第6章 慣性元件慣性導航

1、慣性導航原理慣性導航原理 中國民航大學電子信息工程學院中國民航大學電子信息工程學院崔崔 銘銘26.2 6.2 激光陀螺和光纖陀螺激光陀螺和光纖陀螺6.1 6.1 液浮陀螺儀液浮陀螺儀6.3 6.3 加速度計加速度計第六章第六章 慣性元件慣性元件6.4 MEMS6.4 MEMS3 慣性導航系統(tǒng)是一種精密測量系統(tǒng)，包括兩種基本慣性元件即陀螺和加速度計。慣導中使用的陀螺要比陀螺儀表要求高。1.精度高。陀螺儀的精度指標是漂移角速度，即正常工作時自轉(zhuǎn)軸偏離起始位置的速度。中等精度不大于0.01度/小時，常規(guī)不大于2度/小時。產(chǎn)生漂移主要原因:（1）制造工藝引起的軸承摩擦力矩；（2）重心與支點不重合引起的

2、不平衡力矩；（3）引線和輸電裝置的摩擦和彈性力矩等干擾力矩使 陀螺產(chǎn)生進動造成的。電子信息工程學院42.測量范圍大。要求陀螺測量的最大角速度與最小角速度的比值大。如捷聯(lián)系統(tǒng)中，要求最大能測400度/秒，最小能測0.001度/小時，其比值高達 。而常規(guī)陀螺的測量范圍要低得多，如某速率陀螺的測量范圍為最大27度/秒，最小0.1度/秒，比值為270。3.工作角度非常小。最大工作角度為角分、角秒級，這是為了最大限度地避免交叉耦合誤差。這就對慣導級陀螺儀的標度系數(shù)的線性度、穩(wěn)定度、工作環(huán)境、可靠性等要求都非常嚴格。91.4 10電子信息工程學院5l 按照自轉(zhuǎn)軸相對于殼體具有的轉(zhuǎn)動自由度，按照自轉(zhuǎn)軸相對于

3、殼體具有的轉(zhuǎn)動自由度，可以分為可以分為二二自由度自由度/ /三三自由度陀螺。自由度陀螺。l 按照陀螺儀的轉(zhuǎn)子按照陀螺儀的轉(zhuǎn)子支撐支撐方式，可以分為方式，可以分為框架框架/ /液浮液浮/ /氣浮氣浮/ /動調(diào)動調(diào)/ /靜電陀螺儀等。靜電陀螺儀等。l 按照陀螺儀的按照陀螺儀的輸出輸出形式，可以分為角速形式，可以分為角速率率/ /角速率積分陀螺儀。角速率積分陀螺儀。l 按照陀螺儀的按照陀螺儀的精度精度，可以分為，可以分為慣性慣性級級（隨機漂移小于（隨機漂移小于0.010.01/h/h）/ /次次慣性級慣性級/ /常規(guī)常規(guī)級陀螺儀級陀螺儀陀螺儀的分類陀螺儀的分類電子信息工程學院66.1 6.1 液浮陀

4、螺儀液浮陀螺儀 液浮陀螺儀主要包括二自由度浮子積分陀螺儀和三自由度液浮陀螺儀。一 浮子積分陀螺儀1.組成（1）二自由度陀螺儀；（2）等效阻尼器 裝在內(nèi)框軸上；（3）角速度傳感器 敏感內(nèi)框軸轉(zhuǎn)動角；（4）力矩器 與外加電流成正比。電子信息工程學院72 2 工作原理工作原理 當陀螺繞測量軸當陀螺繞測量軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動 ，根據(jù)二自由度陀螺進，根據(jù)二自由度陀螺進動動特點，陀特點，陀螺沿內(nèi)框軸產(chǎn)生陀螺力矩，使陀螺繞內(nèi)框軸進動，其進動螺沿內(nèi)框軸產(chǎn)生陀螺力矩，使陀螺繞內(nèi)框軸進動，其進動角加角加速度速度為為 ，角速度角速度為為 ，進動角進動角為為 。在理想情況下，可得。在理想情況下，可得積分陀螺微分方程為：積分陀螺

