微陀螺介绍

微机电陀螺仪介绍学生：陆煜桦学号：201521080111指导老师：黎业飞•分析微机电陀螺仪的工作原理、科里奥利力原理、介绍微机电陀螺仪结构以及动力学、介绍了微机电陀螺仪现代应用（重点军事上运用）及研究发展趋势。国外微陀螺技术发展迅猛，目前达到的性能指标已经远远超过最初对微陀螺性能的预计值。但随着研究的深入和应用需求的扩展，对微机电陀螺提出了低成本、高精度和高过载、高动态等要求。需要在结构、工艺、组装及温控和信号处理等方面不断创新和改进。本文贡献微机电机械系统（MEMS）•是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术。•涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。•可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。•工作原理：利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力•旋转中的陀螺仪会对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。微机械陀螺仪（MEMSgyroscope）科里奥利力原理图科里奥利力原理图•如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个物体被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化，并有可能使物体在横向作微小震荡，相位正好与驱动力差90度。微机械陀螺仪原理公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。绝大多数MEMS陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。微机电陀螺仪的结构•一般的MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成。有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。梳子结构的驱动部分电容板形状的传感部分带有去驱动和传感耦合的结构微机电陀螺仪的结构•陀螺的完整系动力学方程可由广义坐标系下的基本形式拉格朗日方程描述其中即为拉格朗日函数，为广义坐标系下的敏感质量块的动能，为广义坐标系下的敏感质量块的势能，为广义坐标系下敏感质量所受外力，为广义动量，为广义速度，为广义坐标。微机电振动式陀螺动力学iidTTqdtxxKPTEEKEPEiqiTxixix•驱动方向的驱动力由外部提供，质量块在敏感(检测)方向因哥氏力作用产生位移。微机电振动式陀螺动力学陀螺的简化动力学模型•陀螺仪是惯性导航中一种重要传感器，能检测载体相对惯性空间转动角速度或绝对角度，是惯性导航与制导、运动系统的姿态监测与稳定控制的核心部件。微机电陀螺的现状•陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性按照零偏稳定性的大小可分为：微机电陀螺的现状惯性级（小于0.01°/h）战术级（0.1~10°/h）速率级（大于10°/h）体积小成本低功耗小可靠性高可批量生产微机电陀螺的特点•（一）微机电陀螺是精确制导武器的核心元件•以精确打击为目的的制导武器成为军队装备系统的核心。微惯性组合是发展新型弹药和对现役装备进行制导化改造的关键基础部件。微机电陀螺在军事上的运用微机电陀螺在军事上的运用（1）常规武器的制导化改造。例如：美国Honeywell公司的HG1700微机电陀螺在JDAM制导航空炸弹和陆射制导火箭弹中得到了应用JDAM制导航空炸弹和陆射制导火箭弹BAE公司的微机电惯性测量组合在APKWS制导火箭弹中得到了应用微机电陀螺在军事上的运用APKWS制导火箭弹（2）代替现有中近程战术导弹中的陀螺仪，降低导弹成本，提高精确打击武器的装备量与战斗力。微机电陀螺在军事上的运用例如：AIS公司研制的SiRRS系列微机电陀螺及惯性测量组合SiIMU在英国“海狼”舰载防空导弹和NLAW反坦克导弹等武器装备上得到应用微机电陀螺在军事上的运用“海狼”舰载防空导弹NLAW反坦克导弹•（二）微机电陀螺是惯性稳定平台的重要部件•陀螺用于测量敏感平台相对于惯性空间的角速率，稳定平台根据陀螺测得的惯性角速率，输出一个反向作用力以抵消载体运动的影响，从而保持平台的姿态稳定。微机电陀螺在军事上的运用例如：美国BEI公司研制的固态石英音叉型振动陀螺QRS116已经应用到“捕食者”无人机的稳定平台中微机电陀螺在军事上的运用QRS116已经应用到“捕食者”无人机的稳定平台Honeywell公司研制的新型两轴微机械陀螺GG5200已替代传统的机械陀螺应用到Stryker装甲车的炮塔稳定平台中，三轴微机械陀螺GG5300则被应用于美国M1主战坦克的炮控稳定系统中微机电陀螺在军事上的运用GG5200应用于Stryker装甲车的炮塔稳定平台GG5300应用于美国M1主战坦克的炮控稳定系统中（三）微机电陀螺是载具姿态测量的重要器件目前国外的微机电陀螺已经广泛应用在航空载具上了，例如美国BEI公司的QRS116高性能微机电陀螺已经成功用于F-22战斗机上，用于姿态测量。AIS公司研制的SiRRS系列微机电陀螺已经应用于“阿帕奇”武装直升机和A400M运输机上微机电陀螺在军事上的运用微机电陀螺在军事上的运用QRS116用于F-22战斗机SiRRS应用于“阿帕奇”武装直升机SiRRS应用于A400M运输机•微机电陀螺仪起步于20世纪80年代后期，经过20多年的努力，微机电陀螺仪技术取得了长足的进步与发展。已开发研制出数十种微机电陀螺。微机电陀螺研究发展趋势振动式转子式介质类根据工作方式的不同，可分为•当前微机电陀螺的主流•硅微陀螺仪•优点：结构简单、制作容易•缺点：温度特性较差、结构与电路无法一体化制作、各种噪声及振动的非线性、加工工艺局限振动式微机电陀螺按驱动方式电容驱动电磁驱动电压驱动按检测方式电容检测电流检测频率检测电阻检测压电检测•改进方向：（1）改进结构和工艺（2）温度稳定性控制（3）虚拟陀螺仪技术振动式微机电陀螺JPL纯硅结构陀螺JPL混合结构陀螺•传统的转子陀螺与微机电系统技术相结合的产物转子式微机电陀螺微机电系统技术静电陀螺技术静电悬浮微陀螺微机电系统技术动力调谐陀螺技术调谐式微陀螺转子式微机电陀螺谐式微陀螺结构示意图转子体三环结构•声表面波陀螺通过检测声表面波则实现了角速率的测量•微流体陀螺结合MEMS技术与传统的压电射流角速率陀螺介质类微机电陀螺承受高过载响应速度快寿命长成本低特点目前国际上微机电陀螺技术已经发展较为成熟，多种微机电陀螺产品性能已经达到了战术级，并在各项领域得到了广泛应用，实验室研究水平也已经突破了惯导级。但是基于目前的工艺水平，微机电陀螺精度依旧有很大的发展潜力，我们可以通过对其进行误差特性分析、优化结构设计等方法提高其可用精度。结论