惯性测量仪器及原理简介(4)
惯性测量仪器及原理简介(1)
2.陀螺仪和加速度计种类介绍
（1）陀螺仪 1）机电转子陀螺技术 利用悬浮支撑技术的转子陀螺、动力调谐陀螺、静电陀螺——转子 不存在接触摩擦，是目前公认的精度最高的转子陀螺。 2）光学陀螺技术 激光陀螺技术、光纤陀螺技术 3）微机陀螺技术（MEMS） 4）新型陀螺技术 量子陀螺、核磁共振陀螺等
（韩松，彭文娟，钱兰华.现代陀螺技术的发展及应用分析[J].民营科技.2015（07））
1.手机陀螺仪与加速度计分析
• 计算过程中，主要解决的问题是手机设备坐标系b和手机外部空间导航定 位采用的导航坐标系n之间的坐标转换。
1.手机陀螺仪与加速度计分析
４ 结论 １ ）手机内的加速度计和陀螺仪传感器的输出都存在误差， 在静止情况下， 传感器的输出误差随时间累积越来越大。 ２）手机传感器的误差变化具有不确定性，多次实验传感器的偏移情况不同。 ３）手机传感器各个轴向的偏移情况不同，实验中Ｘ、Ｙ 轴偏移严重，Ｚ 轴 输出则比较稳定，偏移较小。实验中， 静止条件下手机传感器输出数据变化 波动较大， 表明手机内部的传感器精度较低， 稳定性差， 在利用陀螺仪和加 速度计进行导航计算时， 应当利用卡尔曼滤波等方法进行处理， 这需要后续 进行改进。同时， 捷联式惯性导航本身存在着误差累积的不足， 在后面工作 中可以尝试与ＷｉＦｉ、ＲＦＩＤ 等技术进行联合提高定位精度。[1]
[5]钱鸣镝，微电子机械MEMS陀螺仪的原理和测试方法研究[J].集成电路应 用,2017(05)
[6]闫子波等.微机械陀螺仪的工作原理及其应用[J].电子设计技术.2009.09 [7]赵翔等.基于MEMS加速度计和陀螺仪姿态检测系统[J].铁路计算机应用.2012.3
3.MEMS陀螺仪原理
（1）MEMS MEMS 是英文 Micro Electro Mechanical systems的缩写， 即微电子 机械系统。微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术 （micro/nanotechnology）基础上的技术，是指对微米/纳米材料进 行设计，加工，制造，测量和控制的技术。完整的 MEMS 是由微 传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件 组成的一体化的微型器件系统。[5]
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理引言概述：惯性导航仪是一种用于飞行器、舰船、导弹等载具的导航设备，它能够通过测量载具的加速度和角速度来确定载具的位置、速度和方向。
惯性导航仪具有高精度、独立性强等优点，被广泛应用于航空航天领域。
一、惯性导航仪的基本原理1.1 惯性导航仪的加速度测量原理惯性导航仪内置加速度计，通过测量载具的加速度来确定载具的运动状态。
当载具发生加速度变化时，加速度计会产生相应的电信号，进而计算出载具的加速度值。
1.2 惯性导航仪的角速度测量原理惯性导航仪内置陀螺仪，通过测量载具的角速度来确定载具的旋转状态。
陀螺仪会产生相应的电信号，用于计算载具的角速度值。
1.3 综合加速度和角速度信息惯性导航仪会综合加速度和角速度信息，通过积分计算出载具的位置、速度和方向，从而实现导航功能。
二、惯性导航仪的误差补偿原理2.1 零偏误差补偿惯性导航仪存在零偏误差，需要进行零偏误差补偿。
通过定期校准零偏误差，可以提高导航仪的准确性。
2.2 温度漂移补偿惯性导航仪的性能会受到温度的影响，需要进行温度漂移补偿。
通过传感器内部的温度补偿电路，可以减小温度对导航仪的影响。
2.3 震动干扰抑制惯性导航仪在运动过程中会受到震动干扰，需要进行震动干扰抑制。
通过滤波算法和信号处理技术，可以减小震动对导航仪的影响。
三、惯性导航仪的工作模式3.1 静态模式在载具住手运动时，惯性导航仪处于静态模式。
此时，导航仪主要通过加速度计和陀螺仪测量载具的姿态和位置。
3.2 动态模式在载具运动时，惯性导航仪处于动态模式。
此时，导航仪主要通过积分计算出载具的位置、速度和方向。
3.3 切换模式惯性导航仪可以根据载具的运动状态自动切换不同的工作模式，以确保导航的准确性和稳定性。
四、惯性导航仪的应用领域4.1 航空领域惯性导航仪被广泛应用于飞机、直升机等航空器上，用于实现飞行导航和飞行控制。
4.2 舰船领域惯性导航仪也被应用于舰船上，用于实现航行导航和姿态控制。
