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浅淡陀螺仪传感器工作原理及应用

文章来源:www.kindele.com  发布时间:2021/07/16    点击数:

陀螺仪,简称陀螺,是用来测量、控制物体相对惯性空间角运动的惯性器件。陀螺仪传感器技术自问世以来,发展至今已有160余年历史,在导航、制导与控制等领域得到了广泛应用。随着科学理论的进步和工艺水平的不断提高,基于不同原理的陀螺仪相继出现,各国对陀螺仪精度、稳定性、可靠性、成本、体积等性能指标的不懈追求,极大地促进了陀螺仪技术的发展。

陀螺仪按照工作原理可划分为:基于旋转质量陀螺效应的转子陀螺仪;基于萨奈克效应的光学陀螺仪;基于哥氏效应的振动陀螺仪;基于现代量子力学技术的原子陀螺仪。

一、转子陀螺仪

液浮陀螺仪经过几十年的发展,技术上已相对成熟,目前主要作为敏感传感器应用到武器系统上,以实现随动跟踪与制导,但在降低温控装置功耗和噪声等方面,仍有提升空间。动力调谐陀螺仪,在20世纪70年代到20世纪90年代被广泛应用,但随着光学陀螺仪技术的出现和发展,其各方面性能指标均不占优势,在各领域逐渐被光学陀螺仪所取代,目前国内外已基本停止了对动力调谐陀螺仪的研究。静电陀螺仪仍是目前实际应用中,精度最高的陀螺仪,但由于其工艺复杂、成本昂贵、抗干扰能力差等缺陷,如今仅在高精度惯性导航系统中继续应用,受关注度较低,各国正努力寻求其替代品,未来进一步发展的空间相对受限。

 

二、光学陀螺仪

光学陀螺仪因其精度高、稳定性高、体积小、抗干扰能力强等优势,是目前捷联式惯性导航系统中使用的主流产品,在市场中仍占据着主导地位。激光陀螺仪近年来不断朝着高精度、小型化、低成本的方向快速发展,但如何更有效地减小闭锁效应,更好地提升激光陀螺仪的精度仍是亟待突破的难题。光纤陀螺仪虽然晚于激光陀螺仪出现,但发展势头迅猛,美国、法国、俄罗斯和日本等发达国家,研制的新产品不断涌现,满足了不同领域的实际应用需求,下阶段,融合多种技术,从精度、稳定性、体积和成本等方面提高光纤陀螺仪的整体性能,并采用有效手段克服外界环境的影响,将是光纤陀螺仪的重点研究方向。

 

三、 振动陀螺仪

MEMS陀螺仪因其体积小、成本低、易批量生产等优势,现阶段已基本占据低精度市场,随着工艺水平、计算机技术和数据算法的不断发展,其精度性能有望实现质的突破,进入惯性级陀螺仪应用领域。半球谐振陀螺仪较好地满足理想惯性传感器的性能指标,在成功应用到空间领域的基础上,向航海领域的推广已成为必然趋势,例如,法国已将半球谐振陀螺仪作为新一代海洋导航定位系统的主要惯性导航设备,赛峰电子与防务公司基于HRG Crystal技术研发的布卢·瑙特(BlueNaute)系列惯性导航系统,已开始应用到工程船舶、科考船和海警船等载体上[20];另外,结合新型制作工艺,大力开发基于MEMS技术的微半球谐振陀螺仪(micro-HRG, MHRG)也是未来的热点研究方向。

 

四、原子陀螺仪

由于各国的高度关注,原子陀螺仪技术不断取得突破性进展,已开始逐渐从实验室步入工程化并最终通往产业化。核磁共振陀螺仪具有体积小、功耗低、抗干扰能力强等显著特点,与MEMS工艺技术相结合,有望实现芯片型惯性级陀螺仪,并以捷联式方案应用到微小型战术导弹、微小卫星、小型飞行器和自主式水下航行器等装备上。原子干涉陀螺仪具有超髙的理论精度,特别适合作为高精度平台式惯性导航系统的传感器,应用到战略武器装备上,但目前来看,原子干涉陀螺仪距离最终产业化应用仍面临许多技术困难,需要做好中长期的规划部署。

 

各种陀螺仪的应用:

陀螺仪发明后首先应用在飞机上,后来又被用在导弹上,采用陀螺仪确定方向和角度,就可计算出飞行路线,从而进行姿态控制。

手机陀螺仪就是把机械陀螺仪缩小了装在手机主板上的,其实我也是这么想的,但永远不要低估科技的力量,现在都发展到有激光陀螺仪,光纤陀螺仪,以及微机电陀螺仪,虽然还叫陀螺仪,但其原理跟机械陀螺仪完全不一样,

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度,在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。主要用于航空,航天,国防等高端领域。

光纤陀螺仪的原理是利用光程的变化检测出两条光路的相位差,就可以测出光路旋转角速度,主要用于航空,航海,航天和国防工业和农业领域。

微机电陀螺仪MEMS一般会用在手机等电子产品上,通常有两个方向的可移动电容板,径向的电容板加震荡电压迫使物体做径向运动,横向的电容板测量由于横向运动带来的电容变化,所以由电容的变化可以计算出角速度。

所以,陀螺仪不仅仅是用在手机里那么简单,大到航海,航空和航天,导弹、卫星运载器,国防等领域,并且地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探都离不开它。在生活中汽车导行,手机,环境监控等领域都需要陀螺仪的参与。

陀螺仪作为惯性技术体系的重要一环,是惯性导航系统中的核心传感器,其技术的更迭前进与惯性技术的发展需求密不可分。转子陀螺仪拉开了陀螺仪工程化应用的序幕;光学陀螺仪具有里程碑的意义,在捷联式惯性导航系统中的成功应用,大幅改善了陀螺仪精度与稳定性、体积之间的矛盾;振动陀螺仪和原子陀螺仪等新型陀螺仪,在现阶段展示出了巨大潜力,正处于高速发展状态。陀螺仪技术对国家综合定位、导航、授时体系的建设有着重要意义,未来将不断向着高精度、高可靠性和小型化、低成本两大方向迈进,对陀螺仪技术的持续探索研究,仍将是国内外广大科技工作者密切关注的焦点。

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