微机械陀螺仪的新进展及发展趋势

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 微机械陀螺仪的新进展及发展趋势 【摘 要】陀螺仪主要用来测量 旋转角度或者是速度，其应用范围十分 广泛，包括了导航，刹车调节控制等。 微机械陀螺仪又可以进一步细分为加速 式，振动式与转子式。本文就微机械陀 螺仪的新进展及发展趋势作简要阐述。 中国论文网 /8/view-12932933.htm 【关键词】微机械陀螺仪；新进 展；发展趋势 相比于传统陀螺仪，微机械陀螺 仪的特点体现在体积小而成本低，能够 批量生产，应用领域扩大不会受到限制。 陀螺仪与微电子机械技术结合从而产生 了新一代的微机陀螺仪，并且以其自身 优点而广泛应用。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 1 微机械陀螺仪 振动式微机械陀螺仪利用多晶或 者是单晶硅制成振动质量，受到基于带 动旋转，通常应用的是平面电极或者是 梳状电极静电驱动，检测工作主要由平 板电容器完成。转子式微机陀螺仪主要 是利用多晶硅制作，应用了静电悬浮， 角速度测量利用的是力短再平衡回路。 微机械加速陀螺仪利用了参数相匹配的 加速器，通过反向高频抖动从而构成多 功能惯性传感器，能够对角速度与加速 度进行测量。 2 微机械陀螺仪发展 陀螺仪作为惯性敏感器，同时也 是 INS 基础核心器件，前者性能一定程 度上取决于后者性能。依据相研究资料， 惯性陀螺仪依据结构可以将其分为三个 类别，机械陀螺仪，微机械陀螺仪，光 学陀螺仪。机械陀螺仪主要指利用高速 转子轴稳定性对载体角传感器进行测量。 在多种陀螺仪中，技术较为成熟的转子 陀螺仪主要有静电陀螺仪，动力调谐陀 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 螺，机械陀螺，液浮陀螺等。精度方面 能够有效满足工作需要。我国首先研制 的是静电陀螺，定位是高精度船用，后 经试验证明精度能够有效满足要求。 后期随着光电技术发展与应用， 光纤陀螺与激光陀螺逐渐得到了应用， 相比于激光陀螺而言，光纤陀螺的成本 更低，对于批量生产更加有利。在光纤 陀螺研究工作方面我国起步较晚，但是 取得了不错的成果，在精度方面能够满 足大部分情况下工作开展需要。微机械 陀螺发展主要利益于微机械加工技术与 电子技术发展，我国对微机械陀螺的研 究开始于 80 年代末期，经过长期研究 发展，产品已经能够满足军民两用。技 术在发展的同时，光纤成本由于其成本 较低，精度较高，因此能够在未来获得 良好发展。 激光在 60 年首次出现，之后相 关国家开始研究其应用于方位侧向，并 将其称之为激光陀螺仪。此种设备工作 原理是利用光程差对旋转角速度进行测 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 量，闭合光路，由同一光源发生两束光， 分别沿顺、逆时针方向，通过对相位差 或者是干涉条纹变化进行检查从而得到 旋转角速度。美国企业首先制作出了激 光陀螺仪试验装置，后期研究与试验工 作中，研究人员利用石英作为腔体，从 而使技术应用成为了可能。之后美国空 军与海军制定了相关研究计划，并且试 验成功。光纤陀螺仪首先在美国制造出 试验装置，光纤传感与通信技术培训的 应用，光纤陀螺仪发展取得了更大的进 步，并且在一定程度上能够取代传统的 机械陀螺仪。 3 微机械陀螺仪参数与应用 微机械陀螺涉及到的参数内容包 括了零偏飘移，分辨率，角随机游走， 标度因子，测量范围等。参数同时也决 定了其应用的范围，微机械陀螺仪依据 其性能指标可以分为低精度，中精度， 高精度，不同性能指标的微机械陀螺仪 应用行不同的环境条件，并且其发挥的 作用是不同的。低精度与中精度的微机 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 械陀螺仪用于对相对较短时间的角速度 测量，而限制其发展的主要因素则是角 随机游走。