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微机械陀螺仪的应用及发展

2013-05-14 11:28:40

一、微机械陀螺仪的分类及用途。

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,陀螺仪和加速度传感器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传感器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、微机械加速度传感器陀螺仪三种:

(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。其分类主要有6种: 梳状驱动平板式振动陀螺仪、梳状驱动音叉式振动陀螺仪、电磁驱动音叉式振动陀螺仪、振环式陀螺仪、压电棒式振动陀螺仪、声表面波振动陀螺仪

(2)转子式微机械陀螺仪

转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成,采用静电悬浮,并通过力短再平衡回路测出角速度。从功能看,转子式微机械陀螺仪属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传感器。 其分为双自由度陀螺仪,单自由度陀螺仪两种。

(3)微机械加速度传感器陀螺仪

微机械加速度传感器陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速度传感器做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。其分类有两种:单芯片集成加速度传感器陀螺仪、单质量块加速度传感器陀螺仪

二、微机械陀螺仪的发展概述。

陀螺仪作为一种重要的惯性敏感器,是构成 INS的基础核心器件,INS 的性能在很大程度上取决于陀螺仪的性能。根据近几年国内文献,目前我国在惯性导航中应用研究中的陀螺仪按结构构成大致可以分为三类:机械陀螺仪,光学陀螺仪微机械陀螺仪。机械陀螺仪指利用高速转子的转轴稳定性来测量载体正确方位的角传感器。自 1910 年首次用于船载指北陀螺罗经以来,人们探索过很多种机械陀螺仪, 液浮陀螺、动力调谐陀螺和静电陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪,精度在 10E-6 度/小时~10E-4 度/小时范围内,达到了精密仪器领域内的高技术水平。

在 1965 年,我国的清华大学首先开始研制静电陀螺,应用背景是“高精度船用 INS”。 1967-1990,清华大学、常州航海仪器厂、上海交通大学等合作研制成功了静电陀螺工程样机,其零偏漂移误差小于0.5°/h,随机漂移误差小于0.001°/h,中国和美国、俄罗斯并列成为世界上掌握静电陀螺技术的国家。 随着光电技术的发展,激光陀螺,光纤陀螺应运而生。与激光陀螺仪相比较,光纤陀螺仪成本较低,比较适合批量生产。我国光纤陀螺的研究起步较晚,但已经 取得了很多可喜的成绩。航天科工集团、航天科技集团、浙大、北方交大、北航等 单位相继开展了光纤陀螺的研究。根据目前掌握的信息看,国内的光纤陀螺研制精 度已经达到了惯导系统的中低精度要求,有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。

从 20 世纪开始,由于电子技术和微机械加工技术的发展,使微机电陀螺成为现实。从 20 世纪 90年代以来,微机电陀螺已经在民用产品上得到了广泛的应用,部分应用在低精度 的惯性导航产品中。

我国微机电陀螺的研究开始于 1989 年,现在已经研制出数百 微米大小的静电电机和3mm的压电电机。清华大学的导航与控制教研组的陀螺技术十分成熟,并已经掌握微机械与光波导陀螺技术,现已经做出了微型陀螺仪样机, 并取得了一些数据。东南大学精密仪器与机械系科学研究中心也不断进行关键部件、 微机械陀螺仪和新型惯性装置与GPS 组合导航系统的开发研究,满足了军民两用市场的需要。

总之,随着科学技术的发展,相比于静电陀螺的高成本,成本较低的光纤陀螺和微机械陀螺的精度越来越高,是未来陀螺技术的发展总趋势。

三、关于微机械陀螺仪发展的思考。

在现今的世界格局中,战争以信息化战争的的对抗为主,重点是发展精确制导武器, 实现中远程精确打击和非接触作战;大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力。

惯性技术是加强武器系统和提高作战能力的关键技术。许多国家都将发展军事力量作为首要的目标,而衡量军事力量提高的一个因素就是先进武器系统的研究和制造,而这些研究工作中首先考虑的就是陀螺仪的使用和研发,航天惯性技术在实施精确打击中的特殊地位,导弹武器精确制导对惯性技术的要求, 在战术武器应用方面前景看好。战略武器方面,惯性系统与其它方式的组合制导,也是一个重要的发展空间。故而微机械陀螺仪的研究更是重中之重。

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