惯性秤测量惯性质量的原理
惯性秤测量惯性质量的原理惯性秤是一种用于测量物体惯性质量的仪器。
它的原理基于牛顿第二定律，即力等于质量乘以加速度。
惯性秤利用物体在受到外力作用时产生的加速度来间接测量物体的质量。
惯性秤通常由一个固定的支架和一个悬挂在支架上的物体组成。
当物体受到外力作用时，它会产生加速度，而这个加速度可以通过测量物体的位移和时间来计算得到。
惯性秤的工作原理可以通过以下步骤来解释：1. 首先，将待测物体悬挂在惯性秤的支架上。
物体的质量会使支架发生弯曲或产生位移。
2. 当外力作用于物体时，物体会产生加速度。
这个加速度会导致物体在支架上产生位移。
3. 惯性秤通过测量物体在受力作用下的位移和时间来计算物体的加速度。
这可以通过使用传感器或其他测量装置来实现。
4. 通过牛顿第二定律，我们知道力等于质量乘以加速度。
因此，通过测量物体的加速度和已知的力，我们可以计算出物体的质量。
惯性秤的精确度和准确度取决于多个因素，包括测量装置的精度、外界干扰和物体本身的特性。
为了提高惯性秤的准确度，可以采取以下措施：1. 使用高精度的传感器或测量装置来测量物体的位移和时间。
这可以减小测量误差，提高测量的准确度。
2. 降低外界干扰。
外界的振动、温度变化等因素都会对测量结果产生影响。
因此，可以通过使用隔离装置、保持恒定的温度等方法来减小外界干扰。
3. 对于特殊形状或材料的物体，需要进行修正。
有些物体可能不是均匀的，或者具有复杂的形状。
在这种情况下，需要进行修正以考虑物体的几何形状和材料特性。
4. 进行多次测量并取平均值。
由于测量误差的存在，进行多次测量可以减小误差的影响，提高测量结果的准确度。
总之，惯性秤通过测量物体在受力作用下的加速度来间接测量物体的质量。
它的原理基于牛顿第二定律，并通过测量物体的位移和时间来计算加速度。
为了提高惯性秤的准确度，可以采取一系列措施来减小测量误差和外界干扰的影响。
惯性导航仪的工作原理
惯性导航仪的工作原理引言概述：惯性导航仪是一种用于测量和跟踪物体在空间中的位置、方向和速度的设备。
它通过利用物体的惯性特性来实现导航和定位功能。
本文将详细介绍惯性导航仪的工作原理，包括传感器、数据处理和输出等方面。
一、传感器1.1 加速度计加速度计是惯性导航仪中的重要传感器之一。
它可以测量物体在三个轴向上的加速度。
基于牛顿第二定律，加速度计通过测量物体受到的惯性力来计算加速度。
常见的加速度计类型有压电式和电容式加速度计。
1.2 陀螺仪陀螺仪是惯性导航仪中另一个关键传感器。
它可以测量物体绕三个轴向的旋转角速度。
陀螺仪原理基于角动量守恒定律，通过检测物体旋转时的角动量变化来计算角速度。
常见的陀螺仪类型有机械陀螺仪和光纤陀螺仪。
1.3 磁力计磁力计是惯性导航仪中的辅助传感器。
它可以测量物体在地球磁场中的磁场强度。
磁力计原理基于洛伦兹力定律，通过检测磁场对物体的作用力来计算磁场强度。
磁力计常用于校准其他传感器的数据，提高导航仪的精度。
二、数据处理2.1 姿态解算姿态解算是惯性导航仪中的核心数据处理过程。
它通过融合加速度计和陀螺仪的数据来计算物体的姿态角度。
常用的姿态解算算法有卡尔曼滤波和互补滤波等。
2.2 位置估计位置估计是惯性导航仪的另一个重要数据处理过程。
它通过积分加速度计的数据来计算物体的速度和位移。
然而，由于加速度计存在漂移误差，位置估计会随时间积累误差。
因此，通常需要结合其他导航系统（如GPS）来校正位置估计的误差。
2.3 数据融合数据融合是综合利用各个传感器数据的过程。
通过将加速度计、陀螺仪和磁力计等数据进行融合，可以提高导航仪的精度和稳定性。
常用的数据融合算法有卡尔曼滤波和粒子滤波等。
三、输出3.1 姿态输出姿态输出是惯性导航仪最基本的输出结果之一。
它通常以欧拉角（如俯仰角、横滚角和偏航角）的形式呈现。
姿态输出可以用于飞行器的姿态控制和导航等应用。
3.2 速度输出速度输出是惯性导航仪的另一个重要输出结果。
IMU惯性测量单元
IMU惯性测量单元【IMU惯性测量单元简单介绍】（英文：Inertial measurement unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。
一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。
在导航中用着很重要的应用价值。