5、微分方程為： 其中其中 為阻尼系數(shù)。為阻尼系數(shù)。 當當穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)時，即時，即 ，陀螺力矩與阻尼力矩平衡，陀螺力矩與阻尼力矩平衡，得：得：00ttyDHdtdtKxDyJKHyDK0DyKH內(nèi)框轉(zhuǎn)角為：內(nèi)框轉(zhuǎn)角為： 陀螺轉(zhuǎn)子繞內(nèi)框軸陀螺轉(zhuǎn)子繞內(nèi)框軸進動角度進動角度為基座繞測量軸轉(zhuǎn)動為基座繞測量軸轉(zhuǎn)動角速度角速度的的積分積分，即，即積分陀螺儀積分陀螺儀名稱的由來。名稱的由來。電子信息工程學院8 3 3 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電子信息工程學院9 為保證積分特性，使輸出信號（陀螺轉(zhuǎn)子繞內(nèi)框軸進動角度）與輸入信號（基座繞陀螺的輸入軸的轉(zhuǎn)動角速度）成線性關(guān)系，積分陀螺儀的內(nèi)框轉(zhuǎn)角要很小，在角分、角秒（1度=60角分，1角

6、分=60角秒）范圍內(nèi)，需采取以下措施：（1）減小動量矩 ，即陀螺尺寸很小，轉(zhuǎn)速也不太高。 JH2iihmJ電子信息工程學院10（2 2）增大阻尼系數(shù)）增大阻尼系數(shù) 。為此把。為此把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子和和叉架叉架密封裝在密封裝在一個一個圓柱形浮筒內(nèi)圓柱形浮筒內(nèi)，浮筒用寶石軸承支承在殼體上，在，浮筒用寶石軸承支承在殼體上，在浮子浮子組件組件( (內(nèi)框組件內(nèi)框組件) )與殼體之間充有比重很大的與殼體之間充有比重很大的氟化物氟化物液體。使浮力液體。使浮力等于等于浮子重量，作用點與浮子浮子重量，作用點與浮子重心重心重（在重（在陀螺支點上），達到陀螺支點上），達到全浮全浮狀態(tài)，支承軸狀態(tài)，支承軸不承受不承受負載，負

7、載，減減小小內(nèi)框軸上的內(nèi)框軸上的摩擦力矩摩擦力矩，提高陀螺，提高陀螺精度精度和和靈敏度靈敏度。通常。通常用溫控系統(tǒng)保持用溫控系統(tǒng)保持7272度恒溫，提高度恒溫，提高穩(wěn)定性穩(wěn)定性。（3 3）由于輸出角）由于輸出角 很小，要有高靈敏度，高精度的角很小，要有高靈敏度，高精度的角位移傳感器，一般采用高精度的位移傳感器，一般采用高精度的微動同步器微動同步器。（4 4）當工作時間較長時，內(nèi)框偏轉(zhuǎn)角）當工作時間較長時，內(nèi)框偏轉(zhuǎn)角也會增大，因也會增大，因此積分陀螺儀一般都與隨動系統(tǒng)相配合，因而內(nèi)框軸上此積分陀螺儀一般都與隨動系統(tǒng)相配合，因而內(nèi)框軸上還裝有力矩器，以產(chǎn)生外力矩平衡陀螺力矩。還裝有力矩器，以產(chǎn)生外

8、力矩平衡陀螺力矩。DK電子信息工程學院114 4 應用應用1 1）測角速度測角速度 陀螺信號傳感器陀螺信號傳感器的的輸出輸出接到反饋放大接到反饋放大器器輸入輸入端，經(jīng)放大后端，經(jīng)放大后加到陀螺儀力矩器繞加到陀螺儀力矩器繞組上，產(chǎn)生力矩組上，產(chǎn)生力矩抵消抵消掉掉陀螺力矩，通過測陀螺力矩，通過測量電流大小，計算后量電流大小，計算后得到角速度值。得到角速度值。電子信息工程學院122 2）空間穩(wěn)定）空間穩(wěn)定 當基座轉(zhuǎn)動，帶動當基座轉(zhuǎn)動，帶動平臺轉(zhuǎn)動，有平臺轉(zhuǎn)動，有輸入輸入信號，信號，測得輸出信號，經(jīng)放大測得輸出信號，經(jīng)放大傳給平臺電動機，電動傳給平臺電動機，電動機經(jīng)減速器帶動平臺相機經(jīng)減速器帶動平臺相

