微惯性技术
2024-微机械陀螺简述,微惯性技术
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1.2 微机械陀螺特点
MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成 和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技 术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构 加速度计振动结构
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
按加工方式
体微机械加工 表征微机械加工 LIGA(光刻、电铸和注塑)
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1.3 微机械陀螺分类
按驱动方式
压电式 静电式 电磁式
微
机
按检测方式
压电检测 电容检测
械 陀
压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
4. 测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千°/s
缺点： 目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，
漂移较大。
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1.3 微机械陀螺分类
按振动结构
微
机
械
陀
螺
分
按材料
类
旋转振动结构 线性振动结构
硅材料 非硅材料
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
正交线振动结构 非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
整角模式
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2、微机械陀螺根本原理
振动式微机械陀螺根本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺根本原理
微惯性测量组合与GPS组合导航技术
析 了由微 惯 性 器 件 组 成 的 捷 联 惯 导 与 Ｇ Ｓ 组合 导航 的可 行 性 ； Ｐ 综述 了Ｇ ＳＩ Ｓ组 合 导航 的工 作 原 理 和 关键 技 术 。 Ｐ／ Ｎ
【 关键词 】 惯性导航 系统 【 中圈分类号 １ Ｖ ４ ． ２ ９３ ２ ２
【 文献标识码】 Ｂ
性高。
（）Ｎ 的制 导精度 主要 取决 于惯性 器件 （ ２Ｉ Ｓ 陀螺 仪 和 加速 度计 ） 的精 度 。Ｉ Ｓ Ｎ 的精 度 在开 始工作 和较 短的 时间 内是优 良的 ， 但是从 初 始对 准之后 ， 由于 陀螺仪 的
从 ２世 纪８ 年代 开始 ，以Ｉ Ｉ艺 为基 础 的微机 械 ０ ０ Ｃ
导： 战术导 弹 的制导 ； 载鱼雷 、 水炸 弹的制 导 等。 舰 深
加工 技术 开始应 用 于传 感 器 的制造 。随着 ｔ ／ｍ技术 ｒ ｎ ｍ
的发展 ， 微机电系统 （ Ｅ Ｓ 脱颖 而出。 ＭＭ ） 微惯性传感器
（ 要 的ＭＥ 之一 ） 重 ＭＳ 由微 型 陀螺 仪 、 型加 速度 计 、 微 专 用 集 成 电路 （ ＳＣ）嵌 入 式 微 机 及 相 应 的软 件 组 成 ， ＡＩ 、
于Ｇ Ｓ Ｐ 导航 与其互 补性 较好 ， 是其 应 用 的主要 方式 。 １ 微惯 性 器件 的发展 及应 用
过减震 装 置安装 在 导弹上 。２捷 联 式ＩＳ 它是 直接把 ） Ｎ ： 陀螺 仪 和加速度 计 与导 弹弹体 连接 ． 用大容 量 、 高速度 运算 的计 算机来 处 理导 弹姿态 角变 化对加 速度 计输 出 的影响 ； 与平 台式 相 比 ， 联式 的体 积小 、 捷 成本 低 、 靠 可
维普资讯
第 ２期（ 总第 ８ ９期）
第二章微惯性技术
六、动量矩、动量矩定理及欧拉动力学方程
1、绕定点转动刚体的动量矩 对于绕定点转动的刚体，刚体内所有质点的动量对某点之 矩的总和，称为刚体对该点的动量矩。计算公式：
H rimivi
r iH为为点刚到体该对点点的的矢动径量；矩；为v i 该m为i点刚的体速内度任。意质点的质量；
vi ri
H rim i(ri)
1、地心惯性坐标系(i系)— 地球坐标系(e系)
地球坐标系(e)相对于地心惯性坐标系（i)的旋转角速度 向量为地球自转角速度。
