏加速度产生哥氏力,但由于它是杯形,因而表现形式不一样。图2是此陀螺的结构示意图。它由半球谐振子、力发生器和传感器组成。
半球谐振子是陀螺的主体,它采用熔凝石英,以获得稳定的固有振动频率。直径一般为15～60mm,壁厚一般为013～1mm。在半球壳开口端边缘的圆周上开有许多小槽,小槽数目是偶数;用精确修正槽口的办法调整振子的动平衡,使其在各个方向具有等幅振动。半球壳的内、外球表面均要进行金属化处理,再镀上一层铬或金,分别作为传感器和力发生器的极板。振动频率是谐振子的固有频率,一般为2～10kH z,振动波形通常为四波节振型。
力发生器由环形力发生器和离散力发生器组成。环形力发生器使谐振子始终处于谐振状态。离散力发生器使谐振子开口端形成精确的振动波形。一般设置16个电极,控制回路对振子加力也通过离散力发生器进行。
传感器用来检测振动波形相对基座偏转角的输出部分,一般设置8个电极。
半球谐振陀螺主要部件的基体均由熔融石英制成,在各部件上均加工有精密的配合表面,并用铟焊接后再装在金属壳体内。仪表内部抽成真空。
假设振子的振型为4波节振型,如图3所示。当基座绕谐振子中心轴以角速度ω转动并转过<角时,4波节振型将相对基座偏转ψ角。测量ψ角大小就可测出输入角度。
212 工作模式及传递函数
陀螺工作有两种模式,全角式和力反馈式。图3是全角式,对于半球谐振陀螺ψ=013<。
图2 半球谐振陀螺的结构组成
图3 基座转动时振型的偏转
由于有四个波节振型,陀螺传感器输出的角度信号是2ψ,因而全角式的传递函数如图4所示。
G out =2K b s
Ωin 是速度积分状态。力反馈式工作模式的传递函数如图5所示。
G out =2K b s +2K b K Ωin ,稳态时G out =1K
Ωin ,此时陀螺工作在速率状态。213 半球谐振陀螺特点
半球谐振陀螺在70年代后期美国开始研制,至今有HRG 130和HRG 115几种形式。特
别是HRG158和HRG130目前已广泛应用。如用于利顿导航系统,哈勃天文望远镜等。特别是马丁公司为中国生产的中卫1号卫星,其中陀螺为HRG。俄罗斯也很注意发展,但现在未见实际应用。由于HRG具有许多特性,因而在航天应用方面极具潜力。
(1)工作精度较高
工作精度较高,常值漂移和随机漂移均较小。谐振子的进动由哥氏力引起,但哥氏力使谐振子进动必须克服材料内阻尼、弹性迟滞和弹性后效。由于选熔融石英为材料,这些影响均很小,因此很小的哥氏力也就是很小的输入角速度就可使其进动。中卫1号卫星所用HRG130,其分辨率为0105(°)/h。15年内标度系数稳定性为250PPM,常值漂移011 (°)/h。
(2)仪表性能稳定
因为材料性能稳定保证了陀螺的性能稳定性。中卫1号用的HRG,其16h漂移稳定性010063(°)/h(p-p值),输入轴对准稳定性20(″)。
(3)结构简单
无转动部件,不存在磨损问题,因而可靠性极高,使用寿命极长,一般都在15年以上。一般认为HRG寿命取决于相配套的电子器件的寿命。中卫1号卫星寿命15年,因HRG寿命长,用4个陀螺15年连续工作且精度高,因此以陀螺为主,其它敏感器为辅。
(4)无需加热
无需加热,启动时间短,且重复性好。
(5)最高速度不受限制
只要输出部分设计合理,最高速度不受限制,且工作频带宽。
(6)承受过载能力大
能承受大的过载,能承受3000g的加速度。
(7)低的敏感度
对振动、温度和磁的敏感性较低。
(8)抗辐射能力强
(9)时间常数大
由于时间常数大,衰减很慢,能承受电源中断的影响,中断后仍能恢复正常工作。
(10)体积小、重量轻
中卫1号的I M U由4个HRG和2个加速度计组成,重量只有511kg(包括电路、两组电源、两个中央处理器),体积Φmax45172×h max5018。
(11)功耗小
中卫1号的I M U全部功耗仅20W。
3 挠性陀螺
311 结构
挠性陀螺结构如图6所示。主要有转子、平衡环、扭杆、
驱动轴及力矩器、信号器、
图6 挠性陀螺的典型结构
图7 挠性陀螺
驱动电机等部件组成。电机驱动平衡环和转子
一起旋转。在平衡环与转子之间,驱动轴和平
衡环之间均为扭杆连接。由于扭杆的刚度调整
到与转子形成的陀螺力矩相平衡,在无力反馈
的状态下,陀螺呈双轴自由陀螺状态。
312 工作原理
为了说明挠性陀螺的原理,我们采用图7
来说明。取坐标系OXY Z 固连在壳体上,不随
转子旋转,使OZ 轴与驱动轴重合。取oxyz 固
连在框架上,oz 轴可随转子旋转,使ox 轴与内半轴重合,oy 轴与外半轴重合。取ox 轴和
OX 轴重合的瞬间作为零点。当驱动轴由于外壳的转动相对于OZ 轴转过一小角度α时,由于陀螺定轴性,转子将保持自旋轴oz 方向不变。框架(平衡环)必须绕内半轴(ox 方向)振动,振动角度β与角度α有以下关系,即β=αcos Ωt 。
驱动角速度Ω在OXY Z 坐标系三个轴上的投影分别为
ωx =-αΩsin Ωt
ωy =Ωsin β=αΩcos Ωt
ωz =Ωcos
β≈Ω 设平衡环绕三个轴的转动惯量分别为a ,b ,c 。绕三个轴的角动量分别为
H x=-aαΩsinΩt H y=bαΩcosΩt
H z=cΩ
根据动量矩定理:d H
d t=9 H
9t+
ω× H,作用于平衡环上的沿ox轴的陀螺力矩分量为
(以 H=H x i+H y j+H z k和 ω=ωx i+ωy j+ωz k计算)
M x=-(a+b-c)αΩ2cosΩt
而作用于转子上的力矩为-M x。将这个力矩投影到固定坐标系OXY Z中得出M x=-M x cosΩt
=1
2
(a+b-c)αΩ2+
1
2
(a+b-c)αΩ2cos2Ωt
也就是说,当转子相对于驱动轴有一偏转角α时,将引起一反弹簧力矩,它与α同号,使α增大。由于挠性陀螺有内、外扭杆,它可抵消这个正弹簧力矩。此时取