9、對基座對基座反方向反方向轉(zhuǎn)動。由轉(zhuǎn)動。由于積分陀螺反應快，可于積分陀螺反應快，可保證平臺始終被保證平臺始終被穩(wěn)定穩(wěn)定在在慣性空間位置。慣性空間位置。電子信息工程學院132 2 三自由度液浮陀螺儀三自由度液浮陀螺儀 陀螺房做成陀螺房做成球形球形，將轉(zhuǎn)子密封在里面，球內(nèi)充上惰，將轉(zhuǎn)子密封在里面，球內(nèi)充上惰性氣體以減小阻力，散熱并防止機件氧化。在浮球與殼性氣體以減小阻力，散熱并防止機件氧化。在浮球與殼體間充滿比重較大的液體，產(chǎn)生浮力把浮球全浮起來，體間充滿比重較大的液體，產(chǎn)生浮力把浮球全浮起來，減小減小摩擦力矩摩擦力矩，浮液還對浮球轉(zhuǎn)動產(chǎn)生，浮液還對浮球轉(zhuǎn)動產(chǎn)生阻尼力矩阻尼力矩。 三自由度液浮陀螺儀

10、的作用原理與框架式陀螺儀三自由度液浮陀螺儀的作用原理與框架式陀螺儀完全完全一樣一樣，只是把陀螺房做成，只是把陀螺房做成球形球形，并使之懸浮于液體中，以，并使之懸浮于液體中，以減小和消除減小和消除環(huán)架支撐中的環(huán)架支撐中的摩擦摩擦。電子信息工程學院14 為了消除摩擦力矩為了消除摩擦力矩影響和提高穩(wěn)定性，浮影響和提高穩(wěn)定性，浮球使用球使用磁力定心磁力定心，轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子用動壓用動壓氣體軸承氣體軸承懸浮，懸浮，陀螺球用陀螺球用液體液體懸浮，這懸浮，這三種措施常稱三種措施常稱“三浮三浮”技術(shù)。技術(shù)。 由于三自由度陀螺儀是雙輸入雙輸出元件，當不對由于三自由度陀螺儀是雙輸入雙輸出元件，當不對陀螺施加控制力矩時，

11、輸入輸出均是其基座圍繞兩根正陀螺施加控制力矩時，輸入輸出均是其基座圍繞兩根正交軸的交軸的轉(zhuǎn)動角轉(zhuǎn)動角的，故又稱位置陀螺。的，故又稱位置陀螺。電子信息工程學院156.2 6.2 激光陀螺和光纖陀螺激光陀螺和光纖陀螺6.2.1激光陀螺一 概述 激光陀螺是一種沒有機械轉(zhuǎn)子及環(huán)架的新型陀螺，利用光腔繞軸旋轉(zhuǎn)時，順、逆兩束光行程發(fā)生變化的原理，實際上是能測量旋轉(zhuǎn)角速度的裝置，因此屬于陀螺，并常用于捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)，有以下特點：1.抗振動和沖擊性好由于沒有機械旋轉(zhuǎn)部件，它比機電陀螺更能經(jīng)受振動和沖擊，耐沖擊高度500g以上，機械式僅耐40g；2.動態(tài)范圍大從0.001度/小時到100000度/小時；3.可靠

12、性高平均無故障時間達90000小時以上；4.結(jié)構(gòu)簡單而堅固，成本低；5.直接輸出數(shù)字信號，便于計算機處理；6.不需溫控系統(tǒng)可有效解決穩(wěn)定對漂移的影響。電子信息工程學院16 1 1）19131913年，有資料報道了薩格納克年，有資料報道了薩格納克( (sagnacsagnac) ) 效應，效應，這就是光學陀螺的基本工作原理。這就是光學陀螺的基本工作原理。 2 2）19251925年，米歇爾遜和蓋爾年，米歇爾遜和蓋爾(Gale) (Gale) 在芝加哥將這一在芝加哥將這一概念應用到一個周長超過概念應用到一個周長超過1 1英里的環(huán)形陀螺上。把普通光送英里的環(huán)形陀螺上。把普通光送入抽過真空的水管中，他

