惯性器件

一、

1、发展现状：

当前我国已经能够生产常规惯导产品，并且具有初步的激光和光纤陀螺生产能力。在卫星、运载火箭、飞机、舰艇上均已装备不同型号的具有自主知识产权的惯导设备，但在部分高端应用中仍对进口技术有所依赖。在战略、导航级领域，传统机电仪器仍占据较大比例，激光陀螺应用增加，不久将占据主导地位。光纤陀螺将出现实用产品。

目前具有广泛应用或已具备技术成熟技术的陀螺元件液浮陀螺仪包括机械陀螺，液浮陀螺、挠性陀螺、动力调谐陀螺等机电陀螺；激光陀螺、光纤陀螺等光学陀螺以及微机械陀螺仪等。通常机电陀螺普遍具有精度高的优点，但结构复杂，加工成本较高。光学陀螺和微机械陀螺具有成本低廉、抗冲击性好，可靠性高等优点，在问世之初精度尚不及高精度的机电陀螺，但随着制造材料和加工工艺的进步，其精度在不断改善。

2、未来发展趋势：

1、材料和工艺：生产厂商采用低劳动密集型生产模式和批量处理技术，采用新器件、新材料向来是提高惯性仪表和系统性能的重要手段

2、成本：包括产品自身成本和操作维护费用。由于大规模的批量生产，惯性传感器成本在大幅下降。

3、体积：惯性测量传感器在不断向轻量化、小型化、微型化方向发展。

4、应用中，微机械陀螺和光纤陀螺将逐步取代传统机电陀螺成为主流产品。同时，以纳机电线性加速度计、超流体量子陀螺仪、原子干涉惯性传感器等为代表的新一代型惯性传感器将得到长足进步，美国的研究机构计划在未来数年内生产出具有实践价值的新型惯性导航元件产品。

5、平台式惯性系统需充分利用最新控制理论和控制技术来进一步改善其稳定回路的性能；捷联式系统将越来越多的采用数字化固态惯性仪表和系统集成一体化、先进数据滤波等技术，使其综合性能不断提高。未来发展中，在特定领域，平台惯导系统技术仍将保留一定市场，但总的趋势上，惯性系统将逐步从平台技术转向捷联技术；

二、

1、主要特点：光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

2、基本工作原理：光纤陀螺本质上就是一个环形干涉仪，采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。

3、误差来源：由于环境及光纤陀螺本身的各种噪声源，光纤陀螺输出信号中存在着各种随机误差项。在实际系统中，萨格纳克效应非常微弱，构成光纤陀螺的每个元件都

可能是噪声源，而且存在各种各样的寄生效应

4、补偿方法：静态标定误差补偿，动态误差补偿光源性能的好坏直接影响到后续光

学器件的性能，

对于干涉型的光纤陀螺而言，应用宽光谱光源，可以得到很好的零位路径差(null path difference)干涉对比。

通过优选调制频率可减少l/f噪声分量，用电子学方法可减少放大器噪声，而散粒噪声只能通过选择尽可能大的光源功率和低损耗的光纤通路来增强光信号，提高信噪比。提高器件性能和光路组装的工艺水平，以获得高性能的器件和光路。

速率实验，多位置实验。

信号的正态性和平稳性检验，建立随机误差系统方程，再验证。

三、

1、主要特点：

?激光陀螺既是速率陀螺, 又是位置陀螺, 使用灵活, 应用范围广。

?输入信号数字化, 与计算机结合方便。

?无高速转动部件, 可直接附着于运动载体上。

?对于同样的精度和性能要求, 激光陀螺的成本比机电陀螺低得多。

?不需恒温, 激光陀螺的腔长控制系统能确保它在环境温度大范围变化的状态下正常运转, 这是其它种类的陀螺无法比拟的。

?启动迅速, 没有马达的启动和稳定问题, 所以激光陀螺启动后立即开始运转。

2、误差补偿方法：

1）随机零漂。补偿方法：采取稳频、稳流、抑制多模和磁屏蔽等措施后, 可使其恒定或达到较好的逐日开机重复性, 从而利用计算机从外部进行补偿。

2）光束“自锁”问题补偿方法：需要一个极为稳定和低噪音的偏频机构,除了尽力降低环路多层介质膜的非均匀性及减小陀螺输出死区外,在设计中通常是提供一个被控制的旋转输入,它使得动态旋转范围偏离闭锁区。偏置方法有以下几种:机械抖颇偏频法、光学磁镜偏频法、差动激光陀螺系统

