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導(dǎo)航定位控制與應(yīng)用課程大作業(yè)論文標(biāo)題:微陀螺儀技術(shù)研究綜述撰寫人:XXXXX聯(lián)系方式:XXXX院系:儀器科學(xué)與工程學(xué)院摘要陀螺儀也稱角速率傳感器,是用來測量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。根據(jù)原理的不同,人們將陀螺分為機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、光學(xué)陀螺和微機(jī)械陀螺。微陀螺儀的根本原理是利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞,將諧振器的一種振動模式鼓勵到另一種振動模式,后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比,通過測量振幅實(shí)現(xiàn)對角速度的測量。微陀螺與傳統(tǒng)的陀螺相比,它具有體積小、功耗低、本錢低、靈敏度高、抗過載能力強(qiáng)、動態(tài)范圍大和集成化等優(yōu)點(diǎn),可嵌入電子、信息與智能控制系統(tǒng)中,使得系統(tǒng)體積和本錢大幅下降,而且總體性能大幅提升,符合產(chǎn)品信息化開展方向,因此在民用消費(fèi)領(lǐng)域和現(xiàn)代國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對微陀螺儀的技術(shù)研究進(jìn)行綜述,從其研究背景、原理、分類、制作工藝、測試手段以及應(yīng)用案例進(jìn)行了分析和概括,簡要介紹了微陀螺儀的特點(diǎn)、性能指標(biāo)和開展前景,詳細(xì)描述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及對幾種應(yīng)用廣泛的微陀螺儀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。包括微振動陀螺、流體陀螺、固體微陀螺、微集成光學(xué)式陀螺、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺和原子陀螺。關(guān)鍵字:微陀螺;研究現(xiàn)狀;性能指標(biāo);原理;分類;制造流程;應(yīng)用目錄第一章微陀螺儀研究背景…………………………3一、根本概念與組成…………………..3二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………..3三、微陀螺儀的特點(diǎn)…………….…….5四、根本性能指標(biāo)………………….……5五、開展前景……………….6第二章微陀螺儀原理與分類方式……………8一、根本原理……………….8二、分類方式………………………….……9第三章各類微陀螺儀簡介………………………….11一、微振動陀螺……………………..…….11二、流體陀螺………………………….…….13三、固體微陀螺……………………………14四、微集成光學(xué)式陀螺…………….….15五、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺………………………….…….16六、原子陀螺………………..17第四章微陀螺儀設(shè)計(jì)與制造……………………..18一、設(shè)計(jì)流程與工具………………..…..18二、工藝方法…………………18三、制造技術(shù)難點(diǎn)…………………….…..19第五章微陀螺儀測試及應(yīng)用………………………20一、測試內(nèi)容及手段……………………..20二、數(shù)據(jù)分析及方法……………………..20三、應(yīng)用案例………………………….………21參考文獻(xiàn)……………………………...24微陀螺儀研究背景一、根本概念與組成:微機(jī)械技術(shù)通過集成電路的平面工藝和其他一些特殊工藝,如各向異性腐蝕技術(shù)、犧牲層技術(shù)、鍵合技術(shù)等,在硅片、玻璃等材料上制作尺度在微米級到毫米級的微裂機(jī)電集成的傳感器、執(zhí)行器或微系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代后期開始,隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的進(jìn)步,出現(xiàn)了將微機(jī)械與微電子集成的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)不僅集成了電路,還集成了機(jī)械部件,在微米量級內(nèi)設(shè)計(jì)和制造微傳感器、微執(zhí)行器,促使了微型器件的研發(fā),其中微陀螺儀就是一種受到世界各國廣泛關(guān)注的微型慣性傳感器。陀螺儀也稱角速率傳感器,是用來測量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。陀螺是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)中的核心器件,廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和國防軍事領(lǐng)域。根據(jù)原理的不同,人們將陀螺分為機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、光學(xué)陀螺和微機(jī)械陀螺。微機(jī)械陀螺與傳統(tǒng)的陀螺相比,它具有體積小、功耗低、本錢低、靈敏度高、抗過載能力強(qiáng)、動態(tài)范圍大和集成化等優(yōu)點(diǎn),可嵌入電子、信息與智能控制系統(tǒng)中,使得系統(tǒng)體積和本錢大幅下降,而且總體性能大幅提升,符合產(chǎn)品信息化開展方向,因此在民用消費(fèi)領(lǐng)域和現(xiàn)代國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀:國外從事微陀螺儀的研制和生產(chǎn)起步較早,工藝根底雄厚,已有商業(yè)化產(chǎn)品,抗沖擊能力強(qiáng),性能穩(wěn)定,精度高,不斷有創(chuàng)新成果。20世紀(jì)80年代以來,Draper(德雷珀)實(shí)驗(yàn)室〔美〕、JPL公司〔美〕、LITTON〔利頓〕公司〔美〕、LITEF公司〔德〕、SAGEM公司〔法〕、AD公司〔美〕、Vector公司(俄)等相繼開展微硅陀螺、微硅加速度計(jì)等微型慣性儀表的研究,有的已形成產(chǎn)品,進(jìn)而進(jìn)行微型慣性測量組合的研究。