13、們當時已能測出地球自轉(zhuǎn)所帶來入抽過真空的水管中，他們當時已能測出地球自轉(zhuǎn)所帶來的光學偏移。的光學偏移。 3 3）19601960年，麥曼年，麥曼( (MaimanMaiman) )演示了一種激光器，能產(chǎn)生演示了一種激光器，能產(chǎn)生高度平行及單色性極好的電磁能源，頻段在紫外與遠紅外高度平行及單色性極好的電磁能源，頻段在紫外與遠紅外之間，具體波長取決于激光器的介質(zhì)。之間，具體波長取決于激光器的介質(zhì)。 4 4）19631963年，第一個環(huán)形激光器在斯佩里陀螺公司年，第一個環(huán)形激光器在斯佩里陀螺公司(Sperry gyroscope)(Sperry gyroscope)展出。這標志著環(huán)形激光陀螺研發(fā)的展

14、出。這標志著環(huán)形激光陀螺研發(fā)的開端。開端。 5 5）約）約10 10 年之后，光纖陀螺問世。年之后，光纖陀螺問世。 光學陀螺的發(fā)展概況光學陀螺的發(fā)展概況電子信息工程學院17發(fā)展：發(fā)展：1960 1960 激光器出現(xiàn)；激光器出現(xiàn)；1963 Sperry 1963 Sperry 制成首臺激光陀螺制成首臺激光陀螺樣機；樣機；1970s1970s中中 精度突破，達慣性級；精度突破，達慣性級；1980s 1980s 初開始應用于初開始應用于各個領域各個領域 早期研制的機構(gòu)早期研制的機構(gòu)HoneywellHoneywell：三角形諧振腔，機械抖動偏頻：三角形諧振腔，機械抖動偏頻LittonLitton：四

15、邊形諧振腔，機械抖動偏：四邊形諧振腔，機械抖動偏SperrySperry：三角諧振腔，磁鏡偏頻：三角諧振腔，磁鏡偏頻國內(nèi)研制、應用狀況國內(nèi)研制、應用狀況1970s1970s中后期中后期 開始研制；開始研制；19901990前后前后 進入實用；進入實用；1990s1990s中后期中后期 應用達到高峰。應用達到高峰。面臨問題面臨問題成本較高、體積偏大、不能完全適應捷聯(lián)系統(tǒng)的要求成本較高、體積偏大、不能完全適應捷聯(lián)系統(tǒng)的要求電子信息工程學院18電子信息工程學院19二 激光基本知識（P251）1.特點：單色性，相干性，亮度高。2.產(chǎn)生機理:光的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射和受激吸收；激光產(chǎn)生的條件3.激光器分類

16、：晶體激光器；氣體激光器；半導體激光器4.諧振腔：用于產(chǎn)生和貯藏各代光子的機構(gòu)。三 二頻激光陀螺 激光陀螺儀是用來敏感角速度的裝置，前身是賽格納克（saqnac）環(huán)形干涉儀。電子信息工程學院201.1.環(huán)形干涉儀測量角速度原理環(huán)形干涉儀測量角速度原理提出提出：由：由 SagnacSagnac 于于 19131913年年 當干涉儀相對慣性空間無轉(zhuǎn)動，當干涉儀相對慣性空間無轉(zhuǎn)動，則正反繞行的則正反繞行的 A A、B B 兩路光程，兩路光程， 當干涉儀以當干涉儀以相對慣性空間旋轉(zhuǎn)，相對慣性空間旋轉(zhuǎn)，則會引起兩路光程不等。則會引起兩路光程不等。224( /4)4abLLLLLcc 4ALc c c遠大

