微機(jī)械陀螺儀的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

江文清　夏志平

【摘 要】陀螺儀主要用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度或者是速度，其應(yīng)用范圍十分廣泛，包括了導(dǎo)航，剎車(chē)調(diào)節(jié)控制等。微機(jī)械陀螺儀又可以進(jìn)一步細(xì)分為加速式，振動(dòng)式與轉(zhuǎn)子式。本文就微機(jī)械陀螺儀的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要闡述。

【關(guān)鍵詞】微機(jī)械陀螺儀；新進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

相比于傳統(tǒng)陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀的特點(diǎn)體現(xiàn)在體積小而成本低，能夠批量生產(chǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大不會(huì)受到限制。陀螺儀與微電子機(jī)械技術(shù)結(jié)合從而產(chǎn)生了新一代的微機(jī)陀螺儀，并且以其自身優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。

1 微機(jī)械陀螺儀

振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀利用多晶或者是單晶硅制成振動(dòng)質(zhì)量，受到基于帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通常應(yīng)用的是平面電極或者是梳狀電極靜電驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)工作主要由平板電容器完成。轉(zhuǎn)子式微機(jī)陀螺儀主要是利用多晶硅制作，應(yīng)用了靜電懸浮，角速度測(cè)量利用的是力短再平衡回路。微機(jī)械加速陀螺儀利用了參數(shù)相匹配的加速器，通過(guò)反向高頻抖動(dòng)從而構(gòu)成多功能慣性傳感器，能夠?qū)撬俣扰c加速度進(jìn)行測(cè)量。

2 微機(jī)械陀螺儀發(fā)展

陀螺儀作為慣性敏感器，同時(shí)也是INS基礎(chǔ)核心器件，前者性能一定程度上取決于后者性能。依據(jù)相研究資料，慣性陀螺儀依據(jù)結(jié)構(gòu)可以將其分為三個(gè)類(lèi)別，機(jī)械陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光學(xué)陀螺儀。機(jī)械陀螺儀主要指利用高速轉(zhuǎn)子軸穩(wěn)定性對(duì)載體角傳感器進(jìn)行測(cè)量。在多種陀螺儀中，技術(shù)較為成熟的轉(zhuǎn)子陀螺儀主要有靜電陀螺儀，動(dòng)力調(diào)諧陀螺，機(jī)械陀螺，液浮陀螺等。精度方面能夠有效滿足工作需要。我國(guó)首先研制的是靜電陀螺，定位是高精度船用，后經(jīng)試驗(yàn)證明精度能夠有效滿足要求。

后期隨著光電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，光纖陀螺與激光陀螺逐漸得到了應(yīng)用，相比于激光陀螺而言，光纖陀螺的成本更低，對(duì)于批量生產(chǎn)更加有利。在光纖陀螺研究工作方面我國(guó)起步較晚，但是取得了不錯(cuò)的成果，在精度方面能夠滿足大部分情況下工作開(kāi)展需要。微機(jī)械陀螺發(fā)展主要利益于微機(jī)械加工技術(shù)與電子技術(shù)發(fā)展，我國(guó)對(duì)微機(jī)械陀螺的研究開(kāi)始于80年代末期，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)能夠滿足軍民兩用。技術(shù)在發(fā)展的同時(shí)，光纖成本由于其成本較低，精度較高，因此能夠在未來(lái)獲得良好發(fā)展。