美國國防部將MEMS技術(shù)列為國防部的關(guān)鍵技術(shù),美國國防高級研究方案局〔DARPA〕資助開發(fā)軍用MEMS的經(jīng)費(fèi)每年達(dá)5000萬美元以上。德雷珀實(shí)驗(yàn)室從1989年開始研制微機(jī)械振動陀螺儀,已封裝實(shí)驗(yàn)了200個不同型號的微機(jī)械振動陀螺儀,經(jīng)受了加速度為8000g的沖擊和離心試驗(yàn)。在1991年研制出一種微型慣性測量組合,其體積為2cm×2cm×0.5cm,質(zhì)量為5g。它僅比普通慣導(dǎo)體積的萬分之一多一點(diǎn),其中陀螺儀的漂移為10(°)/h。這一系統(tǒng)包括三個陀螺儀和三個加速度計(jì),以及相應(yīng)的執(zhí)行元件,在一塊25.8cm2的硅片上便可制造出4000個這樣的微型慣性測量裝置。BEI電子公司SystronDonner慣性分公司已采用MEMS技術(shù),批量生產(chǎn)出單軸、三軸固態(tài)石英壓電陀螺,其生產(chǎn)速度超過每月800只,目前在國內(nèi)市場上已可買到,可用于高檔汽車、導(dǎo)航、飛機(jī)、航天等領(lǐng)域。日本在1989年成立了微機(jī)械研究會,1992年日本正式啟動一項(xiàng)為期10年、耗資1.9億美元的“微機(jī)械研究方案〞,著重開展6個方面的技術(shù):延伸微納米技術(shù)、微裝置技術(shù)、器件高度集成技術(shù)、場能利用技術(shù)、多分布與協(xié)同管理技術(shù)和智能材料利用技術(shù)。據(jù)報導(dǎo),日本住友精密工業(yè)公司和英國航天公司已合作研制成功一種硅微機(jī)械壓電陀螺儀——CRS系列振動陀螺儀。ADI公司的ADXRSnnn〔nnn表示滿量程的每秒度數(shù)〕系列微機(jī)械陀螺采用外表工藝制造,ADXRS150和ADXRS300陀螺結(jié)構(gòu)為4μm厚多晶硅,靈敏度為12.5mV/〔o/s〕,工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)抗沖擊分別為2500g和33000g,外形為7mm方形,高度為3mm,功耗也只有25mW,具有完全電路集成、低功耗、抗振動和沖擊等優(yōu)點(diǎn),代表了陀螺技術(shù)的飛躍[1]。德國Bosch公司最先將磁驅(qū)動引入微機(jī)械陀螺,利用電容檢測,其靈敏度為18mV/〔o/s〕,量程為100o/s,工作溫度范圍-40~85oC;芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)研究了一種工藝簡單的微機(jī)械電容檢測框架式振動陀螺,實(shí)現(xiàn)了噪聲0.042o/s√Hz,信噪比51.6dB[2];最新研究方面,美國加州大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制了一種新穎的嵌套式質(zhì)量塊框架結(jié)構(gòu)陀螺,它采用靜電驅(qū)動和電容檢測,靈敏度為0.690mV/〔°/s〕[3],局部研究成果如下圖。圖1.2.1國外微機(jī)械陀螺研究成果我國微機(jī)械的研究始于1989年,現(xiàn)已研制出數(shù)百微米大小的靜電電機(jī)和直徑為3mm的壓電電機(jī)。清華大學(xué)導(dǎo)航與控制教研組的陀螺技術(shù)十分成熟,已開展了高精度靜電陀螺的成熟技術(shù),姿態(tài)漂移僅為每小時萬分之五,并已掌握微機(jī)械與光波導(dǎo)陀螺技術(shù)。東南大學(xué)精密儀器及機(jī)械系科學(xué)研究中心也不斷進(jìn)行關(guān)鍵部件、微機(jī)械陀螺儀和新型慣性裝置與GPS組合系統(tǒng)的開發(fā)研究,滿足廣闊的軍民兩用市場的需要。從1995年末開始,國防科工委便投入6000萬元以上的經(jīng)費(fèi)主要用于慣性器件的根底性研究,并且硅微機(jī)械陀螺技術(shù)已納入863方案中。由上可知,我國的MEMS技術(shù)研究工作雖然起步較晚,但正積極開展研究,國家已經(jīng)投入巨資用于MEMS陀螺技術(shù)的研究。目前主要的科研單位有清華、北大、中科院上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、哈工大、東南大學(xué)等多家單位,經(jīng)過十多年的努力,在根底理論、加工技術(shù)和工程應(yīng)用等方面的研究已取得了明顯的進(jìn)步。但不可否認(rèn),與國外差距仍然較大,高性能微機(jī)械陀螺少有商業(yè)化產(chǎn)品。中電13所、中電26所等研究單位已有可用產(chǎn)品,中電13所用硅制作,電容檢測方式,中電26所用石英制作,壓電檢測方式,漂移為10°/h左右。在研究方面,復(fù)旦大學(xué)采用壓阻效應(yīng)的陀螺電橋輸出值為0.22μV/°/s;下面均采用電容效應(yīng),清華大學(xué)研制的陀螺靈敏度為1.9mV/°/s[4];中科院上海微系統(tǒng)所的陀螺靈敏度和非線性度分別為9.8mV/°/s和0.43%,北大研制的陀螺靈敏度到達(dá)22mv/°/s,非線性度為2.19%,哈工大的陀螺靈敏度為8.031mV/°/s[5],局部研究成果如下圖。圖1.2.2國內(nèi)微機(jī)械陀局部研究成果三、微陀螺儀的特點(diǎn):MEMS陀螺儀是利用coriolis定理,將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號,其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。它主要特點(diǎn)是:①體積小、重量輕、功耗低;②本錢低,加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn);③可靠性好,工作壽命超過10萬小時,能承受數(shù)千甚至上萬g的沖擊;④測量范圍大,一些MEMS陀螺儀測量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s。但是,目前各種微機(jī)械陀螺的角速度測量精度相對較低,漂移較大、穩(wěn)定性較差。不同種類陀螺漂移率比擬如下圖[6]。圖1.3.1不同種類陀螺漂移性能比擬四、根本性能指標(biāo):分析和評價陀螺的性能需要制定一系列的衡量準(zhǔn)那么,這些準(zhǔn)那么為我們應(yīng)用陀螺提供了參考依據(jù)??