3、应用领域：

应用领域：应用于人体医学、城建监控、环境监测、航天航海、机器人工业、白控汽车、深钻、发动机及军事方面。

四、

基本原理：

发展应用趋势：

作为一项前沿的量子传感技术，原子干涉陀螺仪已经顺利迈过了原理验证阶段，正在向实用化方向发展，并呈现出以下趋势：

⑴小型化

热原子原子干涉陀螺仪（AIG，Atomic Interferometer Gyroscope）具有极高的测量精度，但其体积过于庞大，不便于携带，更不利于利用。引入冷原子有利于缓解其体积过大的问题，近年原子芯片技术的引入能进一步缓解该问题，但其小型化的问题尚未得到解决，亟待原子干涉技术的进一步发展，使AIG能满足实用的基本要求。

⑵多轴化

AIG由最早的测量单轴旋转角速率的陀螺仪，逐渐发展成能测量三个正交方向旋转角速率的陀螺仪，但同时性方面还存在明显不足，因此，该陀螺仪在多轴化的方向上还存在进一步发展的潜力。

⑶高集成度

AIG是基于原子干涉仪进行旋转角速率测量的一种原子传感器。原子干涉仪不仅仅能测量角速率，还能测量线加速度和重力加速度等量，原子干涉仪具有集成多功能的能力，例如美国洛克希德﹒马丁公司提出的原子干涉传感器的性能集成了：陀螺仪、加速度计、重力梯度仪和时钟这四种装置的功能。

五、

(1)振动式微机械陀螺仪：

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。多采用平面电极或是梳状电极静电驱动，并采用平板电容器进行检测。

六、

谐振式微机械加速度计基本工作原理：

由质量块、谐振梁、激振单元、拾振单元组成，质量块将水平方向的加速度转化为惯性力作用于谐振梁的轴向，引起谐振梁的谐振频率变化，由测得的谐振频率推算出被测加速度。

七、

微机械陀螺仪性能特点：MEMS陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出（零位输出）、灵敏度（Sensitivity）和测量范围。这些参数是评判MEMS陀螺仪性能好坏的重要标志，同时也决定陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能检测的最小角速度，该参数与零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定。这三个参数主要说明了该陀螺仪的内部性能和抗干扰能力。对使用者而言，灵敏度更具有实际的选择意义。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大角速度。不同的应用场合对陀螺仪的各种性能指标有不同的要求。

微机械陀螺仪应用领域举例：微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状态以阻止车祸的发生。比如在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度就知道方向盘打得过多还是不够，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。现在这种系统主要安装于高端汽车上。目前在汽车MEMS市场，压力计和加速度计还是占较大份额，但是随着对汽车安全性能要求越来越高，尤其是在北美和欧洲稳定性主控系统的安装率节节攀升，陀螺仪的市场增长率明显比前两类要快，在2011年预期达到10%。

微机械陀螺和加速度计性能特点：

（1）具有微传感器普遍的小型化、集成化特点。

（2）具有较好的传感器性能。微加速度计可在信号传输前放大信号，从而减小干扰和传输噪音，提高信噪比；可在芯片上集成反馈电路和补偿电路，改善输出的线性度和频响误差；（3）具有阵列性。可以在一块芯片上集成多个敏感元件；

