微惯性技术(第二讲)惯性元件.ppt

1,惯性器件元件,2,主要内容,加速度计与微加速度计陀螺仪与微陀螺仪惯性测量组合与微型惯性测量组合,3,微加速度计,加速度计与微加速度计概述定义工作原理分类信号检测设计程序,4,加速度计概述,20世纪40年代初，德国人研制出了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航空、航海和航天领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，其性能和精度也有了很大的完善和提高。,5,加速度计的原理,加速度计是按照惯性原理相对惯性空间工作的。加速度(即速度的变化率)本身很难直接测量，实际上现有的传统加速度计都是借助敏感质量变成力进行间接测量的。加速度计测量原理基于牛顿第二定律：作用于物体上的力等于该物体的质量乘以加速度。换句话说，加速度作用在敏感质量上形成惯性力，测量该惯性力，间接测量载体受到的加速度。在惯性空间加速度计无法区分惯性力和万有引力因此加速度计的输出反映的是单位检测质量所受的惯性空间的合力，即惯性力与万行引力之和。惯性技术领域将单位敏感质量所受的力称为比力，加速度计的输出直接反映比力信息，因此加速度计也称作比力传感器。,6,外部加速度对质量块发生作用，然后通过测量质量块的位移、质量块对框架的作用力，或保持其位置不同所需的力来得出加速度值。,7,1.2 基本工作原理,基本物理原理 F=ma,8,加速度计的种类很多，由发展时间的先后依次是:三、四十年代的摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承摆式加速度计，六十年代中期开始发展起来的液浮摆式加速度计、挠性加速度计、压电加速度计、电磁加速度计等，七十年代以后是静电加速度计、激光加速度计，目前，除了上述各类加速度计不断改进提高之外，其它基于新支承形式、新材料、新工艺的加速度计正在迅速发展。,9,加速度计分类按惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加速度计和摆式加速度计；按支撑方式分类，可分为宝石轴承支承加速度计、液体悬浮支承加速度计、气体悬浮支承加速度计、挠性支撑加速度计、磁悬浮支承加速度计和静电支撑陀螺加速度计等；按有无反馈信号分类，可分为开环加速度计和闭环加速度计；按加矩方式分类，可分为模拟加矩式加速度计和脉冲加距式加速度计；按敏感信号方式分类，可分为电容式加速度计、半导体压阻式加速度计、电感式加速度计、压电式加速度计；按工作原理分类，可分为振弦式加速度计、摆式陀螺加速度计等。,10,（1）液浮摆式加速度计,四十多年前，将液体悬浮技术成功地应用于摆式加速度计与单自由度速率积分陀螺，是现代惯性导航技术发展史上的一个重要里程碑。六十年代，液浮惯性元件已发展到成熟阶段，各种类型的液浮摆式加速度计大量应用于飞行器的导航与制导系统中，目前作为一种典型的加速度计，它仍在不断发展和广泛地应用。,11,（2）挠性加速度计,虽然液浮摆式加速度计已经发展得相当成熟，但是随着发展低成本惯导系统的要求，在六十年代中期出现了非液浮的所谓干式加速度计。由于这种仪表采用挠性支承技术，结构与工艺大大简化，至今在精度及可靠性方面，己完全达到了现代惯导系统中应用的要求。挠性加速度计也是一种摆式加速度计，它与液浮加速度计的主要区别在于它的摆组件不是悬浮在液体中，而是弹性地联接在某种类型的挠性支承上。因而，消除了类似宝石轴承和轴尖间的摩擦，从而使仪表获得优良的动态性能。,12,（3）摆式积分陀螺加速度计(PIGA),PIGA的基本工作原理就是应用由陀螺运动产生的力矩来平衡摆在加速度作用产生的惯性力矩。第一个PIGA是由德国研制的并在第二次世界大战中用在V2火箭上。