傮w而言,微陀螺有以下幾個主要的性能指標(biāo):圖1.4.1微機(jī)械陀螺性能指標(biāo)隨機(jī)漂移――由隨機(jī)的或不確定的有害力矩引起的漂移率。測量范圍――陀螺儀的量程。閾值――陀螺儀能敏感的最小輸入角速率。分辨率――陀螺儀在規(guī)定的輸入角速率下,能敏感的最小輸入角速率增量,至少應(yīng)等于按標(biāo)度因數(shù)所期望輸出增量的50%。標(biāo)度因數(shù)――陀螺儀輸出量和輸入角速率的比值。標(biāo)度因數(shù)非線性度――在輸入角速率范圍內(nèi),陀螺儀輸出量相對于最小二乘法擬合直線的最大的偏差和最大輸出量之比。在上述的性能指標(biāo)中,刻度因子、分辨率、零偏及零偏穩(wěn)定性和輸出噪聲〔通常用隨機(jī)游走表示〕是確定陀螺性能的重要參數(shù)。五、開展前景:陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航,但隨著科學(xué)技術(shù)的開展,它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來,陀螺已有近100年的開展史,開展過程大致分為4個階段:第一階段是滾珠軸承支承陀螺馬達(dá)和框架的陀螺;第二階段是20世紀(jì)40年代末到50年代初開展起來的液浮和氣浮陀螺;第三階段是20世紀(jì)60年代以后開展起來的干式動力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺;目前陀螺的開展已進(jìn)入第四個階段,即靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和振動陀螺[7]。微陀螺是二十世紀(jì)八十年代初開展起來的軍民兩用高新技術(shù),與傳統(tǒng)的陀螺相比,它具有體積小、功耗低、本錢低、抗過載能力強(qiáng)、動態(tài)范圍大、可集成化等優(yōu)點(diǎn),可嵌入電子、信息與智能控制系統(tǒng)中,使得系統(tǒng)體積和本錢大幅下降,而且總體性能大幅提升,因此在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在陀螺儀的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,國防軍事應(yīng)用中,高精度微機(jī)械陀螺將可用于導(dǎo)彈、航空航天、超音速飛行器等高精度需求的軍用產(chǎn)品中[8]。微陀螺目前精度在10-2°/h左右,還將進(jìn)一步提高到10-3°/h。隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的開展,本錢和價格也會大幅下降,預(yù)計(jì)微機(jī)械陀螺的價格將會在一美元到幾百美元之間。其低廉的價格將使其在民用消費(fèi)領(lǐng)域也將具有廣闊的應(yīng)用前景,有望在一些新的領(lǐng)域中,如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、照相機(jī)甚至是機(jī)器人玩具等中低端上應(yīng)用需求的產(chǎn)品中得到應(yīng)用?,F(xiàn)代工業(yè)控制、航空航天、軍用技術(shù)不可能離開慣性傳感器;汽車,消費(fèi)品和娛樂市場也開始依賴這些設(shè)備。許多市場調(diào)查包括SRI,NEXUS,SystemPlanning公司,SEMI等一致認(rèn)為微機(jī)械慣性傳感器市場將每年以15%~25%的年增長率增長,到2003年將超過10億美元的產(chǎn)業(yè)。微機(jī)械使用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)來鑄造機(jī)械結(jié)構(gòu),使得本錢、尺寸、功耗、環(huán)境生存能力、工作壽命與傳統(tǒng)技術(shù)相比有量級上的提高。如同半導(dǎo)體取代真空管,微機(jī)械傳感器正逐步替代傳統(tǒng)慣性傳感器。目前,低性能傳感器市場已經(jīng)由硅微機(jī)械占據(jù)。微機(jī)械陀螺的性能在很短的幾十年內(nèi)得到了迅速的提高,目前正由速率級向戰(zhàn)術(shù)級精度邁進(jìn)。從1991年起,根據(jù)隨機(jī)游走系數(shù)定義的陀螺性能指標(biāo),體工藝微機(jī)械和外表工藝微機(jī)械陀螺的性能在每2年便以10倍的速度得到提高。生產(chǎn)本錢、性能和可靠性是微機(jī)械陀螺商業(yè)化的關(guān)鍵因素。將產(chǎn)品本錢降低到大規(guī)模汽車市場可接受的水平,需要精密微機(jī)械、高度真空封裝、高性能接口電路和電子調(diào)諧技術(shù)。另外,在一個芯片上組合多軸微機(jī)械傳感器是微機(jī)械慣性傳感器的重要開展方向。根據(jù)以上所述,高精度、低本錢、微型化、低功耗、多軸向高穩(wěn)定性依然是微機(jī)械陀螺的技術(shù)追求,隨著多傳感器系統(tǒng)集成技術(shù)的開展,兼有陀螺儀功能的智能集成傳感器系統(tǒng)將是MEMS陀螺的重要開展方向[9]。微陀螺儀原理與分類方式一、根本原理:微陀螺儀的根本原理是利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞,將諧振器的一種振動模式鼓勵到另一種振動模式,后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比,通過測量振幅實(shí)現(xiàn)對角速度的測量。只有當(dāng)線速度與轉(zhuǎn)速同時柯氏加速度存在時才會出現(xiàn),因此為測量柯氏加速度需使加速度傳感器跟隨物體旋轉(zhuǎn)的同時運(yùn)動起來。實(shí)現(xiàn)的最簡單方法就是諧振,即施加鼓勵使加速度傳感器做往復(fù)運(yùn)動。由于柯氏力正比于驅(qū)動諧振的運(yùn)動頻率,因此希望諧振頻率和振幅越大越好??率闲?yīng)即coriolis效應(yīng),最早用來表述由于地球自轉(zhuǎn)引起的物體運(yùn)動方向發(fā)生偏折的自然現(xiàn)象,如:大氣渦旋方向,河流兩岸沖刷程度不同等。在微機(jī)械陀螺根本原理中本質(zhì)相同,但旋轉(zhuǎn)體不再是地球而是陀螺儀本身??率霞铀俣仁莿訁⑾档霓D(zhuǎn)動與動點(diǎn)相對動參系運(yùn)動相互耦合引起的加速度??率霞铀俣鹊姆较虼怪庇诮撬俣仁噶亢拖鄬λ俣仁噶克诘钠矫?。