为了提高可靠性，还可以为每个轴配备更多的传感器。
一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。
【IMU惯性测量装置的工作原理】IMU惯性测量装置属于捷联式惯导，该系统有两个加速度传感器与三个方向的角速率传感器（陀螺）组成。
以当地水平指北系统为例，惯性平台始终保持地平坐标系,安装在平台上的3个互相正交的加速度计分别测出沿东西、南北和垂直方向的加速度分量,并输入计算机。
在消除加速度计误差、重力加速度和由于地球自转产生的科里奥利加速度影响后，得出运载体相对地平坐标系的位移加速度分量,再就t（从起始点到待测点的时间）进行两次积分，并考虑初始速度值，就可解算出相对前一起始点的坐标变化量，同相应起始点的经度λ0、纬度0和高程h0累加，就得到待定点的坐标。
电子计算机除了用观测数据计算点位坐标外，还根据一次积分后的速度分量和已知地球参数（仪器所在点的地球子午圈和卯酉圈曲率半径M和N，地球自转角速度ω），连续计算控制惯性平台的力矩信号W、W 和W，以便实时跟踪所选定的地平坐标系。
垂直加速度计的输出信号，实际是运载体垂直加速度与当地的重力加速度之和。
当运载体停止时，它的垂直加速度为零,这时从中消除非重力加速度之后,就得到当地的重力加速度。
运载体在运动过程中，由计算机通过陀螺仪控制惯性平台，不断地按参考椭球面的曲率进动。
由于加速度计误差、陀螺仪漂移和垂线偏差变化等因素的影响，运载体到达待测点停止时,平台将不平行于当地水平面,两个水平加速度计的输出不等于零。
惯性测量仪器及原理简介(4)
◦
迟滞现象：指一系统的状 蠕变效应：固体材料在保持 ◦ 芯片的制作相对容易， 态，不仅与当下系统的输 应力不变的条件下，应变随 ◦ 并且接口电路易于实现。 入有关，还与其过去输入 时间延长而增加的现象。 有关。 缺点 ◦ ◦ 温度系数比较大，对温度比较敏感； 和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低， 且蠕信号，Vs表示输出电压，Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之 间的两个电容，则输入信号和输出信号之间的关系可表示为： 其中电容与位移之间的关系由电容的定义给出：
其中x是可动臂的位移，d是没有加速度时固定臂与悬臂之间的距离。 由上两式可得 根据力学原理，稳定情况下质量块的力学方程为： 因此，外界加速度与输出电压的关系为： k为弹簧的劲度系数，m为质量块质量。
隧道电流型加速度计 热加速度计
目录
1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
2.压阻式加速度计原理
当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随 之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从 而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。 优点：
5. 热加速度计原理
热加速度计基于热交换原理，介质是气体。如图所 示，热源处于硅片的中央，硅片悬在空穴之间。在热源 的四周均匀分布有电热耦堆（铝/多晶硅）。 在没有加速度的情况下，热源的温度梯度均匀分布， 对四周的热电耦而言，温度是一样的，输出的电压也是 一样的。当有加速度时，温度分布平衡被打破，输出的 电压也随之改变。热电耦输出的电压差和加速度成正比。
惯性测量仪器及原理 简介（4）
惯性传感器原理
惯性传感器原理
惯性传感器是一种测量和检测物体的加速度和角速度的设备。
其原理基于牛顿第一和第二定律。
牛顿第一定律也称为惯性定律，它指出当没有外力作用时，物体将保持匀速直线运动或静止状态。
换句话说，物体在没有外力作用下具有惯性。
牛顿第二定律则表明物体的加速度与作用在物体上的力成正比，反比于物体的质量。
数学表达式为F = ma，其中F代表作用力，m代表物体的质量，a代表物体的加速度。
基于以上原理，惯性传感器利用物体的惯性来测量其加速度和角速度。
传感器内部通常包含装有质量的小对象，例如微型振动陀螺。
当传感器遭受加速度或角速度时，惯性会引起内部的质量对象发生位移或旋转。
通过测量位移或旋转的量，可以推导出物体的加速度和角速度。
惯性传感器通常包含多个轴向的传感器，例如三轴加速度计和三轴陀螺仪。