M dc=-1
2
(K x+K y)-(a+b-c)Ω2α=0
其中K x、K y为沿ox和oy轴扭杆的弹簧刚度。
令
K=1
2
(K x+K y)=
1
2
(a+b-c)Ω2
Ω=2K
a+b-c
图8 圆形环路萨格奈克干涉仪
即在转子转速满足上式时,转子成为无约
束,为自由陀螺状态。但在实际工程应用中Ω是
固定的,而是改变惯量使之满足上式。
4 光纤陀螺
411 光纤陀螺仪的工作原理
光纤陀螺仪的工作原理如图8(a)所示。
该干涉仪由光源、分束板、反射镜和光纤环
组成。光在A点入射,并被分束板分成等强的两束。反射光a进入光纤环沿着圆形环路逆时针方向传播。投射光b被反射镜反射回来后又被分束板反射,进入光纤环沿着圆形环路顺时针方向传播。这两束光绕行一周后,又在分束板汇合。
先不考虑光纤芯层的折射率的影响,认为光在折射率为1的媒质中传播。当干涉仪相对惯性空间无旋转时,相反方向传播的两束光绕行一周的光程相等,等于周长
L a=L b=2πR=l
绕行时间也相等,用l除以光束c
t a=t b=l
c
=
2πR
c
当干涉仪绕着与光路平面相垂直的轴以角速度ω相对惯性空间旋转时,由于光纤环
和分束板均随之转动,相反方向传播的两束光绕行一周的光程就不相等,时间也不相等。
反射光a 绕行一周的时间为t a ,当它绕行一周再次到达分束板时多走了R
ωt a 一段距离,实际光程L a :
L a =2πR +R
ωt a t a =L a c =2πR +R ωt a c
t a =2πR
c -R ω 投射光b 绕行一周的时间为t ,绕行一周少走R
ωt b ,实际光程L b :L b =2πR -R
ωt b 同样t b =2πR c +R
ω时间差Δt =t a -t b =
4πR 2
c 2-(R ω)2ω∵c 2μ(R
ω)2∴Δt =4πR 2
c 2ω
光程差ΔL =c Δt =4πR 2
c ω
这表示有角速度时,两束光的光程差ΔL 与输入角速度ω成正比。设波长为λ,它所对应的角度为2
π,光程差ΔL 所对应的相角Δ<为Δφ=2πλ
ΔL 因周长l =2πR ,所以
Δφ=4πRl c
λω 当光纤为N 匝时
Δφ=4πRlN c
λω=K ω
图9 闭环干涉型光纤陀螺原理图 K =4πRlN c
λ 一般2R =10cm ,光纤长不超过2500m 。
412 闭环干涉型光纤陀螺
闭环干涉型光纤陀螺原理图如图9所示。
它由伺服放大器SF 、相位变换器PT 、激光器光源LR 、
相位调制器PM 、分束器S L 、光检测器D 和相敏解调器PS D
组成反馈回路。从LR 出来的光经分束器S L 分成等强的两束,
其中顺时针方向传播的光由透镜L 1耦合进入光纤线圈的一
端。而逆时针方向传播的光通过相位调制器PM 后,由透镜L 2耦合进入光纤线圈的另一端。这两束光分别从光纤线圈的
相反两端出射。当光纤陀螺输入轴旋转时,两束光之间的相移将发生变化,两束光经分束器S L汇合后,由光检测器D接受,经工作频率为f m的相敏解调器PS D解调,并经低通滤波后送入伺服放大器SF,驱动相位变换PT,产生与旋转相移Δ<大小相等符号相反的信号,使光纤陀螺始终处于在其最灵敏的零位附近工作。和其它反馈系统一样,输出线性度和稳定性仅取决于相位变换器的性能。目前闭路干涉型光纤陀螺仪漂移率已达到0101 (°)/h。
4 光纤陀螺的特点
光纤陀螺由激光陀螺进化而来。一般具有以下特点:
a1结构简单,相对于液浮陀螺而言,零件少得多。
b1动态范围宽,测量角速度范围可达0101(°)/h～400(°)/s。
c1仪表启动快,仅需零点几秒即可投入工作,可以说是瞬时。
d1反应时间短,在角速度输入时,可以瞬时响应输出。
e1对加速度和振动不敏感,可承受大的过载。
f1直接数字输出,便于与计算机连接。
目前激光陀螺在飞机上应用比较多,但还未在航天器上广泛应用。
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仿真结果表明,组合系统不仅能很好地估计导航参数,而且能对惯性元件的性能进行估计,有利于对惯性元件的补偿,比单一导航系统在性能上有明显提高。在惯性元件性能提高日益困难的情况下,利用多传感器构成组合导航系统,能有效提高导航系统精度,降低对惯性元件的性能要求,无疑是导航系统的发展方向。
参 考 文 献
1 袁信,俞济祥,陈哲1导航系统[M]1北京1航空工业出版社,1993
2 Neal A.Carls on.Federated Filter for Fault-T olerant Integrated Navigation System[A].IEEE P LANS[C],1988: 110～119
3 K.P.Schwarz,M.Wei,M.Van G elderen.Aided Versus Embedded,a C omparision of T w o Approach to G PS/I NS Integration[A].IEEE P LANS[C],1994:314～322