判斷方法按照右手旋進(jìn)規(guī)那么進(jìn)行判斷,如下圖:圖2.1.1柯氏加速度方向判定假設(shè)質(zhì)點(diǎn)以非常快的速度沿轉(zhuǎn)盤徑向做簡諧振動,那么可以利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)那么判斷出,質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)盤上不停地沿垂直于簡諧振動方向和轉(zhuǎn)盤角速度兩方向垂直的第三方向振動,利用這一原理就可制作出微機(jī)械陀螺。一種電磁驅(qū)動式,如圖右圖所示。將陀螺結(jié)構(gòu)放入勻強(qiáng)磁場,當(dāng)驅(qū)動導(dǎo)線通以正弦電流信號時,質(zhì)量塊將沿X軸方向簡諧振動,而此時假設(shè)有沿Y軸方向的角速度輸入時,根據(jù)柯氏效應(yīng),陀螺質(zhì)量塊將在Z軸方向是產(chǎn)生振動,這樣就可以通過檢測懸臂梁基部的RTD阻值和角速度和其阻值之間的關(guān)系解算出相應(yīng)的角速度值,實(shí)現(xiàn)角速度的測量。圖傅科擺與微機(jī)械陀螺關(guān)系二、分類方式:微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個方面進(jìn)行劃分:振動結(jié)構(gòu),材料,加工方式,驅(qū)動方式,檢測方式和工作模式。〔1〕按振動結(jié)構(gòu)可將微機(jī)械陀螺劃分成線振動結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu);在線振動結(jié)構(gòu)里又可劃分成正交線振動結(jié)構(gòu)和非正交線振動結(jié)構(gòu)。正交線振動結(jié)構(gòu)指振動模態(tài)和檢測模態(tài)相互垂直,在正交線振動結(jié)構(gòu)里有振動梁結(jié)構(gòu),振動音叉結(jié)構(gòu),振動平板結(jié)構(gòu),加速度計(jì)振動陀螺等;而非正交線振動結(jié)構(gòu)主要指振動模態(tài)和檢測模態(tài)共面且相差45°的振動結(jié)構(gòu),如薄壁半球共振陀螺,以及在其根底上開展形成的共振環(huán)結(jié)構(gòu)陀螺和共振圓柱結(jié)構(gòu)陀螺。在旋轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu)中有振動盤結(jié)構(gòu)陀螺和旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺等,這種類型陀螺多屬于外表微機(jī)械雙軸速率陀螺。〔2〕按材料可將微機(jī)械陀螺劃分為硅材料陀螺和非硅材料陀螺;在硅材料陀螺中又可分成單晶硅陀螺和多晶硅陀螺;在非硅材料陀螺中又包括石英材料陀螺和其它材料陀螺?!?〕按驅(qū)動方式可將微機(jī)械陀螺劃分成靜電式驅(qū)動、電磁式驅(qū)動和壓電式驅(qū)動等?!?〕按檢測方式可將微機(jī)械陀螺劃分成電容性檢測、壓阻性檢測、壓電性檢測、光學(xué)檢測和隧道效應(yīng)檢測等。〔5〕按工作模式可將微機(jī)械陀螺劃分成速率陀螺和速率積分陀螺。速率陀螺包括開環(huán)模式和閉環(huán)模式〔力再平衡反響控制〕;速率積分陀螺那么指整角模式。一般非正交線振動結(jié)構(gòu)中的陀螺多可在整角模式下工作,而其它類型的大局部陀螺均屬于速率陀螺?!?〕按加工方式可以將微機(jī)械陀螺劃分成體微機(jī)械加工、外表微機(jī)械加工、LIGA等,上述對微機(jī)械陀螺的分類歸納起來如下圖。圖2.2.1微機(jī)械陀螺分類各類微陀螺儀簡介一、微振動陀螺:振動陀螺主要利用哥氏力的作用原理,把輸入角速度量轉(zhuǎn)換為一種位移,然后通過電容或壓電等方式將其檢測出來。此類微陀螺根據(jù)結(jié)構(gòu)或者輸入原理不同,可以分為框架式、音叉式和振動環(huán)式等??蚣苁秸駝游⑼勇菔亲钤绲姆寝D(zhuǎn)子式微機(jī)械陀螺,由美國Draper實(shí)驗(yàn)室最先提出。如圖3.1(a)所示。它采用內(nèi)、外環(huán)框架結(jié)構(gòu),理想條件下,外框架的驅(qū)動頻率等于內(nèi)框架的諧振頻率。在真空環(huán)境下,該陀螺的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)2000,預(yù)期漂移不定性優(yōu)于10/h,適用于短時間導(dǎo)航。1993年5月Draper實(shí)驗(yàn)室又成功研制出第一臺音叉式線振動陀螺儀〔TFG〕。如圖3.1(b)所示,它采用單晶硅梳狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜電力驅(qū)動音叉,該陀螺已經(jīng)可以到達(dá)戰(zhàn)術(shù)級的要求。美國Northrop公司也于1994年研制了一種結(jié)構(gòu)類似的音叉式微陀螺。該微陀螺已被Honeywell公司用于生產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)。2005年,JHYoo等人[10]報道了一種基于鐵鎵合金(Galfenol)磁致伸縮材料的振動音叉式陀螺儀,如下圖,整個尺寸為12mmX3mmX22mm,音叉敏感叉指的響應(yīng)速度為36mm/s。圖3.1Draper提出的振動式微陀螺儀圖3.1.2Galfenol音叉陀螺儀原理機(jī)及整機(jī)由于在實(shí)際過程中出現(xiàn)了不必要的交叉耦合信號,之后一些研究集中在提高抵抗交叉耦合的魯棒性上。美國的密西根大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于振動環(huán)結(jié)構(gòu)的微陀螺,如圖(a)所示,其擁有同樣共振頻率下的兩種典型振動模態(tài),防止了不必要的多軸耦合,偏移穩(wěn)定性能到達(dá)10/s。德國的微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(HSGIMIT)基于解耦原理研究成功解耦角速度檢測器,如圖3.1.3(b)所示,這種微陀螺的偏移穩(wěn)定性到達(dá)65/h。2005年,加州大學(xué)歐文分校設(shè)計(jì)了一個新穎的結(jié)構(gòu),給質(zhì)量塊提供了兩自由度的振動電容,并且把驅(qū)動和檢測電極的自由度都限制在一個自由度,提高了系統(tǒng)的解耦程度,如圖3.1.3(c)所示。該設(shè)計(jì)提高了陀螺的魯棒性,卻犧牲了系統(tǒng)的靈敏度。2006年,土耳其的中東技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種具有相同驅(qū)動和檢測機(jī)構(gòu)的對稱設(shè)計(jì)懸臂梁,如圖3.1.3(d)所示。