2、地球坐标系(e系)— 地理坐标系（L系）
由地理坐标系(L)相对于地固坐标系(e)的旋转角速度向量， 可以分别推导出其在e系及L系中的分量表示式为：
sin
e eL
坐标原点设在地球质量中心，Z轴沿地轴方向，x、y 轴在地球赤道平面内，指向某个恒星，构成右手坐标 系。地心惯性坐标系不参与地球的旋转运动。
2、确定载体相对地球表面位置的坐标系
（1） 地球坐标系（e系）
地球坐标系的z轴沿地轴方向，x轴在赤道平面与格林威 治子午面的交线上，y轴也在赤道平面内，x与y、z轴构 成右手坐标系。坐标系与地球固联，随地球转动。
cr o cs o y s sr is niys nipn siyc no pc so yss r i n siys nip c nr o
C b L cr o ss iy n sr ic no yss ipnco ycso psiys nr i n co yss ip c nr o
co p ss r in
三、地球的自转及角速度
在惯性空间，地球绕自身的地轴自转，绕太阳公转动。 地球公转一周为一年（365天)。 太阳在惯性空间不是恒定不动的，但它的旋转影响可以忽
重力以及微惯性传感器在导航中的应用研究
重力以及微惯性传感器在导航中的应用研究导航技术的发展已经成为了现代社会中不可或缺的一部分，它在各个领域中都扮演着重要的角色。
传统的导航方法中，我们通常会使用全球定位系统（GPS）来获取位置信息。
然而，GPS系统在某些情况下可能会出现信号中断或者定位误差的问题。
因此，研究者们一直在致力于探索新的导航技术，其中包括重力和微惯性传感器的应用。
重力传感器是一种能够测量物体所受重力作用的传感器。
它利用压电效应或其他原理来检测物体所受的重力大小和方向。
通过重力传感器来检测物体的重力信息，我们可以获得物体的倾斜角度和方向。
微惯性传感器（MEMS）是一种利用微尺度的机电系统技术制造的惯性传感器，它可以用于测量物体的加速度和角速度。
微惯性传感器一般由三个加速度计和三个陀螺仪组成，分别用来测量物体在三个轴上的加速度和角速度。
重力传感器和微惯性传感器在导航中的应用主要有以下几个方面：1. 姿态和方向的测量：通过使用重力传感器和微惯性传感器，我们可以准确地测量物体的倾斜角度、旋转角度和方向。
这对于无人机、航空航天器和机器人等设备来说是至关重要的。
通过获取准确的姿态和方向信息，这些设备可以在空中、水中或地面上自主导航，并执行特定的任务。
2. 定位和导航辅助：GPS信号在城市、山区或建筑物密集的区域中可能会受到影响，导致定位误差。
在这种情况下，重力传感器和微惯性传感器可以提供关键的辅助定位和导航信息。
通过监测物体的加速度和角速度，我们可以推测出物体的运动轨迹和位置变化。
这种辅助定位和导航技术可以在航海、航空和汽车导航中发挥重要作用。
3. 动作检测和行为识别：重力传感器和微惯性传感器可以用于检测人体的动作和识别人体的行为。
例如，在健身设备中，通过使用这些传感器，我们可以实时监测用户的运动、姿势和步数，来跟踪他们的健身活动。
此外，在虚拟现实和增强现实中，这些传感器也被广泛应用于姿势跟踪和手势识别。
4. 指南针和方向传感器的改进：重力传感器和微惯性传感器也可以用于改进指南针和方向传感器的性能。
微惯性技术第四章
3DMC系列三轴电动飞行模拟转台
3DMC系列三轴飞行模拟转 台是多功能的运动模拟设备。 具有模拟、速率和位臵工作 方式。
TAS系列三轴姿态模拟转台
ＸＪＴ系列线加速度模拟转台(可变加速度离心机)
TXT系列天线测试飞行仿真转台
TAS系列三轴姿态模拟转台
3、W881C自动分度头
W881C自动分度头一台高精度惯导测试设备，具有自动 定位功能，主要用于测试和标定±1g内的惯导及加速度 计静态特性。它由一台具有水平方向主轴的台体及电控柜 组成。 主要技术指标:
e. 零偏加速度灵敏度
陀螺仪零偏随加速度引起的变化量，以单位重力加速 度引起的零偏变化量表示，(º /s)/g。
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
a.标度因数
陀螺仪输出量与输入角速率的比值，用某一特定直线的 斜率表示，该直线是根据整个角速率范围内测得的输入 输出数据，用最小二乘法拟合求得，mV/(º /s)。计算公 式如下：
a. b. c. d. e.
标度因数 标度因数非线性 标度因数对称性 标度因数重复性 标度因数温度灵敏度
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
3、其它性能参数:
a. b. c. d. e. f. g. h. i. j.