17、于遠大于LL，上式近似為，上式近似為abLLA A為面積為面積電子信息工程學院21結(jié)論結(jié)論：環(huán)形干涉儀順、逆兩束：環(huán)形干涉儀順、逆兩束光程差光程差與被測與被測角速度角速度成成正比正比，該，該結(jié)論雖然已正方形環(huán)路得到，但對其它形狀環(huán)路也成立。實用結(jié)論雖然已正方形環(huán)路得到，但對其它形狀環(huán)路也成立。實用性分析（性分析（P257P257）說明，靈敏度低，無實用價值。）說明，靈敏度低，無實用價值。2.2.二頻激光陀螺原理二頻激光陀螺原理 環(huán)形干涉儀靈敏度環(huán)形干涉儀靈敏度不高不高，主要原因是環(huán)路不是，主要原因是環(huán)路不是諧振腔諧振腔。光。光在回路中只能繞在回路中只能繞一圈一圈，如采用環(huán)形諧振腔，光可在腔內(nèi)繞

18、，如采用環(huán)形諧振腔，光可在腔內(nèi)繞很多很多圈圈，并產(chǎn)生，并產(chǎn)生諧振諧振。諧振頻率一定時，增益大于損耗。當環(huán)形諧。諧振頻率一定時，增益大于損耗。當環(huán)形諧振腔有振腔有轉(zhuǎn)動角速度轉(zhuǎn)動角速度時，時，逆逆時針光束和時針光束和順順時針光束的時針光束的諧振頻率諧振頻率不不同，同，差頻差頻與與角速度角速度成正比，測量到差頻即可測到轉(zhuǎn)動角速度。成正比，測量到差頻即可測到轉(zhuǎn)動角速度。使用了激光諧振腔和測量差頻后，測量靈敏度比環(huán)形干涉儀大使用了激光諧振腔和測量差頻后，測量靈敏度比環(huán)形干涉儀大大提高，使這個原理有實用價值。大提高，使這個原理有實用價值。電子信息工程學院22 當腔體轉(zhuǎn)動時，正、反行波的諧振頻率因所走的光程

19、不同而不同。依據(jù)諧振條件(p256)，有:21NLLNLLNLLNLL21LLcNcfLLcNcf2211順,逆兩束激光波長為：對應的激光頻率為:兩束光的頻差為:LAf4電子信息工程學院233.3.激光陀螺的誤差激光陀螺的誤差（1）閉鎖：當輸入角速度絕對值小于閾值時，陀螺沒有頻差輸出。主要是由于環(huán)路的非均勻性。減小閉鎖的辦法是提高加工精度，機械抖動偏頻法、磁鏡法、差動法。（2）比例因子不穩(wěn)定：輸入輸出比例因子不恒定。主要原因與激光器的幾何形狀和尺寸有關(guān)。要保持比例因子恒定，采用低膨脹系數(shù)的材料做腔體，采用溫度補償?shù)却胧?。?）零點漂移誤差：沒有輸入角速度時，有輸出。主要原因有流動介質(zhì)引起的朗謬

20、爾流，磁場影響，出現(xiàn)多膜等。采用完全對稱的雙陽極共陰極結(jié)構(gòu)并使用穩(wěn)定分流電路，加磁屏蔽。電子信息工程學院24四四 飛機激光陀螺飛機激光陀螺電子信息工程學院25內(nèi)內(nèi)腔腔是是二二頻頻激激光光陀陀螺螺結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)電子信息工程學院26飛機激光陀螺組件位置飛機激光陀螺組件位置電子信息工程學院276.2.26.2.2光纖陀螺光纖陀螺一一 概述概述電子信息工程學院28 光纖陀螺儀適應捷聯(lián)系統(tǒng)需求而出現(xiàn)。基本原理同激光陀螺，只是激光束來自外部，用光導纖維做傳播環(huán)路。優(yōu)點：成本低、體積小、重量輕。發(fā)展：1970s 光纖技術(shù)發(fā)展； 1976 年猶它大學瓦里提出設想和演示； 1978 麥道研制出第一個實用光纖陀螺； 1