這種陀螺的偏移穩(wěn)定性能到達(dá)7/s。Invensense公司生產(chǎn)的IDG-600是一個雙軸的微振動陀螺儀,采用了新型的納西里(Nasiri)封裝技術(shù),現(xiàn)在已經(jīng)批量生產(chǎn),用于運(yùn)動姿勢傳感。但是由于科氏力很弱,機(jī)械布朗噪聲和電白噪聲限制了器件的精度,傳統(tǒng)的振動式陀螺在性能上尚未取得根本的突破:其零漂多數(shù)在每小時幾百到幾十度,極少數(shù)為戰(zhàn)術(shù)級,雖有接近于1/h的報道,但實(shí)現(xiàn)高精度到達(dá)慣性級相當(dāng)困難。圖基于解耦原理的各種微振動式陀螺二、流體陀螺:與傳統(tǒng)陀螺儀相比,流體類陀螺儀由于沒有懸掛質(zhì)量塊,結(jié)構(gòu)大大簡化,制作難度降低,更重要的是省去了復(fù)雜的活動部件,其抗沖擊、抗振動能力大大提高,特別適合高沖擊、高振動環(huán)境下使用。射流氣體陀螺是利用強(qiáng)迫對流氣體的氣流束和敏感元件的熱阻效應(yīng)來測量角速率的。它結(jié)構(gòu)簡單,無活動檢測質(zhì)量,抗過載能力強(qiáng),本錢低,壽命長。日本立命館大學(xué)研制了一種能測量雙輸入軸角速度的氣體微陀螺[11]。分辨率可達(dá)005/s,如圖(a)所示。射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、工業(yè)自動化和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域,是測量和控制角速度、角加速度和角度等角參數(shù)的關(guān)鍵部件,也是末制導(dǎo)炮彈和機(jī)器人姿態(tài)控制不可缺少的慣性器件。圖流體陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖ECF(electroconjugatefluid)流體是一種新型的流體材料,當(dāng)在流體兩端的電極上加上幾千伏的電壓時,ECF流體可以產(chǎn)生很強(qiáng)的流動。2023年,東京工業(yè)大學(xué)利用ECF流體的這種特性制作可基于ECF的流體陀螺,如圖3.2.1(b)所示,其精度較傳統(tǒng)的流體陀螺提高了兩倍。但是ECF流體陀螺所用的高電壓卻可能限制它的應(yīng)用場合,設(shè)法尋找新的ECF材料或采取其他途徑來降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴(kuò)大應(yīng)用場合的關(guān)鍵。超流體陀螺利用超流體的玻色愛因斯坦凝聚和量子化渦流特性進(jìn)行工作?;诘妥杼匦缘某黧w陀螺工作時,超流體黏滯系數(shù)很低,流體間以及流體對周圍運(yùn)動的阻尼很小,當(dāng)承載容器與其發(fā)生切向運(yùn)動時,超流體不會像通常的流體一樣由于液體的黏性力發(fā)生隨動,而是保持原來的狀態(tài)。這樣超流體與承載容器間就出現(xiàn)了相對流動,檢測這個運(yùn)動速度或它的某種放大量就可以獲得轉(zhuǎn)動速度的信息。利用量子化渦流,根據(jù)超流體的進(jìn)動也可以敏感外界角速度。利用超流體效應(yīng)檢測角速度,在原理上具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陀螺的性能潛力,美國科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)說明,超流體慣性測量裝置測量地球自轉(zhuǎn)時,精確度到達(dá)99.5%。超流體陀螺適用于各類需要高精度陀螺的場合。不過由于該方向的研究剛剛展開,不成熟的環(huán)節(jié)較多,如何將其與MEMS等微小型化技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)高精度、低本錢和小尺寸等優(yōu)良性能,還有待進(jìn)一步研究。三、固體微陀螺:聲外表波陀螺(SAW)的研究從20世紀(jì)70年代開始,結(jié)構(gòu)幾經(jīng)變革,并于90年代出現(xiàn)了一種叉指換能器(IDT)的聲外表波微陀螺。對IDT聲外表波微陀螺的研究還處于起步階段,面臨的主要問題是IDT聲外表波傳感器的輸出電壓太低,而機(jī)電耦合系數(shù)大的壓電單晶材料的溫度穩(wěn)定性都較差,但添加恒溫裝置又將極大地限制這種器件的應(yīng)用,因而這種陀螺器件要實(shí)際應(yīng)用還有很多困難需要克服。2006年,日本Hyogo大學(xué)報道了一種新型的壓電振動固態(tài)微陀螺,其結(jié)構(gòu)較簡單,僅由一個帶電極的鋯鈦酸鉛(PZT)長方體構(gòu)成。它利用PZT的逆壓電效應(yīng)激振,以第29階縱向諧振模態(tài)作為參考線振動,利用壓電效應(yīng)檢出角速率信號,其原理圖如下圖。2023年,上海交通大學(xué)在國內(nèi)率先開展了該新型固態(tài)陀螺的研究,通過結(jié)構(gòu)和電路改進(jìn),以降低模態(tài)頻率,增加Q值,如下圖。圖3.3.1PZT壓電固態(tài)微陀螺原理圖3.3.2上海交通大學(xué)的集中質(zhì)量PZT壓電微陀螺2006年,美國佐治亞理工學(xué)院提出利用體聲波(BAW)制造陀螺儀。體聲波是一種微波超聲,可借助電、磁、光、熱、超導(dǎo)隧道結(jié)等多種方法來產(chǎn)生體聲波,常用的方法是壓電鼓勵,即在壓電單晶薄片或壓電薄膜上施加交變場,激發(fā)沿厚度方向的基頻或諧頻共振,從而獲得高頻體聲波。2023年,佐治亞理工學(xué)院報出了厚度只有60m的BAW陀螺儀,測試可到達(dá)的動態(tài)響應(yīng)范圍為500/s,如下圖。2023年,Qualtre公司取得這些技術(shù)的獨(dú)家專利授權(quán),首先推出一款三軸動作傳感器QGYR300,它是由制造在同一芯片上的3個BAW單軸陀螺儀集成的。接著推出QIMU600,包括制造在同一芯片上的3個BAW陀螺儀和1個三軸加速度計(jì)。圖3.3.3體聲波陀螺結(jié)構(gòu)示意圖四、微集成光學(xué)式陀螺:微光機(jī)電陀螺(MOEMS陀螺)是以Sagnac效應(yīng)光學(xué)陀螺原理和光學(xué)檢測技術(shù)為根底,綜合利用微機(jī)械制造技術(shù)和集成光學(xué)技術(shù)的一類新型微陀螺。MOEMS陀螺儀分為諧振式和干預(yù)式兩種。