微机械陀螺简述,微惯性技术

ω
z
V
x
将地球建立直角
坐标系，并假设地球
北半球某处有一运动
的傅科摆，摆子切向
线速度为V，方向如
图，设地球自转角速
度为ω。
y
下面将利用柯氏
效应对这一现象进行
解释。
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
z
z
Vz
V
Vy y
V
Vx x
z
y
Vz
ac2
V
ac
ac1Vy y
Vx x x
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2.2 柯氏效应与柯氏力
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2.2 柯氏效应与柯氏力
仅受引力和吊线 张力作用而在惯性空 间固定平面内运动的 摆叫傅科摆。
根据柯氏效应原 理可以解释傅科摆运 动。
傅科摆模型
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2.2 柯氏效应与柯氏力
y ω
解释傅科 摆原理前 先看运动 一个二维 模型
ac
V
x
ac
V
可简单理解为小球运LOGO 动轨迹被柯氏力拉弯
2.2 柯氏效应与柯氏力
微机械陀螺简述
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Contents
微机械陀螺仪基本概念 微机械陀螺仪基本原理 微机械陀螺仪基本性能指标 微机械陀螺仪发展概述
微机械陀螺仪应用
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1、 微机械陀螺仪基本概念
基本概念及组成 微机械陀螺特点 微机械陀螺分类
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1.1 基本概念及组成
陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢 的传感器。微机械陀螺仪(MEMS gyroscope)主要有转子式、 振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。由于 工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易， 因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度 计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。
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
优点：
1. 体积小、重量轻、功耗低。
2. 成本低，加工工艺可保证大规模生产。
3. 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的 冲击。
下面将利用前面分析的柯氏加速度的方法解释一自 然现象——傅科摆。
ω
V
ac
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2.2 柯氏效应与柯氏力
▪ 傅科摆是法国物理学家傅 科 （ J.B.L.Foucault ） 1851 年 在 巴 黎 国 葬 院 的 圆拱屋顶上悬挂的一个摆 长 约 67 米 、 摆 锤 重 28 千 克的大单摆。随着每一次 摆动，地上巨大的沙盘便 留下摆锤运动的痕迹
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 表面微机械加工 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
目前，微机械陀螺基本都是振动式的，因此本文将着 重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框 架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成。
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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
柯氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动 相互耦合引起的加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速 度矢量和相对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进 行判断
ω
V
ac
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
ω
柯
氏
V
加
速
度
分
析
ΔVt
径
Vt1=V
Vt0=V
向 分
α=ωt
析
ΔVt=2Vsin(ωt/2)
at
lim
t 0
柯氏加速度只有当线速度与转速同时存在时才会出 现，因此为测量柯氏加速度需使加速度传感器跟随物体 旋转的同时运动起来。实现的最简单方法就是谐振，即 施加激励使加速度传感器做往复运动。
由于柯氏力正比于驱动谐振的运动频率，因此希望 谐振频率和振幅越大越好。
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2.2 柯氏效应与柯氏力
柯氏效应即coriolis效应，最早用来表述由于地球自 转引起的物体运动方向发生偏折的自然现象，如大气涡 旋方向，河流两岸冲刷程度不一等。在微机械陀螺基本 原理中本质相同，但旋转体不再是地球而是陀螺仪本身。
优点： 1. 体积小、重量轻、功耗低。 2. 成本低，加工工艺可保证大规模生产。 3. 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的
冲击。 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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1.2 微机械陀螺特点
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
初始速度和位置的 不同将会引起运动轨迹 的不同。
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、微机械陀螺基本原理
振动式微机械陀螺基本原理 柯氏加速度及柯氏力
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2.1 振动式微机械陀螺基本原理
微机械陀螺的基本原理式利用柯氏力进行能量的传 递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式， 后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通 过测量振幅实现对角速度的测量。
Vt0=V
向 分 Vr1=r1 ω
Vr0=r0 ω
向 分
速 度
α=ωt
析
α=ωt
析
分
析
由于对时间取极限t→0
两个加速度方向 相同
柯氏加速度： ac=at+ar=2Vω LOGO
2.2 柯氏效应与柯氏力
根据以上分析验证了“柯氏加速度的方向垂直于角 速度矢量和相对速度矢量”
同时发现：柯氏加速度正比于运动速度和旋转角 速度。 ac=2Vω
Vt t
lim
t 0
2V
sin
t
t
2
V
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
ω
柯
氏
V
加
速
度
分
析
ΔVr
切
向
Vr1=r1 ω
Vr0=r0 ω
分
α=ωt
析
ΔVr=Vr1-Vr2
ar
lim
t 0
Vr t
lim
t 0
r1
t
r0
V
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2.2 柯氏效应与柯氏力
ω
ω
柯
ΔVt
径
ΔVr
切
氏 加
Vt1=V