通过组合不同轴向的测量值，可以计算出物体在三维空间中的运动状态。
此外，惯性传感器还可以配合其他传感器，例如磁力计和气压计，来进行更精确的运动测量和姿态估计。
总的来说，惯性传感器利用物体的惯性原理来测量和检测加速度和角速度。
通过组合不同轴向的测量值，可以得到物体在三维空间中的运动状态。
这种传感器在许多应用领域，如汽车、航空航天、运动追踪等方面具有重要的应用价值。
惯性测量仪器及原理简介(1)
2.陀螺仪和加速度计种类介绍
（1）陀螺仪 性能比较
原子陀螺( 6105/ h)>静电陀螺( 104 ~ 105/ h )>激光陀螺( 0.00015 / h )>微 机械陀螺( 1 ~ 10/ h )
（韩松，彭文娟，钱兰华.现代陀螺技术的发展及应用分析[J].民营科技.2015（07））
பைடு நூலகம்
2.陀螺仪和加速度计种类介绍
3.MEMS陀螺仪原理
目录
1.手机陀螺仪与加速度计分析 2.陀螺仪和加速度计种类介绍 3.MEMS陀螺仪原理 4.后续了解内容
4.后续了解内容
• （1）陀螺仪参数：标度因数，标度因数稳定性，随机游走 • （2）动力调谐式陀螺仪详细原理 • （3）激光陀螺仪原理 • （4）加速度计原理
参考文献
（2）加速度计
主要有石英加速度计、液浮摆式加速度计、微机电加速度计、 振弦式加速度计、振梁式加速度计等类型。
石英加速度计是目前国内外水平最高的加速度计，是现今加 速度计发展的先头兵。[2]
目录
1.手机陀螺仪与加速度计分析 2.陀螺仪和加速度计种类介绍 3.MEMS陀螺仪原理 4.后续了解内容
3.MEMS陀螺仪原理
1.手机陀螺仪与加速度计分析
• 计算过程中，主要解决的问题是手机设备坐标系b和手机外部空间导航定 位采用的导航坐标系n之间的坐标转换。
1.手机陀螺仪与加速度计分析
４ 结论 １ ）手机内的加速度计和陀螺仪传感器的输出都存在误差， 在静止情况下， 传感器的输出误差随时间累积越来越大。 ２）手机传感器的误差变化具有不确定性，多次实验传感器的偏移情况不同。 ３）手机传感器各个轴向的偏移情况不同，实验中Ｘ、Ｙ 轴偏移严重，Ｚ 轴 输出则比较稳定，偏移较小。实验中， 静止条件下手机传感器输出数据变化 波动较大， 表明手机内部的传感器精度较低， 稳定性差， 在利用陀螺仪和加 速度计进行导航计算时， 应当利用卡尔曼滤波等方法进行处理， 这需要后续 进行改进。同时， 捷联式惯性导航本身存在着误差累积的不足， 在后面工作 中可以尝试与ＷｉＦｉ、ＲＦＩＤ 等技术进行联合提高定位精度。[1]
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隧道电流型加速度计 热加速度计
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1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
2.压阻式加速度计原理
当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随 之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从 而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。 优点：
扭摆式微加速度计的敏感单元是不对称质量平板，通过扭转轴与基座相连，基座上表面布置 有固定电极，敏感平板下表面有相应的运动电极，形成检测电容(如图3) 。当有加速度作用时， 不对称平板在惯性力作用下，将发生绕扭转轴的转动。转动角与加速度成比例关系，可用下式表 示：maL=K θ。式中，a 为输入加速度；L 为质量平板质心到支撑轴转动中心的距离；K 为支撑 轴的扭转刚度系数；θ为平板的扭转角。利用3.0节中公式，以及电极距离d和梁转动的角度θ之间 的几何关系，即可计算得到加速度。
惯性测量仪器及原理 简介（4）
苏日娜
目录
1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
1.MEMS加速度计分类
市面常见芯片 压阻式加速度计 电容式加速度计 跷跷板式电容加速度计（扭摆式硅微加速度计） 梳齿式电容加速度计 三明治式电容加速度计（悬臂梁式微加速度计）
可见，在加速度计的结构和输入电压确定的情况下(k、d、m、Vm)，输出电压与加速度呈正 比关系。
