微機械陀螺儀的新進展及發展趨勢

江文清　夏志平

【摘 要】陀螺儀主要用來測量旋轉角度或者是速度，其應用范圍十分廣泛，包括了導航，剎車調節控制等。微機械陀螺儀又可以進一步細分為加速式，振動式與轉子式。本文就微機械陀螺儀的新進展及發展趨勢作簡要闡述。

【關鍵詞】微機械陀螺儀；新進展；發展趨勢

相比于傳統陀螺儀，微機械陀螺儀的特點體現在體積小而成本低，能夠批量生產，應用領域擴大不會受到限制。陀螺儀與微電子機械技術結合從而產生了新一代的微機陀螺儀，并且以其自身優點而廣泛應用。

1 微機械陀螺儀

振動式微機械陀螺儀利用多晶或者是單晶硅制成振動質量，受到基于帶動旋轉，通常應用的是平面電極或者是梳狀電極靜電驅動，檢測工作主要由平板電容器完成。轉子式微機陀螺儀主要是利用多晶硅制作，應用了靜電懸浮，角速度測量利用的是力短再平衡回路。微機械加速陀螺儀利用了參數相匹配的加速器，通過反向高頻抖動從而構成多功能慣性傳感器，能夠對角速度與加速度進行測量。

2 微機械陀螺儀發展

陀螺儀作為慣性敏感器，同時也是INS基礎核心器件，前者性能一定程度上取決于后者性能。依據相研究資料，慣性陀螺儀依據結構可以將其分為三個類別，機械陀螺儀，微機械陀螺儀，光學陀螺儀。機械陀螺儀主要指利用高速轉子軸穩定性對載體角傳感器進行測量。在多種陀螺儀中，技術較為成熟的轉子陀螺儀主要有靜電陀螺儀，動力調諧陀螺，機械陀螺，液浮陀螺等。精度方面能夠有效滿足工作需要。我國首先研制的是靜電陀螺，定位是高精度船用，后經試驗證明精度能夠有效滿足要求。

后期隨著光電技術發展與應用，光纖陀螺與激光陀螺逐漸得到了應用，相比于激光陀螺而言，光纖陀螺的成本更低，對于批量生產更加有利。在光纖陀螺研究工作方面我國起步較晚，但是取得了不錯的成果，在精度方面能夠滿足大部分情況下工作開展需要。微機械陀螺發展主要利益于微機械加工技術與電子技術發展，我國對微機械陀螺的研究開始于80年代末期，經過長期研究發展，產品已經能夠滿足軍民兩用。技術在發展的同時，光纖成本由于其成本較低，精度較高，因此能夠在未來獲得良好發展。

激光在60年首次出現，之后相關國家開始研究其應用于方位側向，并將其稱之為激光陀螺儀。此種設備工作原理是利用光程差對旋轉角速度進行測量，閉合光路，由同一光源發生兩束光，分別沿順、逆時針方向，通過對相位差或者是干涉條紋變化進行檢查從而得到旋轉角速度。美國企業首先制作出了激光陀螺儀試驗裝置，后期研究與試驗工作中，研究人員利用石英作為腔體，從而使技術應用成為了可能。之后美國空軍與海軍制定了相關研究計劃，并且試驗成功。光纖陀螺儀首先在美國制造出試驗裝置，光纖傳感與通信技術培訓的應用，光纖陀螺儀發展取得了更大的進步，并且在一定程度上能夠取代傳統的機械陀螺儀。

3 微機械陀螺儀參數與應用

微機械陀螺涉及到的參數內容包括了零偏飄移，分辨率，角隨機游走，標度因子，測量范圍等。參數同時也決定了其應用的范圍，微機械陀螺儀依據其性能指標可以分為低精度，中精度，高精度，不同性能指標的微機械陀螺儀應用行不同的環境條件，并且其發揮的作用是不同的。低精度與中精度的微機械陀螺儀用于對相對較短時間的角速度測量，而限制其發展的主要因素則是角隨機游走。低精度的微機械陀螺儀主要應用電子，機器人，汽車導航等，上述場合對精度的要求比較低。而中精度的微機械陀螺儀則應用于飛機，高精度微機械陀螺儀主要應用于航天與空間定位等。微機械陀螺儀應用的領域十分廣泛，比如手機，平板電腦，數碼相機，音樂播放順，游戲控制器，智能玩具等電子領域。車輛防滑驅動控制，氣囊系統與底盤控制等也有廣泛應用。而在軍事中的應用則主要是高精度的微機械陀螺儀，主要取決于其具體的用途，武器裝備向著精準打擊方向發展，因此就需要高精度微機械陀螺儀為其提供應有的保障。而應用于軍事方面其自身特點體現在功耗低，小體積，成本低，具體應用包括了機器人，戰術導彈，無人機等。