激光在60年首次出現(xiàn)，之后相關(guān)國(guó)家開(kāi)始研究其應(yīng)用于方位側(cè)向，并將其稱(chēng)之為激光陀螺儀。此種設(shè)備工作原理是利用光程差對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行測(cè)量，閉合光路，由同一光源發(fā)生兩束光，分別沿順、逆時(shí)針?lè)较颍ㄟ^(guò)對(duì)相位差或者是干涉條紋變化進(jìn)行檢查從而得到旋轉(zhuǎn)角速度。美國(guó)企業(yè)首先制作出了激光陀螺儀試驗(yàn)裝置，后期研究與試驗(yàn)工作中，研究人員利用石英作為腔體，從而使技術(shù)應(yīng)用成為了可能。之后美國(guó)空軍與海軍制定了相關(guān)研究計(jì)劃，并且試驗(yàn)成功。光纖陀螺儀首先在美國(guó)制造出試驗(yàn)裝置，光纖傳感與通信技術(shù)培訓(xùn)的應(yīng)用，光纖陀螺儀發(fā)展取得了更大的進(jìn)步，并且在一定程度上能夠取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀。

3 微機(jī)械陀螺儀參數(shù)與應(yīng)用

微機(jī)械陀螺涉及到的參數(shù)內(nèi)容包括了零偏飄移，分辨率，角隨機(jī)游走，標(biāo)度因子，測(cè)量范圍等。參數(shù)同時(shí)也決定了其應(yīng)用的范圍，微機(jī)械陀螺儀依據(jù)其性能指標(biāo)可以分為低精度，中精度，高精度，不同性能指標(biāo)的微機(jī)械陀螺儀應(yīng)用行不同的環(huán)境條件，并且其發(fā)揮的作用是不同的。低精度與中精度的微機(jī)械陀螺儀用于對(duì)相對(duì)較短時(shí)間的角速度測(cè)量，而限制其發(fā)展的主要因素則是角隨機(jī)游走。低精度的微機(jī)械陀螺儀主要應(yīng)用電子，機(jī)器人，汽車(chē)導(dǎo)航等，上述場(chǎng)合對(duì)精度的要求比較低。而中精度的微機(jī)械陀螺儀則應(yīng)用于飛機(jī)，高精度微機(jī)械陀螺儀主要應(yīng)用于航天與空間定位等。微機(jī)械陀螺儀應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛，比如手機(jī)，平板電腦，數(shù)碼相機(jī)，音樂(lè)播放順，游戲控制器，智能玩具等電子領(lǐng)域。車(chē)輛防滑驅(qū)動(dòng)控制，氣囊系統(tǒng)與底盤(pán)控制等也有廣泛應(yīng)用。而在軍事中的應(yīng)用則主要是高精度的微機(jī)械陀螺儀，主要取決于其具體的用途，武器裝備向著精準(zhǔn)打擊方向發(fā)展，因此就需要高精度微機(jī)械陀螺儀為其提供應(yīng)有的保障。而應(yīng)用于軍事方面其自身特點(diǎn)體現(xiàn)在功耗低，小體積，成本低，具體應(yīng)用包括了機(jī)器人，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，無(wú)人機(jī)等。

4 微機(jī)械陀螺儀的不同類(lèi)型

應(yīng)用于實(shí)際工作并且發(fā)展較快的微機(jī)械陀螺儀是硅基微機(jī)械陀螺儀，其應(yīng)用范圍汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到個(gè)人導(dǎo)航等方面。此類(lèi)型微機(jī)械陀螺儀優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在質(zhì)量輕與體積小，而功耗低，能夠較好的滿足手持設(shè)備要求，并且隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其精度大幅度提升，已經(jīng)進(jìn)入了高精度范圍。從結(jié)構(gòu)框架方面來(lái)細(xì)分，此類(lèi)型微機(jī)械陀螺儀又可以將其分為，框架式，耦合式，振動(dòng)式，解耦式，多軸或者單軸陀螺，多自由度或者是雙自由度陀螺等。