21、980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以 及英、法、德、日、蘇等國也展開了研制。 國內(nèi)：1980s初，原理研究、試驗（少數(shù)大學）； 1980s末，實質(zhì)性研制； 2000s，進入實用階段。精度：國外 0.001度/小時；國內(nèi) 0.01度/小時 電子信息工程學院29二 分類 光纖陀螺從原理上主要分為光纖諧振陀螺和光纖干涉陀螺。1.光纖諧振陀螺 光纖諧振陀螺是從無源腔激光陀螺的基礎上改進的，不同點在于：（1）以光纖代替反射鏡片組成諧振腔和傳播光路；（2）以光耦合器代替透射鏡片及半反射鏡片對光的輸入輸 出及分光作用；（3）不能控制腔長，目前精度較低有待改進。電子信息工程學

22、院30 來自 LR 的激光經(jīng)分束器 SL 分離，從兩端進入光纖線圈（諧振器）。光纖陀螺繞輸入軸旋轉(zhuǎn)時，兩束光的諧振頻率改變，頻差由兩組光檢測器和相敏解調(diào)器測量，與輸入角速度成正比 。PM PM 相位調(diào)制器相位調(diào)制器PSD PSD 相敏解調(diào)器相敏解調(diào)器D D 檢測器檢測器電子信息工程學院312.2.光纖干涉陀螺光纖干涉陀螺 光纖干涉陀螺是根據(jù)Sagnac環(huán)形干涉原理發(fā)展而來的。PM 相位調(diào)制器PSD 相敏解調(diào)器 SF伺服放大器PT相位變換器電子信息工程學院32電子信息工程學院33高精度光纖陀螺陀螺精度國內(nèi)最高陀螺精度國內(nèi)最高零偏穩(wěn)定性零偏穩(wěn)定性0.02o/h (1 ）標度因數(shù)非線性標度因數(shù)非線性

23、50ppm 動態(tài)范圍：動態(tài)范圍： 300/s工作溫度：工作溫度： -40 C +60 C輕小型三軸光纖陀螺國內(nèi)最小、最輕的三軸組合國內(nèi)最小、最輕的三軸組合重量重量: 800g 小型中精度光纖陀螺零偏穩(wěn)定性零偏穩(wěn)定性0.2o/h (1 ）標度因數(shù)非線性標度因數(shù)非線性100ppm動態(tài)范圍動態(tài)范圍: 500500/s/s重量重量: 200g電子信息工程學院34法國IXSEA公司研制的高精度光纖陀螺精度為0.001/h美國LITTON公司正在研制戰(zhàn)略級光纖陀螺精度達10-4 /h量級電子信息工程學院356.3 6.3 加速度計加速度計 慣性導航的基礎是對加速度的測量慣性導航的基礎是對加速度的測量, ,

24、加速度計用加速度計用來測量飛機的線加速度，提取后通過積分獲得速度和來測量飛機的線加速度，提取后通過積分獲得速度和位置位置, ,并輸出電信號供導航計算和控制飛機。慣導中并輸出電信號供導航計算和控制飛機。慣導中重要元件之一，航空導航中應用最廣的是重要元件之一，航空導航中應用最廣的是液浮擺式液浮擺式加加速度計和速度計和撓性撓性加速度計。加速度計。 加速度本身難以直接測量，因此通過測量敏感質(zhì)加速度本身難以直接測量，因此通過測量敏感質(zhì)量塊上形成的量塊上形成的慣性力慣性力，間接測量載體受到的，間接測量載體受到的加速度加速度。 在慣性空間，加速度計無法區(qū)分在慣性空間，加速度計無法區(qū)分慣性力慣性力和和萬有引萬

25、有引力力。因此加速度計的輸出反映的是單位檢測質(zhì)量所受。因此加速度計的輸出反映的是單位檢測質(zhì)量所受的慣性空間的的慣性空間的合力合力，即慣性力與萬有引力的，即慣性力與萬有引力的矢量和矢量和。電子信息工程學院36 加速度計的測量值，是載體相對于慣性空加速度計的測量值，是載體相對于慣性空間的間的絕對絕對加速度和導航系統(tǒng)所在地的加速度和導航系統(tǒng)所在地的萬有引力萬有引力加速度加速度 的和值，稱為的和值，稱為“比力比力”。（比力。（比力Specific Force Specific Force ） 因此，比力也被稱為因此，比力也被稱為“非引力加速度非引力加速度”，要想使加速度計的測量值與慣性加速度聯(lián)系起要想