实验5.1 单点测斜仪使用操作方法 一、目的与要求 1. 熟悉和了解JXY—2型单点测斜仪的结构、工作原理和使用条件。 2. 掌握JZY—2型测斜仪操作方法。 二、实验内容 1. 测量钻孔5m、20m、30m处的顶角和方位角； 2. 作出钻孔顶角和方位角的变化曲线。 三、实验设备、仪器及辅助工具 1. XY—4型钻机，ф50mm钻杆； 2. JXY—2型测斜仪一套2台，井下钢绳吊装护筒一套； 3. 拧卸钻杆工具、管钳等。 四、实验步骤 1. 从保护简内取出测斜仪，旋动定时装置的旋钮，分别将两台仪器的机械钟启动到仪器卡所需要的时间（根据所测点的深度，下钻所需要的时间和组装仪器所需要的时间以及仪器在测点稳定所需时间的总和）。记下时间。 2. 将两台仪器分别装入保护筒内，盖紧密封盖。 3. 将两台仪器分上、下位装入井下钢绳吊装护筒里，拧紧护筒堵头。 4. 将井下钢绳吊装护筒连接在钻杆上。 5. 开动钻机，利用升降机，使用钻杆将测斜仪下到测点。 6. 仪器在测点稳定后，超过仪器锁卡所需时间，待仪器锁卡后，提出井下钢绳吊装护筒，取出测斜仪，分别直接读出两台仪器所测顶角和方位角。作好第一测点记录。 7. 重复上述操作步骤，测量钻孔的下一个测点。 五、实验数据整理（填入表中） 六、实验报告要求 1. 每人交一份实验报告。 2. 简述JXY—2型单点测斜仪结构特点及工作原理。
3. 分析测量结果，简析钻孔弯曲原因。 实验5.2多点测斜仪操作方法 一、目的与要求 1. 熟悉和了解JJX—3型多点测斜仪的结构、工作原理和使用条件。 2. 掌握JJX—3型测斜仪操作方法。 二、实验内容 1. 测量钻孔5m、10m、20m、30m、40m处的顶角和方位角； 2. 作出钻孔顶角和方位角的变化曲线。 三、实验设备、仪器及辅助工具 1. 升降绞车，钢丝绳，三芯电缆线。 2. JJX—3测斜仪。 3. JJG—1型测斜校验台。 4 拧卸工具，常用小工具。 四、实验步骤及操作注意事项 1. 仪器接线与调试 将JJX—3型井下仪器固定在校验台上，把井下仪器顶端三芯线与电缆三芯线按相同颜色联拉起来，用橡胶皮或不透水材料扎紧密封。把电缆线的三个接头（一般红色“+”、灰色“—”，黑色“地”）分别接到面板上的三个接线柱上（“+”、“—”、“╧”）。 将90V直流电源（或90V干电池）接在仪器面板电源接线柱“+”、“—”上（图5-1）。 按下“电源检查”按钮，这时“状态指示”mA表指针应指在两红线之间“V”内。 按下“状态转换”按钮，识别四个状态位置（见表5—1）。
什么是陀螺仪 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（特化为平衡棒）仿生得来。 在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，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。 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。 陀螺仪原理 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 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，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。 编辑本段陀螺仪的用途 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
CX―6型陀螺测斜仪外经40mm,进口传感器,电子陀螺,可测定强磁性地区及有铁套管的钻孔中方位角及顶角，精度:顶角：0.1度，范围:0-60度,方位角2度。0-360度,（适合于各类钻孔）新产品:CX-6B:无线自动存储式陀螺测斜仪.无需电缆,由钢绳将探头放入孔中,定时采样,存储,回到地面直接传入计算机.技术参数优于CX-6A. 一、概述 CX―6型陀螺测斜仪主要针对磁性矿地区及在铁套管中测量钻孔斜度及方位而设计。普通测斜仪钻孔方位角主要依靠指南针或磁敏元件定向，在磁性矿地区或在铁管中，由于指南针或磁敏元件的磁感应受到磁性体的影响，钻孔的方位角难以确定。因此，在磁性较强的环境中测量方位角最有效的办法是采用不受磁性体干扰的陀螺仪定向。陀螺仪有机械式和电子式两大类。机械式陀螺仪零点漂移较大、使用寿命较短、价格高。GX―6型陀螺测斜仪采用电子式陀螺仪，它具有体积小、寿命长、零点漂移小、价格较低等优点，是磁性矿地区及在铁套管中测量钻孔方位角较理想的传感器。 CX―6型陀螺测斜仪测量钻孔顶角（钻孔轴线与纵垂线间夹角）的传感器采用高性能的SMR元件作为敏感元件，可无触点的对倾斜角度进行测量，具有测量角度范围大、精度高、分辨率可达千分之一度、灵敏度高、寿命长、耐环境污染、抗振动等特点。钻孔测斜仪测量顶角主要采用进口伺服加速度传感器，钻孔测斜仪是在野外环境中使用的仪器，在运输及使用过程中振动是难以避免的。SMR是一种新型的传感元件，它除了有伺服加速度传感器的优良性能外，最主要的优点是抗振动5000g，特别适合野外使用。 CX―6型陀螺测斜仪整个测试过程由单片机及一台笔记本电脑控制，全部采样过程的分析计算、曲线及成果表的显示及打印均由软件自动完成。工作界面采用VB语言编制，中文菜单、操作简便。 二、基本工作原理 仪器工作原理： X方向SMR传感器是用于测量钻孔在X方向的倾斜偏移量，Y方向SMR传感器是用于测量钻孔在Y方向的倾斜偏移量。 当钻孔在X轴方向倾斜偏移为X′，在Y轴方向倾斜偏移为Y′时，其平行四边形的对角线长度R即是该点的顶角水平投影偏移量R= X′2 + Y′2 。方位角的测量原理如图五所示。仪器放入钻孔之前，在孔口上做一个标记，作为方位角起始点。将仪器测管外的起始标记对准孔口标记，假设测斜仪放入孔中无自转，只有倾斜，则图四中的α即是钻孔方位角，但实际中测斜仪放入孔内后不可避免地会任意转动，此时经陀螺仪测出其旋转角度，剔除无效转