諧振式MOEMS陀螺通常主要采用在硅片上制造光波導(dǎo)諧振器的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。國外對諧振式MOEMS陀螺已經(jīng)研發(fā)了20余年。其中,美國Northrop公司于1991年研制出零偏為10/h的微型光學(xué)陀螺儀(MOG)。2000年,美國Honeywell公司聯(lián)合明尼蘇達(dá)大學(xué)制造了一個指標(biāo)優(yōu)秀的諧振式MOEMS陀螺,其漂移穩(wěn)定性理論上可以到達(dá)0.1/h。干預(yù)式MOEMS陀螺那么主要采用硅片上制造光波導(dǎo)或微鏡陣列等技術(shù)替代光纖線圈,一般采用增加面積和增加光纖長度的方法增強(qiáng)Sagnac效應(yīng),但MOEMS陀螺受限于空間尺寸的微小,如何在有限的空間內(nèi)延長光路長度、增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)就顯得尤為重要和突出。美國阿拉巴馬大學(xué)制造的陀螺,在直徑6.5cm的大小預(yù)計(jì)測量精度可達(dá)0.001/h。與其他MEMS陀螺相比,微光機(jī)電陀螺無運(yùn)動部件,靈敏度高,不需真空封裝,且動態(tài)響應(yīng)范圍大,抗電磁干擾能力強(qiáng),可在一些惡劣環(huán)境下使用。目前國際上微光機(jī)電陀螺技術(shù)的研究多處于起步或初級階段,還有許多難題需要攻克。不過,隨著集成光學(xué)、光電子、新材料以及微加工等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步,可以預(yù)見,微型光學(xué)陀螺必將在微陀螺領(lǐng)域中占據(jù)一席之地。五、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺:懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺可分為磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺和靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺,前者主要分為電磁吸力懸浮、抗磁懸浮和電磁斥力懸浮三種,后者可分為靜電吸力和靜電斥力懸浮。其中,目前研究較為深入、較為成功的是電磁斥力懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺和靜電吸力懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺。兩者都是通過使懸浮于平衡位置的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),獲得恒定角動量并產(chǎn)生陀螺效應(yīng),借助力矩再平衡回路來測量雙輸入軸角速度的。5.1電磁懸浮式轉(zhuǎn)子微陀螺:磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺是英國Sheffield大學(xué)于20世紀(jì)90年代中后期提出并對其進(jìn)行研究的。上海交通大學(xué)于2006年提出了一種將懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)三種線圈分開的、可進(jìn)行閉環(huán)控制的磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺。真空時,它能夠獲得約5000r/min的轉(zhuǎn)速和約3/s的漂移穩(wěn)定性。2007年,上海交通大學(xué)又提出了一個新穎的抗磁懸浮微陀螺,如下圖,其在空氣中轉(zhuǎn)速可以到達(dá)10r/min。圖3.5.1上海交通大學(xué)研制的抗磁懸浮微陀螺實(shí)際應(yīng)用中,電磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的電磁阻尼和渦流生熱問題成為了該研究的瓶頸。電磁阻尼是限制轉(zhuǎn)子進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速的最突出因素。渦流生熱使得器件的功耗較高,難以符合微系統(tǒng)集成的要求。另外磁懸浮微陀螺的側(cè)向剛度低,限制了轉(zhuǎn)子懸浮和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。5.2靜電懸浮式轉(zhuǎn)子微陀螺:靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺工作時,陀螺微轉(zhuǎn)子維持懸浮在殼體的零位平衡位置并高速旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生陀螺效應(yīng),然后即可借助力矩再平衡原理來測量雙輸入軸角速度。球轉(zhuǎn)子靜電陀螺儀是目前精度最高的一種陀螺儀。美國斯坦福大學(xué)為驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對論,于2004年4月發(fā)射的引力探測器B(GravityProbeB),就使用了4個目前世界上精度最高的靜電懸浮超導(dǎo)陀螺儀[12]。該陀螺儀在失重和低溫狀態(tài)下的隨機(jī)漂移率優(yōu)于10-11/h。日本Tokimec公司在2001年研制出盤形轉(zhuǎn)子微陀螺,2002年又研制出了環(huán)形轉(zhuǎn)子的微陀螺。與先前盤形轉(zhuǎn)子相比,環(huán)形轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)不僅有效增加了徑向剛度和靈敏度,而且使微陀螺在轉(zhuǎn)子重量一定的情況下,獲得較大的轉(zhuǎn)動慣量。2005年,Tokimec公司進(jìn)一步提升了該微陀螺的性能指標(biāo),可以到達(dá)轉(zhuǎn)速74000r/min,穩(wěn)定性0.01/s,角隨機(jī)游走0.085/h,代表了目前靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺研究的較高水平,如下圖。圖日本Tokimec公司研制的直徑1.5mm環(huán)形轉(zhuǎn)子陀螺芯片及其封裝2006年4月,在DARPA導(dǎo)航級集成微陀螺工程的資助下,美國Archangelsystems公司開始了靜電懸浮環(huán)形轉(zhuǎn)子微陀螺的研發(fā)。