（4）具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装；

（5）因其利用成熟的硅微半导体工艺加工制造，可以批量生产，成本低廉。

应用领域举例：

机械特性检测、土木结构状态监测、汽车、机器人、自动化、地震记录、结构主动控制、卫星导航、武器制导。

八、

主要性能指标及其意义：

(1)刻度因子（线性度）：是指陀螺输出与输入角速率的比值

(2)阈值与分辨率：陀螺的阈值表示陀螺能敏感的最小输入角速率，分辨率表示在规定的输

入角速率下能敏感的最小输入角速率增量。这2个量均表征陀螺的灵敏度。

（3）测量范围与满量程输出：陀螺正、反方向输入角速率的最大值表示了陀螺的测量范围．该最大值除以阈值即为陀螺的动态范围，该值越大表示陀螺敏感速率的能力越强．对于同时提供模拟信号和数字信号输出的陀螺，满刻度输出可以分别用电压和数据位数来描述．

（4）零偏与零偏稳定性

零偏是指陀螺在零输入状态下的输出，其用较长时间输出的均值等效折算为输入角速率来表示．在零输入状态下的长时间稳态；

输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将围绕均值

(零偏)起伏和波动，习惯上用均方差来表示．这种均方差被定义为零偏稳定性．

（5）输出噪声：

当陀螺处于零输入状态时，陀螺的输出信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。其慢变随机函数可用来确定零偏或零偏稳定性指标。白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价旋转角速率豹标准偏差，随机游走系数是指由白噪声产生的随时间累积的陀螺输出误差系数

(6)带宽

带宽是指陀螺能够精确测量输入角速度的频率范围．

另一版本：

1. 标度因数K(scale factor)

陀螺仪输出量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。它是用某一特定直线的斜率表示，该直线是根据整个输入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。由于不同的检测系统有不同的输入输出方式，很难有统一的标度因数的表达式。标度因数的稳定性及线性度直接影响测量值的精确性。

2. 标度因数非线性度Kn(scale factor nonlinearity)

在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差与最大输出量之比。

3. 标度因数重复性Kr(scale factor repeatability)

在同样条件下及规定间隔时间内，重复测量陀螺仪标度因数之间的一致程度。以各次测试所得标度因数的标准偏差与其平均值之比表示。

4. 零偏B。(bias)

当输入角速度为零时，陀螺仪的输出量。以规定时间内测得的输出量平均值相应的等效输入角速率表示。

5. 零偏稳定性Bs(bias stability)

当输入角速率为零时，衡量陀螺仪输出量围绕其均值的离散程度。以规定时间内输出量的标准偏差的等效输入角速率表示，也可称为零漂。

6. 零偏重复性Br(bias)

在同样条件下及规定间隔时问内，重复测量陀螺零偏之间的一致程度。以各次测试所得零偏的标准偏差表示。

7. 随机游走系数RWC(random walk coefficient)

由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系数。单位为o /h1/2。随机游走的主要误差源是光源输出功率振荡、探测器及信号处理电路的噪声引起的相对亮度噪声，散粒噪声、探测器、放大器及电路噪声，D／A噪声等。

．

九、

1. 惯性器件常用的误差模型及意义：

静态误差模型：在线运动条件下，惯性器件误差的数学表达式称为静态误差模型。它确定了惯性器件误差与比力之间的函数关系。静态误差模型一般为三元多项式形式。

动态误差模型：在角运动条件下，惯性器件误差的数学表达式称为动态误差模型。它确定了惯性器件误差与角速度、角加速度之间的函数关系。静态误差模型一般也为三元多项式形式。随机误差模型：引起惯性器件误差的诸多因素是带有随机性的。应用数理统计与模型辨识理论所建立的描述惯性器件随机误差的数学表达式称为随计误差模型。

十、

陀螺漂移随机过程可以用下列统计函数来描述：

概率分布函数或概率密度函数：

提供随机过程各种取值的概率特性，可以给陀螺随机漂移以完整的描述。

均值函数和方差函数：

提供随机过程幅值方面的基本信息，从幅域来描述陀螺随机漂移的统计特性。

自相关函数和自协方差函数：

反映随机过程两个不同时刻之间的相关程度，从时域来描述陀螺随机漂移统计特性。

自功率谱密度函数：

反映随机过程的平均功率按频率分布的密度，从频域来描述陀螺随机漂移统计特性。