航天傳感器知識(shí)丨慣性敏感器的基本原理及其分類

慣性敏感器(Inertial Sensors)又稱慣性器件或慣性儀表，主要是指各種陀螺儀和加速度計(jì)，分別用來(lái)測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)。其中，陀螺儀測(cè)量角運(yùn)動(dòng)，加速度計(jì)測(cè)量線運(yùn)動(dòng)加速度。

“慣性”的含義為：陀螺儀和加速度計(jì)的基本工作原理是動(dòng)量矩定理和牛頓第二定律，即慣性原理；陀螺儀和加速度計(jì)的輸出是相對(duì)慣性空間的測(cè)量值。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于陀螺儀和加速度計(jì)的精度。

陀螺儀

陀螺儀是敏感角運(yùn)動(dòng)的一種測(cè)量裝置。這種儀表常用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體的角位移或角速率。陀螺儀不僅是運(yùn)載體航行駕駛的重要儀表，而且是運(yùn)載體控制系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心元件。

當(dāng)陀螺儀在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，陀螺儀安裝在平臺(tái)上，用來(lái)敏感平臺(tái)的角偏移。當(dāng)陀螺儀在捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，陀螺儀直接與運(yùn)載體固連，用來(lái)敏感運(yùn)載體的角速率或角位移。

最早問世的陀螺儀是由高速旋轉(zhuǎn)的剛體轉(zhuǎn)子支撐在框架上而構(gòu)成的，后來(lái)又研制出多種采用特殊支撐方法的無(wú)框架的剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀。因此，傳統(tǒng)上把陀螺儀定義為利用動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或兩個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)的裝置。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還相繼發(fā)現(xiàn)數(shù)十種物理現(xiàn)象并研制出可以被用來(lái)感測(cè)載體相對(duì)慣性空間的角運(yùn)動(dòng)的測(cè)量裝置，人們亦把陀螺儀這一名稱擴(kuò)展到這些沒有剛體轉(zhuǎn)子而功能與經(jīng)典陀螺儀等同的敏感器上。

根據(jù)陀螺儀工作原理的不同，可將陀螺儀分為機(jī)械式陀螺儀﹑振動(dòng)式陀螺儀﹑光學(xué)陀螺儀等

1）機(jī)械式陀螺儀括撓性陀螺儀，液浮陀螺儀﹑氣浮陀螺儀等；

2）振動(dòng)陀螺儀：包括酒杯式振動(dòng)陀螺儀，諧振陀螺儀﹑硅陀螺儀﹑振動(dòng)弦陀螺儀，音叉陀螺儀等；

3）光學(xué)陀螺儀：包括激光陀螺儀﹑光纖陀螺儀等。

1.機(jī)械式陀螺儀

機(jī)械式陀螺儀是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量來(lái)敏感其自旋軸在慣性空間定向變化的裝置。機(jī)械式陀螺儀具有兩大特性：定軸性與進(jìn)動(dòng)性。

定軸性就是當(dāng)陀螺儀不受外力矩作用時(shí)，陀螺儀自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于慣性空間保持方向不變；

進(jìn)動(dòng)性就是當(dāng)陀螺儀受到外力矩作用時(shí)，陀螺儀自轉(zhuǎn)軸將沿最短路徑趨向于外力矩矢量，進(jìn)動(dòng)角速率正比于外力矩。

2.激光陀螺儀

光學(xué)陀螺儀的工作原理主要是基于Sagnac效應(yīng)。所謂Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一觀察點(diǎn)出發(fā)的一對(duì)光波沿相反方向運(yùn)行一周后又回到該觀察點(diǎn)時(shí)，這對(duì)光波的光程將由于該閉合光路相對(duì)于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，光程差的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)動(dòng)速率成正比。利用Sagnac效應(yīng)，通過測(cè)量反向傳輸?shù)膬墒庵g的物理差別來(lái)測(cè)量角度或角速率。

激光陀螺儀是以感測(cè)諧振腔環(huán)形光路中正、反兩路光的光程差來(lái)獲得被測(cè)角速率的敏感器。在實(shí)際的應(yīng)用中，激光陀螺儀的諧振腔通常由三面或四面高質(zhì)量的反射鏡構(gòu)成。

與傳統(tǒng)機(jī)電陀螺儀相比，激光陀螺儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般只由十幾個(gè)零件組成。

