微惯性技术(第二讲)惯性元件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
惯性器件元件
1
主要内容
加速度计与微加速度计
陀螺仪与微陀螺仪 惯性测量组合与微型惯性测量组合
2
微加速度计
加速度计与微加速度计
概述 定义
工作原理
分类
信号检测
设计程序
3
加速度计概述
20世纪40年代初，德国人研制出了世界上 第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多 世纪以来，由于航空、航海和航天领域对 惯性测量元件的需求，各种新型加速度计 应运而生，其性能和精度也有了很大的完 善和提高。
另一类是将两只单自由度加速度计封装在一起
53
带折叠梁的叉指电容式微加速度传感器结构示意图
54
4.8 微型三轴加速度计
三轴电容式加速度计
0 A
d 0 d
d C Cs 2 Cs1 2C0 d0
F ma kd
2mC 0 C1 a k d0
27
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。
12
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
13
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
14
按控制方式来分：
有开环式和闭环式。
15
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
16
17
根据敏感轴数量
单轴、双轴、三轴
36
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
37
38
Au Au p++ epi Si SiO2 Nitride Ti-Pt-Au Si
39
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
A C ε z0
1 u F A 2 2 d
2
25
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 位臵，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
A C1 C 2 z0
26
图a
C s1
0 A
d 0 d
Cs 2
28
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
5
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
位臵不同所需的力来得出加速度值。
6
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
7
加速度计的种类很多，由发展时间的先后依次是: 三、四十年代的摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承 摆式加速度计，六十年代中期开始发展起来的液浮 摆式加速度计、挠性加速度计、压电加速度计、电 磁加速度计等，七十年代以后是静电加速度计、激 光加速度计，目前，除了上述各类加速度计不断改 进提高之外，其它基于新支承形式、新材料、新工 艺的加速度计正在迅速发展。
29
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
30
4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计
31
32
在没有加速度输入时
35
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。
11
（3）摆式积分陀螺加速度计(PIGA)
PIGA的基本工作原理就是应 用由陀螺运动产生的力矩来 平衡摆在加速度作用产生的 惯性力矩。 第一个PIGA是由德国研制的 并在第二次世界大战中用在 V2火箭上。后来根据这一原 理研制出了高精度加速度计 Honeywell和Litton两家制造 商目前正在生产PIGA，法国 和前苏联也生产了一些不同 类型的PIGA。 PIGA具有很高的精度，但也 非常昂贵。
4
加速度计的原理
加速度计是按照惯性原理相对惯性空间工作的。加速度(即速 度的变化率)本身很难直接测量，实际上现有的传统加速度计 都是借助敏感质量变成力进行间接测量的。 加速度计测量原理基于牛顿第二定律：作用于物体上的力等于 该物体的质量乘以加速度。换句话说，加速度作用在敏感质量 上形成惯性力，测量该惯性力，间接测量载体受到的加速度。 在惯性空间加速度计无法区分惯性力和万有引力．因此加速度 计的输出反映的是单位检测质量所受的惯性空间的合力，即惯 性力与万行引力之和。惯性技术领域将单位敏感质量所受的力 称为比力，加速度计的输出直接反映比力信息，因此加速度计 也称作比力传感器。
9
（1）液浮摆式加速度计
四十多年前，将液体悬浮 技术成功地应用于摆式加 速度计与单自由度速率积 分陀螺，是现代惯性导航 技术发展史上的一个重要 里程碑。六十年代，液浮 惯性元件已发展到成熟阶 段，各种类型的液浮摆式 加速度计大量应用于飞行 器的导航与制导系统中， 目前作为一种典型的加速 度计，它仍在不断发展和 广泛地应用。