該工程采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝,只用五次光刻掩模優(yōu)化定子極板,制造三定子-雙轉(zhuǎn)子豎層堆疊結(jié)構(gòu),利用差動檢測原理來提高分辨率和精度,使用軸向三對電極驅(qū)動代替以往的四對電極,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極使用魚鱗層疊裝分布。2023年,該方案的成果顯示,該器件可以在6mT(1mT=0133Pa)的真空環(huán)境下以200r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)2h,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達(dá)該工程的預(yù)期。2001年,英國南安普敦大學(xué)也開始了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的研究。該課題組在控制的建模與仿真方面做了大量研究,引入了開關(guān)懸浮控制策略,有效防止了靜電吸附現(xiàn)象。上海交通大學(xué)利用UVLIGA和LIGA技術(shù),設(shè)計(jì)并加工制作的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺采用非硅基工藝,上下定子電極均排布在Pyrex玻璃襯底上,中間層主要為可自由活動的鎳扁平轉(zhuǎn)子和徑向電極。上海交通大學(xué)在磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺研究根底上,于2003年開始了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺關(guān)鍵技術(shù)問題的研究,采用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)制作了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺并搭建了測控系統(tǒng)。清華大學(xué)從2006年開始研發(fā)可用于靜電懸浮微陀螺的微馬達(dá)。目前,兩家單位的研發(fā)還在進(jìn)行中。靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的缺點(diǎn)是由于靜電力為吸引力,具有開環(huán)不穩(wěn)定特性,且多自由度閉環(huán)測控系統(tǒng)比擬復(fù)雜,故實(shí)現(xiàn)微轉(zhuǎn)子五自由度懸浮且高速旋轉(zhuǎn)具有很大的挑戰(zhàn)性。懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的優(yōu)勢在于,其排除了振動式微陀螺所固有的正交誤差問題,無需頻率調(diào)諧,可獲得較高的陀螺精度,微轉(zhuǎn)子可以同時檢測兩軸角速度和三軸線加速度,降低了微慣性測量組合(MIMU)的器件尺寸和研制本錢。六、原子陀螺:原子陀螺儀是目前分辨率最高的陀螺儀,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,用原子干預(yù)儀測量旋轉(zhuǎn)角度要比用光學(xué)方法靈敏10個數(shù)量級。它利用原子干預(yù)儀對在光和原子相互作用中光場相位改變的敏感性測量慣性力。在外在勢場如重力場影響下,原子通過不同的干預(yù)儀路徑受到不同勢的作用,從而有效地改變時間和空間上原子和光相互作用的時間和地點(diǎn)。Princeton大學(xué)開發(fā)的原子核磁共振陀螺的靈敏度到達(dá)0.002/h,長期漂移為0.04/h。目前,美國Darper等研究機(jī)構(gòu)正在開展這類陀螺的小型化工作。微陀螺儀設(shè)計(jì)與制造一、設(shè)計(jì)流程與工具:微陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要,只有通過結(jié)果設(shè)計(jì)之后才能進(jìn)行仿真分析,從而進(jìn)行結(jié)果的相互比照、驗(yàn)證與校核。微陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括六個方面的內(nèi)容,分別為振動模態(tài)剛度設(shè)計(jì),包括驅(qū)動剛度設(shè)計(jì)與檢測剛度設(shè)計(jì);振動模態(tài)頻率設(shè)計(jì),包括驅(qū)動頻率設(shè)計(jì)與檢測頻率設(shè)計(jì);振動模態(tài)阻尼設(shè)計(jì),包括驅(qū)動方向阻尼設(shè)計(jì)與檢測方向阻尼設(shè)計(jì);振動模態(tài)Q值設(shè)計(jì),包括驅(qū)動模態(tài)Q值設(shè)計(jì)與檢測模態(tài)Q值設(shè)計(jì);驅(qū)動模態(tài)特性設(shè)計(jì),包括驅(qū)動力設(shè)計(jì)與驅(qū)動位移設(shè)計(jì);檢測模態(tài)特性設(shè)計(jì),包括檢測位移設(shè)計(jì)、檢測應(yīng)力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)靈敏度設(shè)計(jì)等。而在進(jìn)行這些設(shè)計(jì)過程當(dāng)中還需遵循一定的原那么,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原那么包括工藝先行原那么和結(jié)構(gòu)最優(yōu)原那么,其中工藝先行原那么又需考慮尺寸、精度可行性,溫度、腐蝕、工藝兼容性,工藝重復(fù)性以及環(huán)保要求;結(jié)構(gòu)最優(yōu)原那么又需考慮原理、形狀、尺寸的最優(yōu)化。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前必然要進(jìn)行分析,其中包括優(yōu)化設(shè)計(jì)、瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、模態(tài)分析、路徑分析、靜態(tài)分析等,在這些分析當(dāng)中還需考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、哥氏效應(yīng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、敏感器件位置、振型和頻率、振幅和位移等參數(shù)。