后来根据这一原理研制出了高精度加速度计Honeywell和Litton两家制造商目前正在生产PIGA，法国和前苏联也生产了一些不同类型的PIGA。PIGA具有很高的精度，但也非常昂贵。,13,1.3 微加速度计的分类,按检测质量的运动形式来分：有角振动式和线振动式加速度计,14,按检测质量支承方式来分：有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式,15,按控制方式来分：有开环式和闭环式。,16,根据梁的个数单梁结构、单端双梁结构、双端双梁结构、多梁结构,17,18,根据敏感轴数量单轴、双轴、三轴,19,按信号检测方式来分压阻效应电容效应隧穿效应压电效应电感效应谐振效应热效应光学效应,20,1.1 压阻式加速度计,特点读出电路非常简单压敏电阻制作难度大温度系数大,21,典型压阻式微加速度计结构图,22,压阻式微加速度传感器温度补偿电路设计,零点温度补偿,23,漂移电压源灵敏度温度补偿,24,1.2 电容式加速度计,特点敏感器件制作简单不受温度影响读出电路复杂易受寄生参数影响非线性,25,电容式传感器需掌握的几个公式,26,1.2.1 平板电容式加速度计,当无加速度输入时，检测质量处于中间位置，上下极板与活动极板的间隙均为。此时，极板间电容量C1和C2相等，即,27,图a,28,4.2.2 扭摆式微机械加速度计,扭摆式硅微机械加速度计最初由美国德雷珀实验室研制。整个加速度计由挠性轴、角振动板块和质量块、四个电极及其电子线路组成。质量块敏感加速度引起板块的角振动，产生电容输出信号。,29,无加速度输入式有加速度输入时，活动极板绕其挠性轴产生偏转角,30,动极板角位移引起敏感极板电容量的变化为,31,4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计,32,33,在没有加速度输入时 加速度a作用时,摆片将移动一个小位移,34,4.2.3 用于微弱差动电容的检测方法,要测量差动电容的变化，可以将电容值转化为电压、电流或者频率等容易测量的物理量，其中最常用的是转换成电压。,35,4.3 隧道式微机械加速度计,由物理学可知，将尺寸很小（109m）的极细探针和被研究物质表面作为两个电极，当它们之间非常接近（1m）时，在外电场作用下，电子会穿过这两个电极从一极流向另一极，这就是隧道效应。,36,实验发现，当这两极间距减少0.1nm，隧道电流将增加10倍，利用这种效应可以测量加速度。电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、隧道探针和控制电路等部分组成。它的工作原理是，当被测加速度使检测质量与隧道探针之间距离发生变化时，两极间将产生巨大的电流变化，检出这一变化信号就可测得加速度。,37,特点极高的灵敏度不受稳定影响低频噪音太大必须闭环工作,38,39,40,信号检测,41,4.4 谐振式加速度计,特点直接数字输出潜在的高精度,42,工作原理,43,加速度传感器的分辨率跟下列因素有关：（1）加速度计的加工工艺。工艺精度越高，加工出两个谐振梁的特性可以更加接近，固有频率近似相等，即可以大大地提高传感器输出信号的分辨率。（2）谐振梁本身的特性有关。相应地增大两个谐振梁刚度，提高谐振梁的固有频率，也可提高传感器的分辨率，但梁刚度则又影响到了加速度作用时梁的变形量，所以必须综合考虑梁的刚度影响。,44,电路设计及计算机仿真,该电路主要包括三个部分：一是谐振驱动电路，二是频率检测电路，第三部分为差频电路,45,驱动电路,利用锁相环电路或反馈回路来控制振荡电路的频率，使得两谐振梁在各自的固有频率下共振，这样两个谐振梁的振幅达到最大值，从而输出频率信号的幅值达到最大值。