带你看看高精度陀螺仪有哪些 对于陀螺仪，可能大家没怎么听过这样概念，但是你早已接触过陀螺仪带来的功能。就是在不锁定手机的情况下，进行手机的翻转，界面也跟着翻转；在玩精灵宝可梦的时候，你通过手机的偏转，画面进行的偏转，从而抓到你的皮卡丘。 陀螺仪的另一种叫法又称角速度传感器，从定义上来看陀螺仪是测量载体角运动或者角速度的传感器从应用的角度上来看，陀螺仪多用于导航、定位等系统常用实例如手机GPS 定位导航、卫星三轴陀螺仪定位，其陀螺仪的精度在整个过程中起到了至关重要的作用，也就是高精度的陀螺仪直接决定了惯性导航系统的精度以及制导和自动控制系统的性能品质。 现在随着陀螺仪的发展，技术越来越成熟，陀螺仪的结构和原理都有着很大的变化。由于设备对偏转度的要求越来越精准，已经出现了高精度陀螺仪这一概念，完全不局限在传统的机械陀螺仪当中，下面就来介绍一下，近年来成功开发的高精度陀螺仪。 1.静电陀螺仪 虽然传统的机械陀螺仪已经满足不了用户、或是场景变换上的精度需求了，但并不意味着包含转子结构的陀螺仪已经完全退出了高精度陀螺仪队伍当中。其身为机械陀螺仪的升级版本，静电陀螺仪利用电场克服了转子旋转的摩擦力，大大提高了陀螺仪的精度。可惜生产难度较大，限制了其大规模的应用。 2.压电陀螺仪 对于经常接触传感器的人都会知道，在需要完成测压力这一任务的时候，我们基本会采用压电传感器。但对压电陀螺仪并不清楚，压电陀螺仪是一种振动陀螺，依靠压电材料的压电效应，当角速度不同时，贴在不同方向上的压电薄片的电压也出现偏差，依此测量角速度。作为高精度陀螺仪，压电陀螺仪的抗干扰能力也十分强大，甚至经受的动态核爆实验也没有损坏，因此多用在军工方面。 3.光纤陀螺仪 光纤陀螺仪可谓顺应着时代的陀螺仪潮流而诞生，其具有精度高，体积小等特点，而且在
陀螺仪 科技名词定义 中文名称：陀螺仪 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。 应用学科：船舶工程（一级学科）；船舶通信导航（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 陀螺仪 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。 目录
编辑本段
陀螺仪 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 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。 编辑本段陀螺仪原理 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。
SinoGyro陀螺测斜仪定向操作规程 一、检查仪器密封圈是否都已上好并完好无缺，仪器连接丝扣处用丝扣油涂抹，连接好仪器 并打紧。 二、在井上将井下仪放置在井斜20—30度之间。 三、转动井下仪，使定向引鞋的定键槽垂直向上并保持稳定。 四、开机，待仪器运转稳定后开始测量；连续测量三次以上，取最后三次稳定重力高边数值 的平均值（重复性误差≤+10）作为“高边初始角”的值输入计算机。 五、重测，确认此时重力高边实测数值为零（误差≤+10）；仪器断电。 六、为了确保仪器井下顺利入键，定向接头下井之前必须与仪器引鞋进行地面入键测试，一 切顺利后，定向接头方可下井。 七、仪器下井时，在定向键槽涂上铅油。下放时下放速度≤2000米/小时；上提时≤1800 米/小时。当井下仪下放距离定向接头50米时，控制下放速度在1200-1500米/小时之间；仪器入键后，待地滑轮落地时，方可停绞车。 八、绞车停稳2分钟后，开机测量，连续测量2次，检查仪器稳定性和重复性并记录测量数 据；一切正常后仪器断电，待陀螺停稳后上提30米以上，开始第二次坐键并测量；连续坐键三次，三次高边测量值误差≤+50时即可确认仪器入键。 九、仪器入键后不动，地面转动钻杆或油管至所需位置，然后上提下放钻杆或油管各三次， 每次活动范围3—5米，待活动完成后开机测量定向键的位置，如果达不到要求，继续转动和活动井下工具，至定向键位置达到工艺要求为止，至此陀螺定向结束。 十、陀螺测斜仪高边转换角默认值为3度，测量过程中如果想同时观察陀螺高边和重力高边 时，可在同一位置改变高边转换角的数值来实现。 十一、定向测量结束后，数据存盘，起出井下仪，进行现场资料交接。
传感器简介 9.1 气体传感器 气体传感器又叫气敏传感器，主要用来监测气体中的特定成分，并将其变成相应的电信号输出。气体传感器的应用很广，在日常生活中，有检测饮酒者呼气中的酒精含量的传感器；测量汽车空燃比的氧气传感器；家庭和工厂用的煤气泄漏传感器；火灾之后检测建筑材料发出的有毒气体传感器；坑内沼气警报器等。 9.1.1 气体传感器的分类 气体传感器可分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器和组合电位型传感器等多种类型，其中最常见的是半导体气体传感器。 气体传感器的类型虽然很多，但对它们有以下几个基本要求： (1) 对被测气体要有高的灵敏度； (2) 选择性要好，即对和被测气体共存的其他气体不敏感； (3) 能够长期稳定地工作； (4) 检测和报警要迅速。 9.1.2 半导体气体传感器 对于半导体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气体传感器是利用半导体接触气体时其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气体传感器则是根据对气体的吸附和反应，使半导体的某些特性发生变化，对气体进行直接或间接检测。下面简单介绍电阻型半导体气体传感器的基本原理。 半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件组织发生变化而制成的。 9.2 湿度传感器 湿度传感器是用于感受大气湿度并转换成适当电信号输出的传感器。 湿度传感器的分类 常见的湿度传感器主要有两大类，一类是水分子亲和力型湿度传感器；另一大类是非水分子亲和力型湿度传感器。具体分类见表9-1。 表9-1 湿度传感器分类 9.2.2 水分子亲和力型湿度传感器 9.2.2.1 氯化锂湿度传感器 氯化锂湿度传感器是电解质湿度传感器的代表。它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的。氯化锂湿度传感器的结构是在条状绝缘基片的两面，用化学沉积或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配置的氯化锂-聚乙烯醇混合溶液，经老化处理，便制成了氯化锂湿度传感器，其结构如图9-1所示。