二、工藝方法:如下圖,先在襯底外表生長薄膜,通過對薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕等形成結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是易于與IC集成。常用的MEMS器件加工工藝方法有外表工藝與體硅工藝。圖4.2.1典型MEMS制造工藝流程具體的刻蝕技術(shù)主要有光刻、濕法刻蝕、反響離子刻蝕、聚焦離子束刻蝕等一般用來制作MEMS陀螺結(jié)構(gòu);主要的加工工藝有分子束外延、薄膜淀積、氧化、擴(kuò)散、注入、濺射、蒸鍍等技術(shù)用以加速度敏感部件及相應(yīng)的電極和引線的制作;鍵合技術(shù)用于敏感部件與陀螺結(jié)構(gòu)之間的連接。劃片和封裝技術(shù)用于微陀螺結(jié)構(gòu)及敏感部件組合體單體別離及外部連接引線制作等,完成微陀螺根本器件制作。三、制造技術(shù)難點(diǎn):1、包括微機(jī)械陀螺應(yīng)用在內(nèi)的MEMS,力學(xué)參數(shù)較宏觀情況明顯變化,宏觀物理定律已經(jīng)不能完全對MEMS的設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝以及應(yīng)用進(jìn)行解釋和指導(dǎo)。這些因素限制阻礙了微機(jī)械陀螺性能的提高[13]。2、隨著MEMS傳感器尺寸的縮小,敏感部件也不斷縮小,傳統(tǒng)檢測效應(yīng)接近靈敏度極限,限制了高性能MEMS陀螺儀的開展,新效應(yīng)新原理器件亟待開發(fā)。3、國內(nèi)方面工藝和技術(shù)都相對落后,國外方面技術(shù)封鎖限制了高性能器件結(jié)構(gòu)的制作;微弱信號檢測技術(shù)有待提高,信號處理能力仍有待加強(qiáng)。微陀螺儀測試及應(yīng)用一、測試內(nèi)容及手段:與其它陀螺儀一樣,完成微機(jī)械陀螺儀的陀螺體的制作只是完成了整個MEMS陀螺儀研究工作的一局部。還有陀螺儀信號提取與校準(zhǔn),靈敏度測試、量程測試、線性度測試、固有頻率測試、抗過載能力測試等等,各種性能的測試。測試內(nèi)容詳細(xì)見圖。圖5.1.1測試內(nèi)容工程二、數(shù)據(jù)分析及方法:利用前述方法測得傳感器輸出波形或數(shù)據(jù),取不同輸入情況下的離散點(diǎn),獲取批量數(shù)據(jù),通過Matlab、OriginLab、Excel等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和曲線的擬合,分析陀螺儀線性度,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、變換等處理,分析陀螺的時頻域特性。與利用ANSYS、Matlab等軟件仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比照分析。圖5.2.1一種電磁驅(qū)動式MEMS陀螺的固有頻率測試方法及數(shù)據(jù)處理三、應(yīng)用案例:5.3.1慣性平臺:陀螺技術(shù)的開展促進(jìn)了慣性平臺的開展,慣性穩(wěn)定平臺由于能夠隔離載體(導(dǎo)彈、飛機(jī)、戰(zhàn)車及艦船)的運(yùn)動干擾,不斷調(diào)整平臺的姿態(tài)和位置的變化,精確保持動態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)。利用陀螺儀使平臺保持穩(wěn)定,不管導(dǎo)彈飛行時姿態(tài)發(fā)生多大變化,平臺相對于慣性參考坐標(biāo)系的方向始終保持不變,因而可以簡化導(dǎo)航計(jì)算,洲際彈道導(dǎo)彈、潛地彈道導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈和大型運(yùn)載火箭根本上都采用平臺式慣性制導(dǎo),陀螺用于測量敏感平臺相對于慣性空間的角速率,穩(wěn)定平臺根據(jù)陀螺測得的慣性角速率,輸出一個反向作用力以抵消載體運(yùn)動的影響,從而保持平臺的姿態(tài)穩(wěn)定,在平臺穩(wěn)定的情況下,載體才能高效、精確、穩(wěn)定地完成相應(yīng)的工作和任務(wù),因此,陀螺的性能對于慣性平臺有重要意義。由于技術(shù)、精度以及出口限制,微機(jī)械陀螺在國內(nèi)應(yīng)用相對較少,但在國外高精度微機(jī)械陀螺已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域。1〕美國BEI公司SystemDonner慣性公司研制出的GyroChipTM系列微機(jī)械陀螺,如Horizon、QRS11、QRS116、SDD3000,是一類高性能的固態(tài)石英音叉型振動陀螺。QRS116已經(jīng)應(yīng)用到捕食者無人機(jī)上,而SDD3000那么已應(yīng)用作全球鷹無人機(jī)的穩(wěn)定平臺中,其中SDD3000的性能參數(shù)如表1所示。表1BEI公司SDD3000的系統(tǒng)特性2〕美國霍尼韋爾公司研制的新型兩軸微機(jī)械陀螺GG5200和三軸微機(jī)械陀螺GG5300,圖5.3.1霍尼韋爾公司微機(jī)械陀螺儀慣性平臺專為導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定、天線指向穩(wěn)定、炮塔穩(wěn)定和飛行控制而設(shè)計(jì)。目前,GG5200已替代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺應(yīng)用到Stryker裝甲車的炮塔穩(wěn)定平臺中,而三軸微機(jī)械陀螺GG5300采取了最先進(jìn)的硅微電系統(tǒng)加工技術(shù),使其具備比GG5200更高的穩(wěn)定性和精度,被應(yīng)用于美國M1主戰(zhàn)坦克上。圖列出了微機(jī)械陀螺在武器裝備上作為慣性平臺的具體應(yīng)用。姿態(tài)平衡:飛機(jī)上有陀螺儀,其安裝在飛機(jī)駕駛艙的儀表盤上。陀螺儀在飛行時起的主要作用并不是穩(wěn)定飛機(jī),而是指示飛機(jī)飛行姿態(tài),也叫姿態(tài)儀,告訴你飛機(jī)仰角,俯角,傾角〔飛機(jī)空中轉(zhuǎn)向時兩翼與水平面的夾角〕。由于陀螺儀在工作狀態(tài)下,保持絕對姿態(tài),所以可以指示飛機(jī)飛行時姿態(tài),以保證飛行員掌握以及控制飛機(jī)的飛

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