,46,频率检测电路,频率检测电路是间接地通过测电容的变化来测得输出信号频率的。主要由电荷放大器构成，用以将电容的电荷量转换成电压信号。,47,差频电路,先用乘法器，使得两个频率信号相乘。然后用一个低通滤波器滤除掉高频信号，则可以得到所要的差频信号,48,4.5 热对流式加速度计,特点结构和读出电路简单响应较慢线性工作范围小受温度影响大,49,工作原理,热对流加速度计包含一个密闭的腔体，腔体中充有流体，其中有一个加热元件把腔体中加热元件周围的流体加热，加热后的流体发生膨胀而密度下降，在重力的作用下上升，周围相对冷的流体填补到空位置上，这样反复循环而造成热对流传导。加热元件和两个敏感元件都是悬空的,50,检测电路,51,4.6 压电式加速度计,压电传感器是一种利用压电效应进行机电能量转换的变换器。广泛应用于振动、冲击的测量，是一种拾取力信号，输出电信号的能量转换部件。常和电荷或电压放大器一起组成测量电路,在电子产品检验部门的振动台及其检定中起着重要的作用。,52,特点结构简单无法测直流（常加速度）温度系数较大,53,4.7 微型双轴加速度计,所谓微型双轴加速度计是能够同时测量相互正交两个轴加速度的微型仪表。从结构组成上可分为两类：一类是在同一硅片上实现敏感两个轴的加速度，最简单的做法可将结构完全相同的单自由度加速度计相互正交的做在同一硅片上，配以相应测量电路；另一类是将两只单自由度加速度计封装在一起,54,带折叠梁的叉指电容式微加速度传感器结构示意图,55,4.8 微型三轴加速度计,三轴电容式加速度计,56,三轴硅微压阻式加速度计,57,Sandia National Laboratories 三轴加速度计,58,微机械加速度传感器,59,5 微加速度计的设计程序,性能指标检测原理机械结构电路控制方式试验测试,60,基本指标和测试,量程分辨率灵敏度偏置（零位）稳定性标度因数稳定性交叉耦合重复性温度系数,61,基本设计问题机械,质量热运动噪声刚度静电力正反馈非线性交叉耦合加工误差残余应力热稳定性,62,基本设计问题电路,压阻效应热噪声与电阻值成正比电容效应寄生电容低阻放大器高阻放大器开关电容放大器,63,基本设计问题电路,前置放大器的噪声和漂移是最主要的误差源差动检测可有效的减小甚至消除一些误差数字化集成,64,基本设计问题闭环控制,闭环控制的优点：高精度高线性度增大动态范围展宽频带调节阻尼比,65,基本设计问题闭环控制,66,详细设计、加工过程,微系统的制造技术，除包括标准的微电子工艺外，还有微系统的特殊工艺，例如表面加工工艺、体加工工艺、硅硅键合和硅玻璃键合。,67,68,69,陀螺仪与微陀螺仪,70,陀螺仪简介,陀螺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应用。宏观的陀螺可分成两个主要种类：非机械（光学的）式的或机械式的。,71,非机械陀螺利用光环使光束在相反方向旋转。当陀螺结构旋转时，检测光束的多普勒移位。而宏观的机械式的陀螺通常是用一个旋转的圆盘产生一个惯性的参照体，由于微机械方法加工带有足够质量的旋转部分很难，所以典型的微机械陀螺使用振动结构。,72,陀螺仪是惯性器件之一陀螺在任何环境下都具有自主导航能力的特性自问世以来,被广泛运用于航海、航空、航天、军事等领域,而且一直是各国重点发展的技术之一在科学技术突飞猛进的今天,与陀螺相关的技术,仍然是人们关注的焦点之一,73,一陀螺的发展简史,陀螺的原意为高速旋转的刚体,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。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传感器。