特点
结构和读出电路简单 响应较慢
线性工作范围小
受温度影响大
加热电阻 a
＋V
Vo
－V
热敏电阻
气腔
48
工作原理
热对流加速度计包含一个密闭的腔体， 腔体中充有 流体，其中有一个加热元件把腔体中加热元件周围的 流体加热， 加热后的流体发生膨胀而密度下降，在 重力的作用下上升，周围相对冷的流体填补到空位臵 上，这样反复循环而造成热对流传导。 加热元件和两个敏感元件都是悬空的
温度系数较大
V0 C f q
Cf
a
m
压电材料
Vo
52
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；
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。
34
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。
46
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 2 t cos 2 f1 f 2 t cos 2 f1 f 2 t AB / 2
47
4.5 热对流式加速度计
C 0 Ct10 Ct 20 GS Gh1 4n1 d0 d0
加速度a作用时, 摆片将移动一个小位移
Gh1 C t1 4n1 d 0 d
Gh1 Ct 2 4n1 d 0 d
2d C Ct1 Ct 2 C 0 d0
33
4.Baidu Nhomakorabea.3 用于微弱差动电容的检测方法
电压反馈
电压放大 40
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
41
工作原理
1 1 f1 ' f1 (1 F1 S1 ) f1 1 F1 S1 ( F1 S1 ) 2 8 2
1 1 f 2 ' f 2 (1 F2 S 2 ) f 2 1 F2 S 2 ( F2 S 2 ) 2 8 2
零点温度补偿
22
u (1 R4 / R1 )[ R3 /(R2 R3 )]U 1 ( R4 / R1 )U 0
漂移电压源灵敏度温度补偿
23
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
24
电容式传感器需掌握的几个公式
10
（2）挠性加速度计
虽然液浮摆式加速度计已经发展 得相当成熟，但是随着发展低成 本惯导系统的要求，在六十年代 中期出现了非液浮的所谓干式加 速度计。由于这种仪表采用挠性 支承技术，结构与工艺大大简化， 至今在精度及可靠性方面，己完 全达到了现代惯导系统中应用的 要求。 挠性加速度计也是一种摆式加速 度计，它与液浮加速度计的主要 区别在于它的摆组件不是悬浮在 液体中，而是弹性地联接在某种 类型的挠性支承上。因而，消除 了类似宝石轴承和轴尖间的摩擦， 从而使仪表获得优良的动态性能。
49
检测电路
50
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。
51
特点
结构简单 无法测直流（常加速度）
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
44
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。
45
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。
（2）谐振梁本身的特性有关。相应地增大两个谐 振梁刚度，提高谐振梁的固有频率，也可提高传 感器的分辨率，但梁刚度则又影响到了加速度作 用时梁的变形量，所以必须综合考虑梁的刚度影 响。
43
电路设计及计算机仿真
该电路主要包括三个部分：一是谐振驱 动电路，二是频率检测电路，第三部分 为差频电路
幅值整形电路
1 1 f 2 ' f1 ' ( f 2 f1 ) ( f 2 F2 S 2 f1 F1 S1 ) [ f 2 ( F2 S 2 ) 2 f1 ( F1 S1 ) 2 ] 2 8
42
1 2
1 2
加速度传感器的分辨率跟下列因素有关：
（1）加速度计的加工工艺。 工艺精度越高，加工 出两个谐振梁的特性可以更加接近，固有频率近 似相等，即可以大大地提高传感器输出信号的分 辨率。
18
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
19
1.1 压阻式加速度计
特点
读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大
温度系数大
＋V
a
m
－V
Vo
压敏电阻
20
典型压阻式微加速度计结构图
21
压阻式微加速度传感器温度补偿电路设计
8
加速度计分类 按惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加速度计和摆 式加速度计； 按支撑方式分类，可分为宝石轴承支承加速度计、液体悬 浮支承加速度计、气体悬浮支承加速度计、挠性支撑加速 度计、磁悬浮支承加速度计和静电支撑陀螺加速度计等； 按有无反馈信号分类，可分为开环加速度计和闭环加速度 计； 按加矩方式分类，可分为模拟加矩式加速度计和脉冲加距 式加速度计； 按敏感信号方式分类，可分为电容式加速度计、半导体压 阻式加速度计、电感式加速度计、压电式加速度计； 按工作原理分类，可分为振弦式加速度计、摆式陀螺加速 度计等。