3.1跷跷板摆式加速度计
跷跷板摆式加速度计又称扭摆式硅微加速度计(Pendulous Micromachined Silicon Accelerometer,PMSA),因敏感质量绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名。
谢谢！
5. 热加速度计原理
热加速度计基于热交换原理，介质是气体。如图所 示，热源处于硅片的中央，硅片悬在空穴之间。在热源 的四周均匀分布有电热耦堆（铝/多晶硅）。 在没有加速度的情况下，热源的温度梯度均匀分布， 对四周的热电耦而言，温度是一样的，输出的电压也是 一样的。当有加速度时，温度分布平衡被打破，输出的 电压也随之改变。热电耦输出的电压差和加速度成正比。
结构简单，
目录
1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
3.电容式加速度计原理
电容式加速度计主要有三种结构：跷跷板摆式加速度计、梳齿式电容加速度计和三明治式电容 加速度计。
3.0 差动电容计算加速度
各种电容式加速度计，大都利用差动电容来测量加速度，其原理公式推导如下：
3.2 梳齿式电容加速度计
梳齿式电容加速度计(Finger-shaped Micromachined Silicon Accelerometer,FMSA),因 活动电极极似梳齿而得名，又称叉指式电容加速度计。 在受到向左的加速度作用时，在惯性力作用下，质量元件 带动动齿向右运动，动齿和动齿两边的定齿之间的差动电容 变化，通过输出电压，由3.0节即可得到加速度值。 优点： 灵敏度高、温度稳定性好、结构相对简单、功耗比较低等 x a
4. 隧道式加速度计原理
优点： 极高的灵敏度 易检测
线性度好
抗干扰能力强 可靠性高 由于隧道针尖制作比较复杂，所以其工艺比较困难，市面上少有实品。
缺点：
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1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
x
具体地说，以Vm表示输入电压信号，Vs表示输出电压，Cs1与Cs2分别表示固定臂与可动臂之 间的两个电容，则输入信号和输出信号之间的关系可表示为： 其中电容与位移之间的关系由电容的定义给出：
其中x是可动臂的位移，d是没有加速度时固定臂与悬臂之间的距离。 由上两式可得 根据力学原理，稳定情况下质量块的力学方程为： 因此，外界加速度与输出电压的关系为： k为弹簧的劲度系数，m为质量块质量。
◦
迟滞现象：指一系统的状 蠕变效应：固体材料在保持 ◦ 芯片的制作相对容易， 态，不仅与当下系统的输 应力不变的条件下，应变随 ◦ 并且接口电路易于实现。 入有关，还与其过去输入 时间延长而增加的现象。 有关。 缺点 ◦ ◦ 温度系数比较大，对温度比较敏感； 和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低， 且蠕变和迟滞效应比较明显。
且通过把若干极板并联，提高了分辨率。
缺点： 易受电磁干扰。
3.3 三明治式电容加速度计
三明治式电容加速度计又称悬臂梁式电容加速度计(CMSA),是一种夹层结构的MEMS加速度 计，因动极板夹在两个定极板之间，形似三明治而得名。
原理：中间硅摆片敏感质量的两边利用电镀技术构成电极，与相对应的两边的定电极构成差 动电极。当质量块受加速度而运动时，产生相对位移，从而差动电容发生变化，通过检测输出电 压，以及3.0中公式即可获得测量加速度值。
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1.MEMS加速度计分类 2.压阻式加速度计原理 3.电容式加速度计原理
4.隧道式加速度计原理
5.热加速度计原理
4. 隧道式加速度计原理
隧道式加速度计利用隧道效应制成。隧道效应就是平板电极和隧道针尖电极距离达到一定的 条件，可以产生隧道电流。 隧道式微加速度计常用悬臂梁或者双端固支梁支撑惯性质量块，质量块在惯性力的作用下，位置 将发生偏移，这个偏移量直接影响到隧道电流的变化，通过检测隧道电流变化量来间接检测加速 度值。 由J.G.Simmons 推导的隧道电流和针尖与下电极之间的距离关系可以描述为 其中，V为施加在电极两端的电压；α为有效势垒高度；x 为电极间隙；k为常数。