,74,陀螺的功能是敏感运动体的角度、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,75,定轴性：陀螺在旋转的过程中不会倒下，要归功于陀螺的第一个特性，叫做定轴性。陀螺在转动时，如果作用在它上面的外力的力矩为零，由角动量定理可知，这时陀螺对于支点的角动量守恒，在运动中角动量的方向始终保持不变.陀螺上的每一个点都在一个跟旋转轴垂直的平面里沿着一个圆周转动。按照惯性定律，每一个点随时都极力想使自己沿着圆周的一条切线离开圆周，可是所有的切线都与圆周本身在同一个平面内。因此，每一个点在运动的时候，都极力使自己始终停留在跟旋转轴垂直的那个平面上。角动量守恒在生活中是随处可见的.花样滑冰运动员把手收拢或者抱胸，她身体的一部分到转轴的距离变小，自转角速度变大，运动员就飞速旋转起来了.,76,进动性 陀螺的第二个特性是进动性.当陀螺高速旋转时，陀螺的中心轴像是绕着一个竖立的杆子在转圈，这种高速自转物体的轴在空间转动的现象叫做进动。这是因为当陀螺受到对于支点的重力的力矩作用时，根据角动量定理，角动量的矢量方向便随着陀螺的转动，描出一个圆锥体。其实，由于太阳和月球施加的潮汐力，我们的地球一直在不断地缓慢地进动着，长期的进动就成为岁差。在我们的日常生活中，也可以常常看到进动，例如自行车在行驶过程中，如果它稍有歪斜，只要把车头向另一方稍微转动一下，车子就平衡了.这是重力对于轮胎支点形成了进动力矩，促使车子恢复了平衡.,77,章动性 陀螺的第三个特点是章动性.陀螺不可能永无止境地旋转下去，当陀螺由于摩擦而开始慢慢下落时，所做的运动就是章动。章动是指刚体做进动时，绕自转轴的角动量的倾角在两个角度之间变化，拉丁语的意思就是点头.陀螺在做进动的同时，它的顶部还在做着“点头”运动.章动在天体中是一个非常常见的运动，地球也存在着章动，地球“点一次头”要花18.6年.我国古代历法将19年称为一章，因此这种运动就被称为章动.,78,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,79,二 各个陀螺仪的基本原理及应用,静电陀螺 激光陀螺 光纤陀螺 振动陀螺,80,1 静电陀螺,定义：静电陀螺仪是利用静电引力使金属球形转子悬浮起来,是自由转子陀螺。特性:在宇宙航行中,对陀螺仪的精度要求很高,漂移误差约为0.001/h,或更高，静电陀螺仪是能满足这种要求的陀螺仪之一。,81,静电陀螺仪结构图,结构：一只金属球形转子,加上两只碗形电极壳体,壳体外为陶瓷,内壁上固定6只金属电极,将球形转子放在对称密封壳体内而形成陀螺组件。,82,原理：给电极充电后,只要沿空间相互垂直三个方向的静电引力的合力,能与转子本身的重力和惯性力相平衡,转子就能浮起来。静电悬浮必须在超真空(1.33 10-5 10-7 Pa)环境下才有可能实现,否则会击穿放电，破坏静电支承力。超真空使气体阻力矩减小到最低限度,这样起动后就能靠惯性长期运转下去,可以运转数月,甚至数年。静电陀螺的支承系统可以给出转子相对壳体的位移信号,这就有可能使陀螺兼起3 个方向加速度计的作用,灵敏度为10-3 g 10-7 g,这种多功能陀螺,只有静电陀螺才能实现。,83,2 激光陀螺,84,传统的陀螺，无论是早期的滚珠轴承陀螺，还是后来发展起来的液浮陀螺、静电陀螺，都离不开高速旋转的机械转子，由于高速转子容易产生质量不平衡、容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间转速才能达到稳定等问题，使用起来很不方便，因此研制没有高速转子的陀螺一直是人们极为关心的问题。,85,Sagnac效应是1913 年在研究转动的环形干涉仪时提出来的。1960年激光技术出现以后,应用萨格奈克原理的激光陀螺仪得到了迅速发展。