1
主要内容
加速度计与微加速度计
陀螺仪与微陀螺仪 惯性测量组合与微型惯性测量组合
2
微加速度计
加速度计与微加速度计
概述 定义
工作原理
分类
信号检测
设计程序
3
加速度计概述
20世纪40年代初，德国人研制出了世界上 第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多 世纪以来，由于航空、航海和航天领域对 惯性测量元件的需求，各种新型加速度计 应运而生，其性能和精度也有了很大的完 善和提高。
另一类是将两只单自由度加速度计封装在一起
53
带折叠梁的叉指电容式微加速度传感器结构示意图
54
4.8 微型三轴加速度计
三轴电容式加速度计
0 A
d 0 d
d C Cs 2 Cs1 2C0 d0
F ma kd
2mC 0 C1 a k d0
27
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。
12
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
13
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
14
按控制方式来分：
有开环式和闭环式。
15
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
16
17
根据敏感轴数量
单轴、双轴、三轴
36
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
37
38
Au Au p++ epi Si SiO2 Nitride Ti-Pt-Au Si
39
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
A C ε z0
1 u F A 2 2 d
2
25
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 位臵，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
A C1 C 2 z0
26
图a
C s1
0 A
d 0 d
Cs 2
28
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
5
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
位臵不同所需的力来得出加速度值。
6
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
7
加速度计的种类很多，由发展时间的先后依次是: 三、四十年代的摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承 摆式加速度计，六十年代中期开始发展起来的液浮 摆式加速度计、挠性加速度计、压电加速度计、电 磁加速度计等，七十年代以后是静电加速度计、激 光加速度计，目前，除了上述各类加速度计不断改 进提高之外，其它基于新支承形式、新材料、新工 艺的加速度计正在迅速发展。
29
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
30
4.2.3 梳齿式电容微机械加速度计
31
32
在没有加速度输入时
35
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。
11
（3）摆式积分陀螺加速度计(PIGA)
PIGA的基本工作原理就是应 用由陀螺运动产生的力矩来 平衡摆在加速度作用产生的 惯性力矩。 第一个PIGA是由德国研制的 并在第二次世界大战中用在 V2火箭上。后来根据这一原 理研制出了高精度加速度计 Honeywell和Litton两家制造 商目前正在生产PIGA，法国 和前苏联也生产了一些不同 类型的PIGA。 PIGA具有很高的精度，但也 非常昂贵。
4
加速度计的原理
加速度计是按照惯性原理相对惯性空间工作的。加速度(即速 度的变化率)本身很难直接测量，实际上现有的传统加速度计 都是借助敏感质量变成力进行间接测量的。 加速度计测量原理基于牛顿第二定律：作用于物体上的力等于 该物体的质量乘以加速度。换句话说，加速度作用在敏感质量 上形成惯性力，测量该惯性力，间接测量载体受到的加速度。 在惯性空间加速度计无法区分惯性力和万有引力．因此加速度 计的输出反映的是单位检测质量所受的惯性空间的合力，即惯 性力与万行引力之和。惯性技术领域将单位敏感质量所受的力 称为比力，加速度计的输出直接反映比力信息，因此加速度计 也称作比力传感器。
9
（1）液浮摆式加速度计
四十多年前，将液体悬浮 技术成功地应用于摆式加 速度计与单自由度速率积 分陀螺，是现代惯性导航 技术发展史上的一个重要 里程碑。六十年代，液浮 惯性元件已发展到成熟阶 段，各种类型的液浮摆式 加速度计大量应用于飞行 器的导航与制导系统中， 目前作为一种典型的加速 度计，它仍在不断发展和 广泛地应用。
特点
结构和读出电路简单 响应较慢
