陀螺全站儀

天津中船重工 TJ9000陀螺全站儀是我們軍方研製的高精度性能可靠穩定的陀螺全站儀，通過感應地球微弱磁場來精確尋北，目前最高精度已達到20秒，實現全自動精確尋北。我國陀螺儀技術在國際上較為領先，我國軍方早在上個世紀50年代末就開始研發並生產陀螺儀，具有50多年陀螺研發生產歷史，並且早已大量裝備部隊。

1大型隧道貫通測量

2 地鐵工程測量3 礦山工程測量4 導彈發射瞄準系統

5 炮兵陣地聯測

6 建立方位基準及導航設備表校等領域

1 陀螺儀利用積分法測量，優於目前市場上的逆轉點法設備，全自動實現快速高精度尋北。

2基準鏡設置及零位修正程序，實現高精度定向

3 採用直流永磁陀螺電機，陀螺旋轉精度高，轉動無死點，陀螺敏感部溫升小。

4 陀螺敏感部採用下掛式擺式陀螺，便於操作安裝

5 多層磁屏機構，屏蔽外部磁場，提高設備抗干擾能力。

6 在較大偏北角(± 30°)條件下，自動完成粗尋北及精尋北過程，操作簡單

7 陀螺儀與全站儀採用合理、可靠的機械及通信介面處理

8 使用市場上多品牌全站儀，方便接駁不同類型的全站儀產品。

9 廣泛使用與地下工程定向，盾構導向等工程應用

成功應用

目前該陀螺儀已形成系列化成品，並可選配不同品牌的全站儀，經緯儀，以滿足不同用戶的需求。相關產品已在總參測繪局、二炮裝備200多台套。2009年，我們的產品已成功在中石油管道局、長江盾構工程、西安地鐵、山西陝北數家煤礦裝備局等單位的重大項目中。

精度…………………………………………………………………一次定向測量中誤差 ≤20 ″

定向時間…………………………………………………………………一測回定向時間≤12min

環境

濕度…………………………………………………………………… …5%～98%（非冷凝）

工作溫度…………………………………………………………………………－20℃～+50℃

貯存溫度…………………………………………………………………………－40℃～+60℃

重量

陀螺儀主機…………………………………………………………………15kg（不含全站儀）

尺寸（寬×高）

陀螺儀主機………………………………………………………230 mm×450mm（不含全站儀）

可靠性………………………………………………………………MTBF≥400h，MTTR ≤ 30min

壽命………………………………………………………………20年（陀螺電機2000工時更換）

定向方式………………………………………………………擺式下懸掛陀螺定向、積分法測量

自動化程度…………………………………………………………………………自動

一、引言

陀螺儀作為一種慣性測量器件，是慣性導航、慣性制導和慣性測量系統的核心部件，廣泛應用于軍事和民用領域。傳統的陀螺儀體積大、功耗高、易受干擾，穩定性較差，最近美國模擬器件公司推出了一種新型速率陀螺晶元ADXRS，它只有7mm×7mm×3mm大小，採用BGA-32封裝技術，這種封裝至少要比任何其他具有同類性能的陀螺儀小100倍，而且功耗為30mW，重量僅0.5g，能夠很好的克服傳統陀螺儀的缺點。由ADXRS晶元組成的角速度檢測陀螺儀能夠準確的測量角速度，此外還可以利用該陀螺儀對角度進行測量，實驗取得了良好的結果。

二、陀螺儀的原理和構造

ADXRS系列陀螺儀是由美國模擬器件公司製造，採用集成微電子機械系統(iMEMS)專利工藝和BIMOS工藝的角速度感測器，內部同時集成有角速率感測器和信號處理電路。與任何同類功能的陀螺儀相比，ADXRS系列陀螺儀具有尺寸小、功耗低、抗衝擊和振動性好的優點。