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。
陀螺仪的作用 这陀螺仪和重力传感器有什么区别呢？区别很多，但最大的区别就是重力传感对于空间上的位移感受维较少，能做到6个方向的感应就已经很不错了，而陀螺仪则是全方位的。这很重要，毫不夸张的说，这两者不是一个级别上的产品。 可能看到这里，大家还是会觉得有些迷惑，既然陀螺仪很厉害，那么它在手机上到底有什么用呢？我们不妨来看看。 第一大用途，导航。陀螺仪自被发明开始，就用于导航，先是德国人将其应用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手机的导航能力将达到前所未有的水准。实际上，目前很多专业手持式GPS上也装了陀螺仪，如果手机上安装了相应的软件，其导航能力绝不亚于目前很多船舶、飞机上用的导航仪。 第二大用途，可以和手机上的摄像头配合使用，比如防抖，这会让手机的拍照摄像能力得到很大的提升。 第三大用途，各类游戏的传感器，比如飞行游戏，体育类游戏，甚至包括一些第一视角类射击游戏，陀螺仪完整监测游戏者手的位移，从而实现各种游戏操作效果。有关这点，想必用过任天堂WII的兄弟会有很深的感受。 第四大用途，可以用作输入设备，陀螺仪相当于一个立体的鼠标，这个功能和第三大用途中的游戏传感器很类似，甚至可以认为是一种类型。 第五大用途，也是未来最有前景和应用范围的用途。下面重点说说。那就是可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是近期才冒出的概念，和虚拟现实一样，是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力，让人们对现实中的一些物体有跟深入的了解。如果大家不理解，举个例子，前面有一个大楼，用手机摄像头对准它，马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数，比如楼的高度，宽度，海拔，如果连接到数据库，甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数等等。 这种增强现实技术可不是用来满足大家的好奇心，在实际生产上，其用途非常广泛，比如盖房子，用手机一照，就知道墙是否砌歪了？歪了多少？再比如，假如您是一位伊拉克抵抗美军的战士，平时只需要揣着一部此类手机，去基地那里转转，出来什么坦克，装甲车或者直升机，用手机对准拍下，马上就能判断出武器的型号，速度、运动方向
3.2 陀螺仪的基本特性 双自由度陀螺的两个基本特性是：进动性和定轴性。 3.2.1 陀螺仪的进动性 简单的说陀螺的进动性是指当陀螺受到外力矩的作用时，所产生的一种复合扭摆运动，其进动角速度的方向垂直于外力矩的方向，其进动角速度的大小正比与外力矩，或者说，陀螺进动的方向为角动量以最短距离导向外力矩的方向。 为了便于理解，我们以二自由度的框架陀螺为例，其进动表现为：外力矩如沿着内框轴作用时，则陀螺仪绕外框转动；若外力矩沿外框轴作用时，则陀螺绕内框转动。 3.2.2 陀螺仪的定轴性 陀螺的定轴性是指转子绕自转轴高速旋转时，如果不受外力矩的作用，自转轴将相对于惯性空间保持方向不变。换言之，双自由度陀螺具有抵抗干扰力矩，力图保持转子轴相对惯性空间的方位稳定的特性。 在实际的陀螺仪中，由于结构和工艺的不尽完善，总是不可避免的存在干扰力矩，因此，考查陀螺仪的定轴性，更有实际意义的是考查有干扰情况下，在有限的时间内，自转轴保持方位稳定的能力。由陀螺仪的进动性可以知道，在干扰力矩的作用下，陀螺将产生进动，使得自转轴偏离原有的方位，这种方位偏差就称为漂移。
一般说来，框架陀螺仪的漂移较大，从几度每小时到几十度每小时不等，这就是为什么框架式陀螺测斜仪在测量前要求标桩对北，测量结束后还必须校北的原因。 3.3 陀螺仪的表观进动 由于陀螺仪自转轴相对于惯性空间保持方位不变（当陀螺仪的漂移足够小；同地球自转引起的地球相对惯性空间方位变化比较，可近似的认为陀螺仪相对惯性空间的方位不变），而地球以其自转角速度绕极轴相对惯性空间转动，所示观察者若以地球为参考基准，将会看到陀螺仪自转轴相对地球转动，这种相对运动称为陀螺仪的表观运动。 表观运动的实质是陀螺仪可以跟踪测量地球自转角速度。例如在地球任意纬度处，放置一个高精度的二自由度陀螺仪，并使其自转轴处于当地垂线位置，如图所示，可以看到陀螺的自转轴将逐渐偏离当地的地垂线，而相对地球作圆锥面轨迹的表观进动，每24小时进动一周。若使得自转轴处于当地子午线位置，此时将看到陀螺仪自转轴逐渐偏离当地子午线，也相对地球作圆锥面轨迹的表观进动，每24小时一周。 3.4 坐标系