输入轴 输入基准轴 输入失准角 交叉耦合系数 启动时间 阈值 分辨率 测量范围 带宽 输出噪声
二、微陀螺仪性能测试的主要参数
——2、与标度因数相关的性能参数
d. 标度因数重复性
在相同条件下及规定时间内，重复测量陀螺仪标度因数 之间的一致程度，以各次测量所得标度因数的标准偏差 与其平均值的比值来表示，单位ppm。计算公式如下：
基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状
基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状一、本文概述随着微纳技术的快速发展，微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）以其体积小、重量轻、功耗低等优点，在航空航天、无人驾驶、机器人导航、个人定位等众多领域展现出广阔的应用前景。
其中，基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术的微型惯性导航系统因其实用性和成本效益，成为了当前研究的热点。
本文旨在全面概述基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状，包括其基本原理、关键技术、应用领域以及面临的挑战。
我们将简要介绍惯性导航系统的基本原理和MEMS技术的基本概念。
然后，重点分析当前MEMS微型惯性导航系统的关键技术，如微型化设计、误差补偿与校准、数据处理算法等。
接着，探讨该技术在航空航天、无人驾驶、个人定位等领域的应用现状。
我们将讨论当前微型惯性导航系统面临的挑战，如误差累积、环境适应性等问题，并展望未来的发展趋势。
通过本文的阐述，希望能够为相关领域的研究人员和技术人员提供有价值的参考，推动基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展和应用。
二、MEMS技术在微型惯性导航系统中的应用微型惯性导航系统（Micro-Inertial Navigation System, MINS）结合了微型机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术与惯性导航原理，实现了导航系统的微型化、低功耗和高度集成化。
随着MEMS技术的快速发展，MINS在军事、航空、航天、无人驾驶以及消费电子等领域的应用越来越广泛。
MEMS加速度计和陀螺仪是MINS的核心部件，用于测量载体在三维空间中的加速度和角速度。
通过精确的测量和数据处理，它们为导航系统提供必要的导航参数。
与传统的惯性器件相比，MEMS加速度计和陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低和成本低的优点，非常适合用于构建微型化的惯性导航系统。
微惯性器件的应用原理
微惯性器件的应用原理什么是微惯性器件？微惯性器件是一种用于测量和感知运动、加速度和姿态的微小尺寸传感器。
它采用微电子技术和微加工技术，结合惯性传感器原理，能够实时测量物体的运动状态。
微惯性器件的工作原理微惯性器件通常由加速度计和陀螺仪组成。
加速度计用于测量物体的线性加速度，陀螺仪用于测量物体的角速度。
通过测量加速度和角速度的变化，微惯性器件可以根据牛顿运动定律计算出物体的位移和姿态。
微惯性器件的应用领域微惯性器件在许多领域都有广泛的应用，例如：•航空航天：微惯性器件可以用于飞行器的姿态控制和导航系统，提高导航精度和稳定性。
•智能手机：微惯性器件可用于智能手机中的屏幕旋转功能，使屏幕能根据设备的姿态自动调整。
•车辆导航：微惯性器件可以用于车辆导航系统，提供准确的位置和姿态信息。
•运动追踪：微惯性器件可用于运动追踪设备，如智能手环和智能手表，实时监测用户的运动状态和健康数据。
•虚拟现实：微惯性器件可以用于虚拟现实设备中，提供用户的头部姿态和身体运动信息，实现更加真实的虚拟体验。
微惯性器件的优势微惯性器件相对于传统的惯性器件有以下优势：1.尺寸小：微惯性器件采用微加工技术，体积小巧，适合集成到各种小型设备中。
2.功耗低：微惯性器件采用微电子技术，功耗低，适合搭载在移动设备或无人机等电池供电的设备中。
3.精度高：微惯性器件采用先进的传感器技术和算法，能够提供高精度的运动测量结果。
4.响应速度快：微惯性器件采样速率高，能够实时监测物体的运动变化。
5.成本低：随着制造工艺的进步，微惯性器件的制造成本逐渐降低，使其在更多应用领域中得以应用。
微惯性器件的发展趋势随着技术的不断进步，微惯性器件有望在未来获得更广泛的应用。
未来的发展方向包括：1.更小的尺寸：随着微电子技术和微加工技术的进步，微惯性器件的尺寸将进一步减小，适用于更小巧的设备。
2.更低的功耗：随着节能技术的不断发展，微惯性器件的功耗将进一步降低，延长设备的使用时间。
Ch1-微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