到20 世纪80 年代，激光陀螺成功用于飞机和地面车辆的导航、舰炮稳定等，开始取代机械陀螺，并进行了用于导弹、运载火箭等更高精度的试验。,86,下图是激光陀螺结构图,87,工作原理在环形光路中,沿顺、逆时针方向传播的两光束,当环形光路相对惯性空间不转动时,顺、逆时针的光程长度相同 当环形光路相对惯性空间有一转动角速度时,顺、逆光程就有差异,其光程差L 正比于转动角速度值。测出L 值即可测出角速度。,88,给电极通电后,气体放电激发出两束方向相反的连续激光,当环形光路相对惯性空间静止时,顺、逆时针方向的两束激光以同样的时间传播一圈,光程和频率相同。,89,而环形光路相对惯性空间旋转时,顺、逆时针方向的两束激光传播一圈的光程和频率不同,当环形光路在惯性空间以顺时针方向旋转时,顺、逆时针的激光行波的频率决定于环形空腔的顺、逆闭合腔长(即光程),90,顺时针方向的光程变长,频率减小,逆时针方向光束的光程变短,频率增加,顺、逆时针把光程差转换为频率差,测出顺、逆时针激光行波的频差,就可以测出陀螺仪的旋转角速度。由于激光陀螺仪是与运载器固连的,因而也就知道运载器的转动角速度。,91,激光陀螺仪较为突出的优点是:具有大动态范围和高速率性能;精度高,激光陀螺仪的漂移率已达到0.001()/h起动时间短,一般只需要千分之几秒(机电陀螺需4min 才进入工作状态)寿命长,可达(25)104 h(机电陀螺使用600h后就需进行检查)可靠性高。,92,激光陀螺仪的缺点:存在闭锁现象,即在低角速度区域里,产生频率牵引,使拍频为零而不能检测旋转角速度价格昂贵,制作工艺复杂且材料昂贵体积较大,受灵敏度限制不能减小。,93,发展（国际上）霍尼韦尔公司研制的激光陀螺水平最高,生产的陀螺主要用于波音757 和767 客机的惯导系统。利顿公司研制的激光陀螺主要用于欧洲的大型远程和近程客机,以及远程、近程导弹。在高性能的惯导领域中,激光陀螺具有较为明显的优势。,94,3 光纤陀螺,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)。,95,光纤陀螺采用的是Sagnac干涉原理：用光纤绕成环形光路并检测出随转动而产生的反向旋转的两路激光束之间的相位差,由此计算出旋转的角速度。,96,与机电陀螺或激光陀螺相比,光纤陀螺具有如下显著特点：无运动部件,仪器牢固稳定,耐冲击和抗加速度运动绕制的光纤增长了激光束的检测光路,使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级,从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题无机械传动部件,不存在磨损问题,因而具有较长的使用寿命,97,相干光束的传播时间极短,因而原理上可瞬间启动易于采用集成光路技术,信号稳定可靠,且可直接用数字输出,并与计算机接口联接具有较宽的动态范围,约为2 000()/s结构简单,价格低,体积小,质量轻。,98,光纤陀螺分类：光纤陀螺就原理与结构而言,可以将其分为干涉式光纤陀螺谐振腔光纤陀螺布里渊光纤陀螺锁定模式光纤陀螺Fabry2Perot光纤陀螺,99,从检测相位的方法看,也可将其分为开环光纤陀螺闭环光纤陀螺,100,从其构成方式,可分为相位差偏置式光纤陀螺光外差式光纤陀螺延时调制式光纤陀螺,101,光纤陀螺的发展：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。,102,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。漂移率低达0.001()/h的新型高性能精密惯导光纤陀螺将步入实用化,广泛装备于导弹、飞机和舰艇的导航系统以及军用卫星与地形跟踪匹配等系统中。