微机械陀螺仪的国内外发展概述 学号：07060441x28 姓名： 摘要：陀螺仪是一种用于测量旋转速度或旋转角的仪器。它在运输系统，例如：导航、刹车调节控制和加速度测量等方面有很多的应用。微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种，现在工业控制、航空航天、军用技术都不可能离开惯性传感器：汽车、消费品和娱乐市场也开始依赖这些设备。许多市场调查一致认为微机械传感器市场将以每年15%-25%的年增长率增长。微机械陀螺仪的性能指标在很短的十几年内得到了迅速提高，目前正由速率级向战术级精度迈进。根据随机游走系数定义陀螺仪的性能指标，体微机械和表面微机械陀螺仪的性能在每2年便以10倍的速度得到提高，表面微机械陀螺仪和体微机械陀螺仪的性能的差距也越来越小。也正是由于微机械陀螺仪的广泛应用，使得世界各国都致力于对陀螺仪的研究和发展。 正文： 一、微机械陀螺仪的分类简介及用途。 陀螺是首先在火箭上得到应用的，开始于二战期间德国的V2火箭。从此，陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来，冷战时期精度上快速提高，功能上有很大扩展。不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用，而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。在军事应用的牵引下，惯性仪表精度大幅提高的同时，相关的制造工艺越来越复杂，生产周期长，成本很高，价格昂贵，令民用部门望而却步。即使在军用方面，由于陀螺仪转子的高速旋转和惯性测量系统的复杂性，在可靠性、安全性、兼容性、寿命以及体积重量等方面也暴露出某些固有的弱点。凡此种种，促使科技人员去思考和探索新的测量工具和测量方式，以替代传统的机械转子式的陀螺仪。因而，各种各样的新型陀螺仪和加速度计相继研制出来并成功地获得应用。微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种： （1）振动式微机械陀螺仪。 振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度。多采用平面电极或是梳状电极静电驱动，并采用平板电容器进行检测。其分类如下：
MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用） MEMS传感器市场浪潮可以从最早的汽车电子到近些年来的消费电子，和即将来到的物联网时代。如今单一的传感器已不能满足人们对功能、智能的需要，像包括MEMS惯性传感器、MEMS环境传感器、MEMS光学传感器、甚至生物传感器等多种传感器数据融合将成为新时代传感器应用的趋势。 工欲善其事，必先利其器，这里就先以MEMS陀螺仪开始，简要介绍一下MEMS陀螺仪、主要性能参数和使用。 传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理，即：对旋转的物体，它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。MEMS陀螺仪主要利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）原理，公开的微机械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。 MEMS陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制共振运动，通过科里奥利力原理把角速率转换成一个特定感测结构的位移。以一个单轴偏移（偏航，YAW）陀螺仪为例，通过图利探讨最简单的工作原理。 两个相同的质量块以方向相反的做水平震荡，如水平方向箭头所示。当外部施加一个角速率，就会出现一个科氏力，力的方向垂直于质量运动方向，如垂直方向箭头所示。产生的科氏力使感测质量发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为感测器感测部分的动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电子参数---电容量。 下图是一种MEMS陀螺仪的系统架构，，陀螺仪的讯号调节电路可以分为马达驱动和加速度计感测电路两个部分。其中，马达驱动部分是透过静电引动方法，使驱动电路前后振动，为机械元件提供激励；而感测部分透过测量电容变化来测量科氏力在感测质量上产生的位移。
光纤陀螺测斜仪技术综述 北京航空航天大学光纤传感器研究所刘晓(lx760506@https://www.doczj.com/doc/ae11752397.html,) 光纤陀螺测斜仪的核心传感器是光纤陀螺元件和重力加速度元件。重力加速度元件的技术和产品工艺在上世纪80年代已经非常成熟。所以当时用于地质钻井测量的测斜仪都应用这种元件作顶角测量传感器，加上磁通门元件作方位测量传感器。这种方法制造的测斜仪具有精度高，性能可靠的特点。美中不足的是，这种测斜仪不能在磁性矿区应用，也不可以在钻杆中、套管中应用。相比磁通门式测斜仪，光纤陀螺测斜仪就更具有广泛的应用范围，光纤陀螺测斜仪不依靠大地磁场来确定方位，这种测斜仪确定钻孔方位的原理是检测地球自转角速度在仪器坐标和钻孔方向上的分量，再经过复杂的计算得到钻孔的方位角。地球自转的角速度非常小，平时我们看到的钟的时针运动的角速度已经很小了，但时针运动的角速度比地球自转的角速度却还快两倍。可见要测量地球自转的角速度，要求光纤陀螺仪的精度会是多么高。 光纤陀螺仪的技术发展 自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺(fiber-optic gyroscope, FOG)以来，光纤陀螺已经发展了30多年历史。在这些年的发展过程中，许多基础技术如光纤环绕制技术等都取得了很大的突破。