就解耦式陀螺儀而言，影響其性能正常發(fā)揮的因素主要是正交誤差信號(hào)的存在，主要影響內(nèi)容是溫度偏移。而解決此問(wèn)題則需要通過(guò)正交解耦技術(shù)，從而消弱誤差信號(hào)對(duì)功能正常發(fā)揮的影響。環(huán)形陀螺儀具有分辨率高，長(zhǎng)期穩(wěn)定，匹配模式優(yōu)良等特性。單純只考慮最大增益等因素，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作都使陀螺工作時(shí)保持在最高諧振頻率，而達(dá)成此目的則需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)諧振與敏感驅(qū)動(dòng)頻率。但是系統(tǒng)對(duì)影響諧振頻率發(fā)生變化的因素十分敏感，高增益情況下，帶寬就會(huì)很窄。除此之外阻尼也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響。

微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀依據(jù)材料可以將其分為壓力陶瓷、固態(tài)聲學(xué)、石英微機(jī)械陀螺。壓力陶瓷微機(jī)械振動(dòng)儀相比于傳統(tǒng)振動(dòng)儀，利用自身材料構(gòu)成振子從而完成，因此其魯棒性能優(yōu)良，能夠更好的抵抗外力沖擊力與震動(dòng)對(duì)性能造成的影響，檢測(cè)范圍也更加的寬泛，能夠在大氣環(huán)境下工作并且不需要真空封裝。

固態(tài)聲學(xué)陀螺指的是陀螺結(jié)構(gòu)中沒(méi)有角速敏感裝置以及彈性支撐結(jié)構(gòu)，具備良好的抗沖擊能力，同時(shí)對(duì)于真空封裝也沒(méi)有特別的要求。石英微機(jī)械陀螺屬于振動(dòng)陀螺的范疇，其工作原理是哥式加速效應(yīng)?；w材料主要是石英，通過(guò)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與狀態(tài)信號(hào)敏感。此類(lèi)型陀螺儀應(yīng)用了一體化加工，優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在體積小，精度高，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性良好等方面，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

5 制約微機(jī)械陀螺儀發(fā)展的因素

制約因素首先需要考慮到漂移誤差，硅微陀螺在性能方面還有待提升，而性能提升的關(guān)鍵就在于使其存在的漂移誤差降低，尤其是隨機(jī)漂移誤差。由于技術(shù)與理論不完善，相比于傳統(tǒng)慣性器件，微機(jī)械陀螺儀的精度大約會(huì)降低一到三個(gè)數(shù)量級(jí)，而漂移又是其主要的誤差源，微機(jī)械陀螺儀漂移通常可以分為正常值漂移，速率隨機(jī)游走，速率斜坡，角度隨游走等，量化噪聲等。從宏觀方面來(lái)區(qū)分，雙可以將其為分為隨機(jī)部分與確定部分，后者再進(jìn)一步細(xì)分又可以將其分為斜坡分量與常值漂移。而此部分是有規(guī)律可循的，如果補(bǔ)償?shù)靡酝晟?，有?guī)律可循部分不會(huì)影響到陀螺儀精度。確定部分消除后剩余的是隨機(jī)部分，被認(rèn)為是噪音，對(duì)于噪音而言，實(shí)時(shí)補(bǔ)償是無(wú)能為力的。漂移數(shù)據(jù)處理通常應(yīng)用的是時(shí)間序列法建模，并利用算法使隨機(jī)噪聲產(chǎn)生的影響減小。因此在實(shí)際工作過(guò)程中，盡可能標(biāo)定其確定部分，而使隨機(jī)部分減少。

精度方面存在的問(wèn)題是陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響到靈敏度，而應(yīng)用于實(shí)際工作中，系統(tǒng)成本與精度則主要有慣性?xún)x表決定。高精度陀螺儀成本高而制造難度大。目前應(yīng)用于工作的陀螺儀如何提升其應(yīng)用精度是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

陀螺儀在某些行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，而其自身也經(jīng)歷了長(zhǎng)期發(fā)展，種類(lèi)多樣而功能豐富，能夠很好的滿足生產(chǎn)生活需要。雖然其自身在某些方面仍然存在局限，但是其未來(lái)發(fā)展前景是十分良好的。

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