26、使加速度計的測量值與慣性加速度聯(lián)系起來，就必須對來，就必須對重力場重力場有所了解。有所了解。電子信息工程學院37l按測量的運動方式分類：線加速度計擺式加速度計( (如：液浮、撓性等 ) )l按支承輸出軸的方式分類：寶石液浮撓性電子信息工程學院38l按測量加速度計的原理和工作分類： 寶石軸承擺式 液浮擺式 撓性擺式 陀螺擺式 壓阻式 壓電式 石英振梁式 激光和光纖式等 電子信息工程學院39l按檢測方式是否反饋分類： 開環(huán)加速度計（結(jié)構(gòu)簡單、易維護） 閉環(huán)加速度計(力反饋式加速度計 )l按照精度高低來分類： 高精度 中等精度 低精度電子信息工程學院40一一 擺式加速度計原理擺式加速度計原理 擺式加

27、速度計包括：重錘（擺錘）、平衡彈簧、擺式加速度計包括：重錘（擺錘）、平衡彈簧、輸出或顯示裝置。輸出或顯示裝置。電子信息工程學院41 質(zhì)量為質(zhì)量為m m的重錘用臂長為的重錘用臂長為l l的金屬掛在轉(zhuǎn)軸的金屬掛在轉(zhuǎn)軸y y上。轉(zhuǎn)軸兩端用軸承上。轉(zhuǎn)軸兩端用軸承支承在殼體上。彈簧內(nèi)端與轉(zhuǎn)軸固連，外端與殼體固連。當轉(zhuǎn)軸相支承在殼體上。彈簧內(nèi)端與轉(zhuǎn)軸固連，外端與殼體固連。當轉(zhuǎn)軸相對殼體轉(zhuǎn)動時，可產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)力矩，其大小與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角度成對殼體轉(zhuǎn)動時，可產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)力矩，其大小與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的角度成正比，即正比，即 ,(,( 為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角，為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角，k k為彈性系數(shù)為彈性系數(shù)) )， 的方向是的方向是力求使轉(zhuǎn)軸

28、轉(zhuǎn)過的偏角力求使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的偏角恢復恢復為零。為零。kMkkM電子信息工程學院42 當飛機有沿當飛機有沿x x軸的加速度是，軸的加速度是，擺錘受慣性力作用方向與加速擺錘受慣性力作用方向與加速度相反。擺錘在慣性力作用下度相反。擺錘在慣性力作用下繞繞y y軸產(chǎn)生軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩轉(zhuǎn)動力矩，使擺和，使擺和y y軸 轉(zhuǎn) 動 ， 偏 離 起 始 位 置 。軸 轉(zhuǎn) 動 ， 偏 離 起 始 位 置 。當很小時，cos 1，sin0得sincosmglkmalamglkmlmglkmal當力矩達到平衡時，轉(zhuǎn)軸停止當力矩達到平衡時，轉(zhuǎn)軸停止轉(zhuǎn)動：轉(zhuǎn)動：aKa電子信息工程學院43二 慣導對加速度測量的要求1.靈敏限小:

29、靈敏限為加速度計能感受的最小加速度值。如不能測量，帶來速度誤差和距離誤差。慣導中要求在10-5g以下。2.摩擦力距小:摩擦力距直接影響到加速度計的靈敏限。慣導用加速度計轉(zhuǎn)軸上的摩擦力距必須控制在9.8*10-9牛頓米以內(nèi)。這個要求非常苛刻，任何精密儀表軸承無法達到，要特殊支承技術(shù)，是加速度計的關(guān)鍵技術(shù)。3.量程大：指測量加速度的最大值和最小值的范圍。飛機上要求測量的范圍為10-5g-6g ，最大可達12g甚至20g。要求轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角小，保證輸入輸出成線性關(guān)系。需增大彈簧剛度，采用電彈簧代替機械彈簧，把轉(zhuǎn)角控制在幾角秒至幾角分之內(nèi)。電子信息工程學院44三 液浮擺式加速度計 液浮擺式加速度計廣泛用于慣