线性工作范围小
受温度影响大
加热电阻 a
＋V
Vo
－V
热敏电阻
气腔
48
工作原理
热对流加速度计包含一个密闭的腔体， 腔体中充有 流体，其中有一个加热元件把腔体中加热元件周围的 流体加热， 加热后的流体发生膨胀而密度下降，在 重力的作用下上升，周围相对冷的流体填补到空位臵 上，这样反复循环而造成热对流传导。 加热元件和两个敏感元件都是悬空的
温度系数较大
V0 C f q
Cf
a
m
压电材料
Vo
52
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；
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。
34
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。
46
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 2 t cos 2 f1 f 2 t cos 2 f1 f 2 t AB / 2
47
4.5 热对流式加速度计
C 0 Ct10 Ct 20 GS Gh1 4n1 d0 d0
加速度a作用时, 摆片将移动一个小位移
Gh1 C t1 4n1 d 0 d
Gh1 Ct 2 4n1 d 0 d
2d C Ct1 Ct 2 C 0 d0
33
4.Baidu Nhomakorabea.3 用于微弱差动电容的检测方法
电压反馈
电压放大 40
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
41
工作原理
1 1 f1 ' f1 (1 F1 S1 ) f1 1 F1 S1 ( F1 S1 ) 2 8 2
1 1 f 2 ' f 2 (1 F2 S 2 ) f 2 1 F2 S 2 ( F2 S 2 ) 2 8 2
零点温度补偿
22
u (1 R4 / R1 )[ R3 /(R2 R3 )]U 1 ( R4 / R1 )U 0
漂移电压源灵敏度温度补偿
23
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
24
电容式传感器需掌握的几个公式
10
（2）挠性加速度计
虽然液浮摆式加速度计已经发展 得相当成熟，但是随着发展低成 本惯导系统的要求，在六十年代 中期出现了非液浮的所谓干式加 速度计。由于这种仪表采用挠性 支承技术，结构与工艺大大简化， 至今在精度及可靠性方面，己完 全达到了现代惯导系统中应用的 要求。 挠性加速度计也是一种摆式加速 度计，它与液浮加速度计的主要 区别在于它的摆组件不是悬浮在 液体中，而是弹性地联接在某种 类型的挠性支承上。因而，消除 了类似宝石轴承和轴尖间的摩擦， 从而使仪表获得优良的动态性能。
49
检测电路
50
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。
51
特点
结构简单 无法测直流（常加速度）
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
44
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。
45
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。
（2）谐振梁本身的特性有关。相应地增大两个谐 振梁刚度，提高谐振梁的固有频率，也可提高传 感器的分辨率，但梁刚度则又影响到了加速度作 用时梁的变形量，所以必须综合考虑梁的刚度影 响。
43
电路设计及计算机仿真
该电路主要包括三个部分：一是谐振驱 动电路，二是频率检测电路，第三部分 为差频电路
幅值整形电路
1 1 f 2 ' f1 ' ( f 2 f1 ) ( f 2 F2 S 2 f1 F1 S1 ) [ f 2 ( F2 S 2 ) 2 f1 ( F1 S1 ) 2 ] 2 8
42
1 2
1 2
加速度传感器的分辨率跟下列因素有关：
（1）加速度计的加工工艺。 工艺精度越高，加工 出两个谐振梁的特性可以更加接近，固有频率近 似相等，即可以大大地提高传感器输出信号的分 辨率。
18
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
19
1.1 压阻式加速度计
特点
读出电路非常简单 压敏电阻制作难度大
温度系数大
＋V
a
m
－V
Vo
压敏电阻
20
典型压阻式微加速度计结构图
21
压阻式微加速度传感器温度补偿电路设计
8
加速度计分类 按惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加速度计和摆 式加速度计； 按支撑方式分类，可分为宝石轴承支承加速度计、液体悬 浮支承加速度计、气体悬浮支承加速度计、挠性支撑加速 度计、磁悬浮支承加速度计和静电支撑陀螺加速度计等； 按有无反馈信号分类，可分为开环加速度计和闭环加速度 计； 按加矩方式分类，可分为模拟加矩式加速度计和脉冲加距 式加速度计； 按敏感信号方式分类，可分为电容式加速度计、半导体压 阻式加速度计、电感式加速度计、压电式加速度计； 按工作原理分类，可分为振弦式加速度计、摆式陀螺加速 度计等。