4 微機械陀螺儀的不同類型

應用于實際工作并且發展較快的微機械陀螺儀是硅基微機械陀螺儀，其應用范圍汽車工業領域擴展到個人導航等方面。此類型微機械陀螺儀優點體現在質量輕與體積小，而功耗低，能夠較好的滿足手持設備要求，并且隨著相關技術的發展，其精度大幅度提升，已經進入了高精度范圍。從結構框架方面來細分，此類型微機械陀螺儀又可以將其分為，框架式，耦合式，振動式，解耦式，多軸或者單軸陀螺，多自由度或者是雙自由度陀螺等。

就解耦式陀螺儀而言，影響其性能正常發揮的因素主要是正交誤差信號的存在，主要影響內容是溫度偏移。而解決此問題則需要通過正交解耦技術，從而消弱誤差信號對功能正常發揮的影響。環形陀螺儀具有分辨率高，長期穩定，匹配模式優良等特性。單純只考慮最大增益等因素，傳統設計工作都使陀螺工作時保持在最高諧振頻率，而達成此目的則需要通過驅動諧振與敏感驅動頻率。但是系統對影響諧振頻率發生變化的因素十分敏感，高增益情況下，帶寬就會很窄。除此之外阻尼也會對其產生一定影響。

微機械振動陀螺儀依據材料可以將其分為壓力陶瓷、固態聲學、石英微機械陀螺。壓力陶瓷微機械振動儀相比于傳統振動儀，利用自身材料構成振子從而完成，因此其魯棒性能優良，能夠更好的抵抗外力沖擊力與震動對性能造成的影響，檢測范圍也更加的寬泛，能夠在大氣環境下工作并且不需要真空封裝。

固態聲學陀螺指的是陀螺結構中沒有角速敏感裝置以及彈性支撐結構，具備良好的抗沖擊能力，同時對于真空封裝也沒有特別的要求。石英微機械陀螺屬于振動陀螺的范疇，其工作原理是哥式加速效應。基體材料主要是石英，通過驅動與檢測電極實現驅動模態與狀態信號敏感。此類型陀螺儀應用了一體化加工，優點體現在體積小，精度高，可靠性高，環境適應性良好等方面，應用領域十分廣泛。

5 制約微機械陀螺儀發展的因素

制約因素首先需要考慮到漂移誤差，硅微陀螺在性能方面還有待提升，而性能提升的關鍵就在于使其存在的漂移誤差降低，尤其是隨機漂移誤差。由于技術與理論不完善，相比于傳統慣性器件，微機械陀螺儀的精度大約會降低一到三個數量級，而漂移又是其主要的誤差源，微機械陀螺儀漂移通常可以分為正常值漂移，速率隨機游走，速率斜坡，角度隨游走等，量化噪聲等。從宏觀方面來區分，雙可以將其為分為隨機部分與確定部分，后者再進一步細分又可以將其分為斜坡分量與常值漂移。而此部分是有規律可循的，如果補償得以完善，有規律可循部分不會影響到陀螺儀精度。確定部分消除后剩余的是隨機部分，被認為是噪音，對于噪音而言，實時補償是無能為力的。漂移數據處理通常應用的是時間序列法建模，并利用算法使隨機噪聲產生的影響減小。因此在實際工作過程中，盡可能標定其確定部分，而使隨機部分減少。

精度方面存在的問題是陀螺儀結構設計會影響到靈敏度，而應用于實際工作中，系統成本與精度則主要有慣性儀表決定。高精度陀螺儀成本高而制造難度大。目前應用于工作的陀螺儀如何提升其應用精度是未來發展的重點。

6 結束語

陀螺儀在某些行業應用非常廣泛，而其自身也經歷了長期發展，種類多樣而功能豐富，能夠很好的滿足生產生活需要。雖然其自身在某些方面仍然存在局限，但是其未來發展前景是十分良好的。

【參考文獻】

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