• 弹道导弹要发挥其威力，必须射程远、爆炸威力大、命
中精度高。 • 精确制导武器在现代战争中的使用比例
项目 总投弹量（发） 精确制导武器 （枚） 百分比（％） 1991 年 海湾战争 265000 20450 8 1999 年 科索沃战争 23000 8050 35 2001 年 阿富汗战争 22000 12500 56 2003 年 伊拉克战争 28397 19146 68
量技术、惯性元件、惯性系统与元件测试技术的总称。 惯性导航 导航：正确地引导载体沿预定的航线在规定的时间内到达目 的地的过程。比如使船舶或飞机按预定航线到达预定目的地。 惯性制导 制导：是指自动控制和导引飞行器按预定轨道或飞行路 线准确到达目标的过程。
微惯性系统理论与应用
司南，汉（公元前206－公元220 年）。盘17.8×17.4厘米,勺长11.5， 口径4.2厘米。司南由青铜地盘与磁 勺组成。地盘内圆外方；中心圆面下 凹；圆外盘面分层次铸有10天干， 十二地支、四卦，标示二十四个方位。 磁勺是用天然磁体磨成，置于地盘中
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
微惯性系统理论与应用
数字光学控制器(DLP)
1987年美国德州仪器（TI）公司发明
优点：高分辨率、高对比度、响应速度快、带宽等。 应用：数字相机、高频天线阵列、新一代外层空间望远镜、全息照
相、数字图像处理等，目前，DMD广泛应用于数字光处理器件(DLP)， 用于数字投影显示（DPD）、高清晰度电视（HDTV）、微型显示。
其中开发强大火箭的重担就落在前德国专家冯.布劳恩身上;
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1
主要内容
微加速度计
微陀螺仪 微型惯性测量组合
2
微加速度计
微加速度计
定义 工作原理
分类
信号检测
设计程序
3
1.1 加速度计
加速度计是利用检测质量块或震动探测块来测量
加速度的。
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。
多采用平面电极或梳状电极静电驱动，并采 用平板电容器进行检测。
76
可分为：
梳状驱动平板式振动陀螺仪
A C1 C 2 z0
19
图a
Cs1
0 A
d 0 d
Cs 2
0 A
d 0 d
d C Cs 2 Cs1 2C0 d0
F ma kd
2m C0 C1 a kd0
20
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。
27
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，这就是隧道 效应。
28
实验发现，当这两极间距减少0.1nm，隧道电 流将增加10倍，利用这种效应可以测量加速度。 电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、 隧道探针和控制电路等部分组成。它的工作原 理是，当被测加速度使检测质量与隧道探针之 间距离发生变化时，两极间将产生巨大的电流 变化，检出这一变化信号就可测得加速度。
16
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
电极
a
m
解调
Vo
17
电容式传感器需掌握的几个公式
A C ε z0
1 u F A 2 2 d
2
18
1.2.1 平板电容式加速度计
当无加速度输入时， 检测质量处于中间 位置，上下极板与 活动极板的间隙均 为。此时，极板间 电容量C1和C2相等， 即
电压反馈
电压放大 33
4.4 谐振式加速度计
特点
直接数字输出 潜在的高精度
a
m
振梁
34
工作原理
1 1 f1 ' f1 (1 F1 S1 ) f1 1 F1 S1 ( F1 S1 ) 2 8 2
1 2
1 1 f 2 ' f 2 (1 F2 S 2 ) f 2 1 F2 S 2 ( F2 S 2 ) 2 8 2
54
基本设计问题——电路
压阻效应
热噪声与电阻值成正比
电容效应
寄生电容 低阻放大器 高阻放大器 开关电容放大器
Rf Cf
55
基本设计问题——电路
前置放大器的噪声和漂移是最主要的误 差源
差动检测可有效的减小甚至消除一些误 差 数字化 集成
56
基本设计问题——闭环控制
42
检测电路
43
4.6 压电式加速度计
压电传感器是一种利用压电效应进行机 电能量转换的变换器。广泛应用于振动、 冲击的测量，是一种拾取力信号，输出 电信号的能量转换部件。常和电荷或电 压放大器一起组成测量电路,在电子产品 检验部门的振动台及其检定中起着重要 的作用。
44
特点
结构简单 无法测直流（常加速度）
22
s
hdx h z 0 s b ln z 0 x z 0 s
s
动极板角位移引起敏感极板电容量的变 化为
A2s b C C 2 C1 2 z0
23
