微惯性技术(第二讲)惯性元件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、。,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,
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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。
15、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
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