1、科里奧利加速度

ADXRS系列陀螺儀利用科里奧利(Coriolis)加速度來測量角速度，科里奧利效應原理如圖1所示。假設某人站在一個旋轉平台的中心附近，他相對地面的速度用圖1箭頭的長度所示。如果移動到平台外緣的某一點，他相對地面的速度會增加，如圖1較長的箭頭所示。由徑向速度引起的切向速度的速率增加，這就是科里奧利加速度。設角速度為w科里奧利加速度的一半，另一般來自徑向速度的改變，二者總和為2wv旋轉平台必須施加一個大小為2Mwv科里奧利加速度，並且該人將受到大小相等的反作用力。的力來產生。如果人的質量為M，該，平台半徑為r，則切向速度為wr，如果以速度v沿徑向r移動，將產生一個切向加速度wv，這僅是

陀螺儀通過使用一種類似於人在一個旋轉平台移出或移入的諧振質量元件，利用科里奧利效應來測量角速度。圖2示出了ADXRS系列陀螺儀完整的微機械結構，陀螺儀通過附著在諧振體上的電容檢測元件測量諧振質量元件及其框架由於科里奧利效應產生的位移。這些電容檢測元件都是由硅材料製成的橫樑，它們與兩組附著在基片上的靜止硅橫樑互相交叉，因而形成兩個標稱值相等的電容器。由角速度引起的位移在該系統內產生一個差分電容。如果彈簧的彈性係數為K2wv M。如果總電容為C2wv，它直接與該角速度成比例。這種關係的逼真度在實際應用中非常好，其線性誤差小於0.1%。 MC/gK，硅橫樑的間距為g，則差分電容為/K，那麼反作用力造成的位移為

2、陀螺儀的構造以及電路的實現

ADXRS系列陀螺儀的外圍尺寸為7mm×7mm×3mm，採用BGA-32封裝技術，有ADXRS150和ADXRS300兩種型號，它們的功能電路完全相同，唯一不同在於前者的量程為±150°/s，後者的量程為±300°/s。圖3顯示了ADXRS300的內部電路結構和外圍電路，其中外圍電路主要是電容和電阻組成。

引腳AVCC接5V電源電壓，22nF的泵浦電容用於產生12V的泵浦電壓以供部分電路使用。測得的角速度以電壓形式在引腳RATEOUT輸出，0°/s時輸出電壓為2.5V，RATEOUT與引腳SUMJ之間並聯一個電阻RoutADXRS300的角速度響應帶寬，－3dB頻率由下式決定：和電容Cout，從而組成低通濾波器用於限制

fout = 1 / (2 π ? Rout ? Cout) (1)

內部電路的Rout180kΩ，可以從外部給RoutΩ//RextADXRS300的量程為±300°/s，可以在RATEOUT和SUMJ引腳之間給Rout300 kΩ的電阻可以使量程增大50%，但是這需要對電路重新調零，調零時在SUMJ引腳處外接一個電阻RnullRATEOUT的零點是2.5V，但角運動範圍不對稱時，按下式計算：到地或電源正極，對稱角運動情況下並聯一個電阻來增大量程，例如並聯一個，從而調整角速率響應帶寬。並聯一個電阻Rext，使得Rout=180k為

Rnull = (2)

式中，Vnull0——未校正時零角速度的輸出電壓，

Vnull1——校正後所需的零點電壓。

如果求得的Rnull5V電源上。為負值，則把電阻Rnull接地；為正值

1．地球自轉及其對陀螺儀的作用

· 地球以角速度ω E （ω E =7.25×10 5

rad/s =1周/

晝夜）繞其自轉軸旋轉，所以地球上的一切東西

都隨著地球轉動。從宇宙空間看地球的北端，地

球是在作逆時針方向旋轉，如圖5(a)，其旋轉角

速度的矢量ω E 沿其自轉軸指向北端。對緯度為φ

的地面點P而言，地球自轉角速度矢量ωE和當地

的水平面成φ角，且位於過P點的子午面內。ωE

可以分解為垂直分量ω2（沿鉛垂方向）和水平分

量ω1（沿子午線方向）。