,103,据统计,美国从1983年到1994年的10余年间,各类惯性陀螺仪由86%下降到35%激光陀螺仪由14%略增加到16%,并从1988 年开始未见上升趋势而光纤陀螺仪则由0%上升到49%,104,角速率传感器基本工作原理,旋转刚体定轴性进动性振动刚体傅科摆,105,陀螺仪简介,106,音叉式陀螺仪原理介绍,音叉式振动陀螺仪的典型结构如上图所示。其简化示意图如上所示，设音叉两臂的质量都分别集中于其端点，且为m0，设在某一瞬时，两集中质量相向速度分别为v1及v2，且有关系式v1=v2=v，载体绕轴的转动角速度为x，由于哥氏效应，两集中质量的哥氏加速度绝对值为ac=2 x v，方向如图所示，哥氏力Fc=2m x v，哥氏力矩M=4mR x v。我们就通过检测哥氏力或哥氏力矩的大小来得到载体的角速度x。,107,角速率传感器基本工作原理,108,角速率传感器音叉式,109,典型的陀螺仪,可用于军事、民用航空、汽车、导弹等领域的高性能长寿命的微型陀螺仪，其大小比衬衫的纽扣还小，重量不足1克。,110,典型的陀螺仪,日本的CRS-03 陀螺,中间是一个磁铁,111,典型的陀螺仪,AD公司生产的陀螺内部结构,112,典型的陀螺仪,AD 公司 双轴陀螺,113,美国BEI公司生产的QR14,114,陀螺仪的分类,非机械式 激光陀螺和光纤陀螺机械式（主要介绍微机械式）1）振动式微机械陀螺仪 2）转子式微机械陀螺仪 3）微机械加速度计陀螺仪,115,1）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。多采用平面电极或梳状电极静电驱动，并采用平板电容器进行检测。,116,可分为：梳状驱动平板式振动陀螺仪 梳状驱动音叉式振动陀螺仪 电磁驱动音叉式陀螺仪 振环式陀螺仪 压电棒式振动陀螺仪 声表面波振动陀螺仪,117,2）转子式微机械陀螺仪,其转子由多晶硅制成，采用静电悬浮，并通过力矩再平衡回路测出角速度。从功能看，属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传感器。如静电悬浮转子陀螺仪。,118,3）微机械加速度计陀螺仪,这是由参数匹配的两个微机械加速度计作反向高频抖动而构成的多功能惯性传感器，兼有测量加速度和角速度的双重功能。,119,角速率传感器读出技术,读出技术压阻效应压电效应热效应电容效应电感效应光学效应,120,国外研究情况（一）,121,国外研究情况（二）,122,国外研究情况（三）,123,国外研究情况（四）,124,微惯性测量组合,125,微型惯性测量组合的基本概念,对六维惯性参量进行集成检测的微型惯性器件，将多轴加速度检测与多轴角速度检测集成在一起，具有结构坚固、体积小、精度高、重量轻、性能稳定、能耗低、响应快等优点。,126,微型惯性测量组合的组成,微型惯性测量组合主要有两大部分组成:一是微机械陀螺，一是微机械加速度计，再加上必要的电路,微机械陀螺测量的是角速度信号，微机械加速度计测的是线加速度信号。有了角速度和加速度信号，通过一定的算法，就可以解算出物体相对于一固定坐标系的位置和姿态。,127,基于陀螺的姿态测试系统,DSP一体化解算电路框图,128,姿态测量精度：2陀螺测量范围：90/s陀螺漂移:0.05/s加速度计测量范围：5g加速度计分辨率：2mg体积：1707060,实时姿态检测仪,129,130,基于加速度计阵列的姿态测试系统,线加速度计阵列,线加速度,角速度,姿态信息,全加速度计阵列惯性测量系统总体设计框图,131,九加速度计阵列,原理样机,132,靶场实验时间：2005年9月23日 地点：247靶场当地气压：91300 Pa温度：15装药量：四号射角：7.2高速摄影：2000幅/秒天幕靶测得初速：513.35 m/s,133,谢谢!,