30、導系統(tǒng)中，有兩種結(jié)構(gòu)，一種是用彈性扭桿產(chǎn)生彈性力矩的擺式加速度計，另一種是用力矩器產(chǎn)生平衡力矩的擺式加速度計，二者均為液懸浮式。1.彈性扭桿液浮加速度計 由重錘、浮筒、彈性扭桿、信號器、寶石軸承、密封殼體等組成?；驹砼c前面所述內(nèi)容相同，都是用重錘敏感加速度。電子信息工程學院45 空心圓筒把重錘密封起來（浮筒組件），一端通過寶石軸承與殼體相連，另一端用彈性扭桿與殼體相連，彈性扭桿代替前述中的彈簧產(chǎn)生恢復力矩，浮筒與殼體之間充滿液體（產(chǎn)生浮力、減少摩擦、增加阻尼）。彈性扭桿剛度不可能做得很大，因此擺的轉(zhuǎn)角不可能很小，輸出線性度較差。并受溫度影響產(chǎn)生較大誤差，用于慣導初期和要求不太高的裝置中。電

31、子信息工程學院462.具有平衡回路的液浮擺式加速度計 這種加速度計原理與彈性扭桿是基本相同。不同之處在于，在輸出軸上加裝一個力矩器取代彈性扭桿，作用相當于彈性扭桿，靠電流控制產(chǎn)生力矩，故稱電彈簧。彈性系數(shù)可以很大，擺錘轉(zhuǎn)角很小，輸出線性度好。設有溫控系統(tǒng)，保證浮力和穩(wěn)定度。也稱閉環(huán)結(jié)構(gòu)。電子信息工程學院47電子信息工程學院48電子信息工程學院49四 撓性加速度計（p277）1.組成和原理2.特點（1）無支承摩擦力矩（2）溫控要求低（3）結(jié)構(gòu)簡單電子信息工程學院50電子信息工程學院51電子信息工程學院52l MEMS MEMS（Micro Electro-Mechanical SystemsMi

32、cro Electro-Mechanical Systems）l 1980 1980年代中后期以來，隨著微電子、精細加工等技年代中后期以來，隨著微電子、精細加工等技術(shù)和制造工藝的成熟，術(shù)和制造工藝的成熟，MEMSMEMS技術(shù)得到了快速的發(fā)展。技術(shù)得到了快速的發(fā)展。l MEMS MEMS技術(shù)的發(fā)展直接推動著微型傳感器的產(chǎn)生、發(fā)技術(shù)的發(fā)展直接推動著微型傳感器的產(chǎn)生、發(fā)展和展和 應用。采用應用。采用MEMSMEMS技術(shù)的慣性傳感器技術(shù)的慣性傳感器微加速度微加速度計計和和微陀螺微陀螺是一類重要的應用廣泛的微傳感器，直接是一類重要的應用廣泛的微傳感器，直接促進慣性促進慣性 導航系統(tǒng)向微小型化發(fā)展。導航系

33、統(tǒng)向微小型化發(fā)展。lMEMSMEMS慣性傳感器采用慣性傳感器采用腐蝕腐蝕、光刻光刻等集成電路的制造工等集成電路的制造工藝，在藝，在硅硅、石英石英等晶片上直接加工出感應部件和專用等晶片上直接加工出感應部件和專用集成電路集成電路6.4 6.4 微電子機械系統(tǒng)微電子機械系統(tǒng) MEMSMEMS電子信息工程學院53 電子信息工程學院54國內(nèi)外MEMS傳感器發(fā)展概況電子信息工程學院55電子信息工程學院56電子信息工程學院57電子信息工程學院58 JDAMJDAM低成本制導武器低成本制導武器彈道導彈彈道導彈遠程空空導彈遠程空空導彈艦空導彈艦空導彈電子信息工程學院59電子信息工程學院60電子信息工程學院61 微型飛行器：最大尺寸不超過微型飛行器：最大尺寸不超過1515厘米，續(xù)航時間厘米，續(xù)航時間20206060分鐘，航程達到分鐘，航程達到1010公里以上，飛行速度公里以上，飛行速度22224545公里公里/ /小時小時, ,可以攜帶有效載荷，完成一定任務的飛行可以攜帶有效載荷，完成一定任務的飛行器。器。電子信息工程學院62AR.Dron