低精度的微机械陀螺仪主要 应用电子，机器人，汽车导航等，上述 场合对精度的要求比较低。而中精度的 微机械陀螺仪则应用于飞机，高精度微 机械陀螺仪主要应用于航天与空间定位 等。微机械陀螺仪应用的领域十分广泛， 比如手机，平板电脑，数码相机，音乐 播放顺，游戏控制器，智能玩具等电子 领域。车辆防滑驱动控制，气囊系统与 底盘控制等也有广泛应用。而在军事中 的应用则主要是高精度的微机械陀螺仪， 主要取决于其具体的用途，武器装备向 着精准打击方向发展，因此就需要高精 度微机械陀螺仪为其提供应有的保障。 而应用于军事方面其自身特点体现在功 耗低，小体积，成本低，具体应用包括 了机器人，战术导弹，无人机等。 4 微机械陀螺仪的不同类型 应用于实际工作并且发展较快的 微机械陀螺仪是硅基微机械陀螺仪，其 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 应用范围汽车工业领域扩展到个人导航 等方面。此类型微机械陀螺仪优点体现 在质量轻与体积小，而功耗低，能够较 好的满足手持设备要求，并且随着相关 技术的发展，其精度大幅度提升，已经 进入了高精度范围。从结构框架方面来 细分，此类型微机械陀螺仪又可以将其 分为，框架式，耦合式，振动式，解耦 式，多轴或者单轴陀螺，多自由度或者 是双自由度陀螺等。 就解耦式陀螺仪而言，影响其性 能正常发挥的因素主要是正交误差信号 的存在，主要影响内容是温度偏移。而 解决此问题则需要通过正交解耦技术， 从而消弱误差信号对功能正常发挥的影 响。环形陀螺仪具有分辨率高，长期稳 定，匹配模式优良等特性。单纯只考虑 最大增益等因素，传统设计工作都使陀 螺工作时保持在最高谐振频率，而达成 此目的则需要通过驱动谐振与敏感驱动 频率。但是系统对影响谐振频率发生变 化的因素十分敏感，高增益情况下，带 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 宽就会很窄。除此之外阻尼也会对其产 生一定影响。 微机械振动陀螺仪依据材料可以 将其分为压力陶瓷、固态声学、石英微 机械陀螺。压力陶瓷微机械振动仪相比 于传统振动仪，利用自身材料构成振子 从而完成，因此其鲁棒性能优良，能够 更好的抵抗外力冲击力与震动对性能造 成的影响，检测范围也更加的宽泛，能 够在大气环境下工作并且不需要真空封 装。 固态声学陀螺指的是陀螺结构中 没有角速敏感装置以及弹性支撑结构， 具备良好的抗冲击能力，同时对于真空 封装也没有特别的要求。石英微机械陀 螺属于振动陀螺的范畴，其工作原理是 哥式加速效应。基体材料主要是石英， 通过驱动与检测电极实现驱动模态与状 态信号敏感。此类型陀螺仪应用了一体 化加工，优点体现在体积小，精度高， 可靠性高，环境适应性良好等方面，应 用领域十分广泛。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 5 制约微机械陀螺仪发展的因素 制约因素首先需要考虑到漂移误 差，硅微陀螺在性能方面还有待提升， 而性能提升的关键就在于使其存在的漂 移误差降低，尤其是随机漂移误差。由 于技术与理论不完善，相比于传统惯性 器件，微机械陀螺仪的精度大约会降低 一到三个数量级，而漂移又是其主要的 误差源，微机械陀螺仪漂移通常可以分 为正常值漂移，速率随机游走，速率斜 坡，角度随游走等，量化噪声等。从宏 观方面来区分，双可以将其为分为随机 部分与确定部分，后者再M 一步细分 又可以将其分为斜坡分量与常值漂移。 而此部分是有规律可循的，如果补偿得 以完善，有规律可循部分不会影响到陀 螺仪精度。确定部分消除后剩余的是随 机部分，被认为是噪音，对于噪音而言， 实时补偿是无能为力的。漂移数据处理 通常应用的是时间序列法建模，并利用 算法使随机噪声产生的影响减小。因此 在实际工作过程中，尽可能标定其确定 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 部分，而使随机部分减少。 精度方面存在的问题是陀螺仪结 构设计会影响到灵敏度，而应用于实际