4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计
24
25
在没有加速度输入时
C0 Ct10 Ct 20 GS Gh1 4n1 d0 d0
29
特点
极高的灵敏度 不受稳定影响
低频噪音太大
必须闭环工作
I ve
A
A x
B
a
m
硅尖
C
30
31
Au Au p++ epi Si SiO2 Nitride Ti-Pt-Au Si
32
信号检测
△a
uout 隧道效应传感器 信号检测
反馈控制
A-V转换 偏 置 电 压 电压跟随
加速度a作用时, 摆片将移动一个小位移
Gh1 Ct1 4n1 d 0 d
Gh1 Ct 2 4n1 d 0 d
2d C Ct1 Ct 2 C0 d0
26
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。
AD公司生产的陀螺内部结构
72
典型的陀螺仪
AD 公司 双轴陀螺
73
美国BEI公司生产的QR14
74
陀螺仪的分类
非机械式
激光陀螺和光纤陀螺 机械式（主要介绍微机械式） 1）振动式微机械陀螺仪 2）转子式微机械陀螺仪 3）微机械加速度计陀螺仪
75
1）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。
驱动电路 1
振梁 1
驱动电路 2
振梁 2
差 频 电 路
输出
幅值整形电路
37
驱动电路
利用锁相环电路或反馈回路来控制振荡电路的频 率，使得两谐振梁在各自的固有频率下共振，这 样两个谐振梁的振幅达到最大值，从而输出频率 信号的幅值达到最大值。
38
频率检测电路
频率检测电路是间接地通过测电容的变化来测 得输出信号频率的。主要由电荷放大器构成， 用以将电容的电荷量转换成电压信号。
温度系数较大
V0 C f q
Cf
a
m
压电材料
Vo
45
4.7 微型双轴加速度计
所谓微型双轴加速度计是能够同时测量相 互正交两个轴加速度的微型仪表。
从结构组成上可分为两类：
一类是在同一硅片上实现敏感两个轴的加速度， 最简单的做法可将结构完全相同的单自由度加 速度计相互正交的做在同一硅片上，配以相应 测量电路；
7
按控制方式来分：
有开环式和闭环式。
8
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
9
10
根据敏感轴数量
单轴、双轴、三轴
11
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
12
1.1 压阻式加速度计
特点
21
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
C1
C1
s b
A C1 C 2 z0
dA z 0 z
dA hdx
C2 dA z 0 z
C2
s b
z x
hdx h z 0 s b ln z 0 x z 0 s
64
角速率传感器——基本工作原理
旋转刚体
定轴性 进动性
振动刚体
傅科摆
FC mV
65
陀螺仪简介
66
音叉式陀螺仪原理介绍
音叉式振动陀螺仪的典型结构如上图所示。其简 化示意图如上所示，设音叉两臂的质量都分别集 中于其端点，且为m0，设在某一瞬时，两集中质 量相向速度分别为v1及v2，且有关系式v1=v2=v， 载体绕轴的转动角速度为ωx，由于哥氏效应，两 集中质量的哥氏加速度绝对值为ac=2 ωx v，方向 如图所示，哥氏力Fc=2m ωx v，哥氏力矩 M=4mR ωx v。我们就通过检测哥氏力或哥氏力 矩的大小来得到载体的角速度ωx。
4
1.2 基本工作原理
基本物理原理
d 2x dx m 2 b kx maext dt dt
F=ma
弹簧
读出传感器 壳体
加速度测量方向
m
检测质量
阻尼器
5
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
6
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
闭环控制的优点：
高精度 高线性度 增大动态范围 展宽频带
调节阻尼比
57
基本设计问题——闭环控制
交流激励 直流偏置
Rf Cf
m
Vo
交流激励
直流偏置
58
详细设计、加工过程
微系统的制造技术，除包括标准的微电 子工艺外，还有微系统的特殊工艺，例 如表面加工工艺、体加工工艺、硅硅键 合和硅玻璃键合。
39
差频电路
先用乘法器，使得两个频率信号相乘。然后用一个低通滤 波器滤除掉高频信号，则可以得到所要的差频信号
Y sin 2f1t B sin 2f 2t cos2 f1 f 2 t cos2 f1 f 2 t AB / 2
40
4.5 热对流式加速度计
59
60
61
微陀螺仪
62
陀螺仪简介
陀螺是一种用于测量旋转速度或旋转角 的仪器。
它在运输系统，例如导航、刹车调节控 制和加速度测量等方面有很多应用。 宏观的陀螺可分成两个主要种类：非机 械（光学的）式的或机械式的。