微惯性技术第二讲惯性元件.ppt

惯性器件元件 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 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 加速度计概述 加速度计的原理 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。 1.2 基本工作原理 基本物理原理 F=ma 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。 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。 （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。 （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。 （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。 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 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 按控制方式来分： 有开环式和闭环式。 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 根据敏感轴数量 单轴、双轴、三轴 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 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 典型压阻式微加速度计结构图 压阻式微加速度传感器温度补偿电路设计 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 电容式传感器需掌握的几个公式 1.2.1 平板电容式加速度计 图a 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。 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 动极板角位移引起敏感极板电容量的变化为 4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计 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 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。 4.3 隧道式微机械加速度计 由物理学可知，将尺寸很小（10－9m）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（＜1μm）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