光纤陀螺仪的突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，美、俄、日、法等国的光纤陀螺仪研究工作取得很大的进展。各国光纤陀螺仪研究工作大都集中在干涉式，少数公司却仍在研究谐振式光纤陀螺。光纤陀螺的商品化是在上世纪90年代初才开始，中低精度的光纤陀螺（特别是干涉式光纤陀螺）己经商品化，并在多领域内应用。高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。国外，1°/h至0.01°/h的商用产品已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了1°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS。美国光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h，2001年达到0.001°/h。2006年达到0.0001°/h，很多场合都已经取代传统的机械陀螺仪。 美国的光纤陀螺研制公司有利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、斯坦福大学以及光纤传感技术公司等。利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经量产化。1988年研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF论证系统飞行试验装置。1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。采用的其它器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。为了满足惯导级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔式光纤陀螺，研制了9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。在研制干涉仪式光纤陀螺的过程中，采用了三大技术措施：a.把光源、探测器和前置放大器做成一个模块。b.光纤传感环圈结构影响精度很大，采用了无骨架绕制光纤环圈的技术途径。 c.多功能集成光学器件模块，包括了所有其余的光纤陀螺的光纤器件。德雷珀实验室的研究人员认为：目前0.01°/h 的干涉仪式光纤陀螺成本较高，需要研制自动生产线，降低成本，保证质量。对于今后的发展问题，德雷珀实验室的研究人员认为：a.惯性级的干涉仪式光纤陀螺仪，可以取代动力调谐陀螺仪,并逐渐取代激光陀螺仪。b.惯性级干涉仪式光纤陀螺仪的
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
简单介绍各类陀螺仪的使用 最近，被安排调试MPU6050模块，之前从没接触过相关MEMS传感器，所以感觉一头雾水。幸好还有网络，还有强大的兄弟团的支持。不过，很可惜，网上大部分资料只是简单教你如何配置MPU6050并从数据寄存器读出测量值，而之后的数据处理很少涉及。这使得像我一样的菜鸟们十分抓狂。所以在此开辟专栏，希望大家集思广益，共同征服MPU6050。对于那些还不知道MPU6050是啥玩意的童鞋们，百度文科会告诉你。由于对此传感器的介绍铺天盖地，所以此处就一笔带过，不再详细介绍。 毫无疑问，无论是学习MPU6050，还是其他ICs，大家首先想到的是数据手册。没错，MPU6050有两个非常重要的数据手册，一个是PS-MPU- 6000A，另一个是RM-MPU-6000A。其他的都是原厂评估板的相关使用手册，对我们屌丝来说可以不用拜读了。PS-MPU-6000A是产品说明书，主要介绍了内部的结构、技术参数以及封装等内容；RM-MPU-6000A（*）是寄存器映射和描述文档，里面详细介绍了MPU6050内部各个寄存器的实现功能，对我们用户来说相当重要。网上虽然有一些翻译的中文资料，但自己还是硬着头皮仔细研读了一下两个手册。下面就把自己的心得和大家一起分享一下（产品说明书网上已有中文版，这里着重讲一下第二个数据手册）。 RM-MPU-6000A列出了将近100个寄存器，还有一部分寄存器没有列出来，估计是不对用户开放的。这些寄存器大致上可分为如下几类：自检寄存器、陀螺仪加速度配置寄存器、总线配置相关寄存器、中断配置寄存器、数据寄存器、第三方传感器配置寄存器、FIFO相关寄存器、系统配置寄存器。第一次看到这么多寄存器时倒吸一口凉气，相信很多网友会跟我有相同的感觉。其实，仔细分析下来，真正需要你配置的寄存器也就一半左右。由于我手中的MPU6050模块并没有外接第三方传感器，所以需要配置的寄存器就更少了。下面我们就一起来学习一下一些比较重要的寄存器。 系统配置寄存器 1、PWR_MGMT_1 该寄存器用来配置工作模式和时钟源。此外，还可以通过配置该寄存器复位整个器件以及禁止使用温度传感器。偶设置为0x08，处于正常工作模式，禁止使用温度传感器，选用内部8MHZ的时钟源。 2、PWR_MGMT_2 该寄存器用来配置加速度计模式下的唤醒频率和待机模式。 3、USER_CTRL 该寄存器用来使能或禁止FIFO缓冲、IIC主模式、和IIC接口。 4、MOT_DETECT_CTRL 该寄存器用来添加加速度计上电的延迟时间，默认是延时为4ms。 5、SIGNAL_PATH_RESET
繁杂，分类方法也很多。现将常采用的分类方法归纳如下： 1、按输入量即测量对象的不同分： 如输入量分别为：温度、压力、位移、速度、湿度、光线、气体等非电量时，则相应的传感器称为温度传感器、压力传感器、称重传感器等。 这种分类方法明确地说明了传感器的用途，给使用者提供了方便，容易根据测量对象来选择所需要的传感器，缺点是这种分类方法是将原理互不相同的传感器归为一类，很难找出每种传感器在转换机理上有何共性和差异，因此，对掌握传感器的一些基本原理及分析方法是不利的。因为同一种型式的传感器，如压电式传感器，它可以用来测量机械振动中的加速度、速度和振幅等，也可以用来测量冲击和力，但其工作原理是一样的。 这种分类方法把种类最多的物理量分为：基本量和派生量两大类．例如力可视为基本物理量，从力可派生出压力、重量，应力、力矩等派生物理量．当我们需要测量上述物理量时，只要采用力传感器就可以了。所以了解基本物理量和派生物理量的关系，对于系统使用何种传感器是很有帮助的。 2、按工作(检测)原理分类 检测原理指传感器工作时所依据的物理效应、化学效应和生物效应等机理。有电阻式、电容式、电感式、压电式、电磁式、磁阻式、光电式、压阻式、热电式、核辐射式、半导体式传感器等。
如根据变电阻原理，相应的有电位器式、应变片式、压阻式等传感器；如根据电磁感应原理，相应的有电感式、差压变送器、电涡流式、电磁式、磁阻式等传感器；如根据半导体有关理论，则相应的有半导体力敏、热敏、光敏、气敏、磁敏等固态传感器。 这种分类方法的优点是便于传感器专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究，避免了传感器的名目过于繁多，故最常采用。缺点是用户选用传感器时会感到不够方便。 有时也常把用途和原理结合起来命名，如电感式位移传感器，压电式力传感器等，以避免传感器名目过于繁多． 3、按照传感器的结构参数在信号变换过程中是否发生变化可分为： a、物性型传感器：在实现信号的变换过程中，结构参数基本不变，而是利用某些物质材料(敏感元件)本身的物理或化学性质的变化而实现信号变换的。 这种传感器一般没有可动结构部分，易小型化，故也被称作固态传感器，它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。如：热电偶、压电石英晶体、热电阻以及各种半导体传感器如力敏、热敏、湿敏、气敏、光敏元件等。 b、结构型传感器：依靠传感器机械结构的几何形状或尺寸(即结构参数)的变化而将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，实现信号变换，从而检测出被测信号。 如：电容式、电感式、应变片式、电位差计式等。 4、根据敏感元件与被测对象之间的能量关系(或按是否需外加能源)来分：
最全的陀螺仪基础知识详解 陀螺仪，又叫角速度传感器，是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，同时，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的装置也称陀螺仪。 一、陀螺仪的名字由来 陀螺仪名字的来源具有悠久的历史。据考证，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地的转子（rotor），由于它具有惯性，它的旋转轴永远指向一固定方向，因此傅科用希腊字gyro（旋转）和skopein（看）两字合为“gyroscopei”一字来命名该仪器仪表。 最早的陀螺仪的简易制作方式如下：即将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度。 其中，中间金色的转子即为陀螺，它因为惯性作用是不会受到影响的，周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变，通过这样来检测设备当前的状态，而这三个“钢圈”所在的轴，也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”，即X轴、y轴、Z轴，三个轴围成的立体空间联合检测各种动作，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。因此一开始，陀螺仪的最主要的作用在于可以测量角速度。 二、陀螺仪的基本组成 当前，从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动，更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。 陀螺仪的基本部件有：陀螺转子（常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值）；内、外框架（或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构）；附件（是指力矩马达、信号传感器等）。 三、陀螺仪的工作原理 陀螺仪侦测的是角速度。其工作原理基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。 台风的形成就是基于这个原理，地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风，而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。
激光陀螺仪 Image:11814415179160472.jpg 激光陀螺仪 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*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。 陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来