2）可靠性高，壽命長(zhǎng)。激光陀螺儀由于沒有運(yùn)動(dòng)部件和磨損件，為全固態(tài)儀表，因而堅(jiān)固可靠，抗加速度性能好。

3）啟動(dòng)時(shí)間短。

4）無(wú)交叉耦合效應(yīng)。激光陀螺儀的敏感軸垂直于環(huán)形腔平面，對(duì)其他正交軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率﹑角加速度及線加速度不敏感，沒有常規(guī)機(jī)電陀螺儀的交叉耦合效應(yīng)誤差。

5）易于和計(jì)算機(jī)接口。激光陀螺儀的輸出信號(hào)是脈沖形式，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的數(shù)字量，便于計(jì)算機(jī)處理，不需要高精度的A/D電路。

6）功耗低，體積小，質(zhì)量輕。

7）角速率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)到士1500°/s。

8）性能穩(wěn)定，它的腔體由高穩(wěn)定性的材料制成，保證了標(biāo)度因數(shù)的極高穩(wěn)定性。

3.光纖陀螺儀

光纖陀螺儀采用多匝光纖線圈代替環(huán)形激光器，通過多次循環(huán)可增強(qiáng)Sagnac效應(yīng)。即在同一閉合光路中從同一光源發(fā)出兩束特征相同的光，沿相反方向進(jìn)行傳播，匯合到同一探測(cè)點(diǎn)，產(chǎn)生干涉；若存在繞垂直于閉合光路所在平面的軸線相對(duì)慣性空間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速率，則沿正、反方向傳播的光束產(chǎn)生光程差，該值與角速率成正比；通過光程差與相應(yīng)的相位差的關(guān)系，可通過檢測(cè)相位差來(lái)計(jì)算角速率。光纖陀螺儀一般由光纖傳感線圈，集成光學(xué)芯片、寬帶光源和光電探測(cè)器組成。

與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀不需要光學(xué)鏡的高精度加工，易于制造。

按光纖陀螺儀的工作原理，可以將光纖陀螺儀分為干涉式光纖陀螺儀(I-FOG)、諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)和布里淵型光纖陀螺儀(B-FOG)。I-FOG是第一代光纖陀螺儀，技術(shù)上已經(jīng)成熟；R-FOG是第二代光纖陀螺儀；B-FOG是第三代光纖陀螺儀。其基本原理相同，但是各自所采用的相位解調(diào)方式不同，即對(duì)光纖陀螺儀的噪聲補(bǔ)償方法不同而已。

加速度計(jì)

加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量載體的平移運(yùn)動(dòng)加速度，通過對(duì)加速度的積分，可求得載體運(yùn)動(dòng)的速度和位置。加速度計(jì)是依據(jù)牛頓力學(xué)定律而工作的，它通過測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量所受的慣性力來(lái)間接測(cè)量載體的加速度。通常，加速度計(jì)包含一個(gè)經(jīng)由彈簧約束的在儀表殼體內(nèi)的檢測(cè)質(zhì)量塊，通過檢測(cè)質(zhì)量塊的位移變化來(lái)測(cè)量運(yùn)載體的加速度。加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)的基本測(cè)量元件之一，其性能和精度直接影響導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的精度。

有很多不同的慣性敏感器可以用于檢測(cè)加速度的大小。這些敏感器有不同的類型和設(shè)計(jì)形式。根據(jù)檢測(cè)加速度的器件的構(gòu)造形式可以分為機(jī)械式的和固態(tài)的。常用的機(jī)械式加速度計(jì)有石英撓性擺式加速度計(jì)，兩軸力反饋加速度計(jì)等。固態(tài)加速度計(jì)如硅加速度計(jì)、光纖加速度計(jì)等。目前，機(jī)械式加速度計(jì)已經(jīng)非常成熟，精度和分辨率較高，檢測(cè)范圍也很寬。

下面簡(jiǎn)單介紹目前常用的石英撓性加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)、工作原理等。

石英撓性加速度計(jì)

石英撓性加速度計(jì)主要由上下力矩器、擺組件以及伺服回路組成。其中石英玻璃經(jīng)化學(xué)方法加工形成撓性擺片，線圈與石英擺片固連，連同線圈骨架與擺片構(gòu)成擺組件，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)質(zhì)量的功能，用以敏感外界輸入加速度。

力矩器由軛鐵、磁鋼、磁極片與補(bǔ)償環(huán)組成，其中磁鋼選用合適的永磁材料構(gòu)成永磁體以建立磁場(chǎng)，軛鐵與磁極片使磁場(chǎng)沿軛鐵形成磁回路，補(bǔ)償環(huán)對(duì)漏磁進(jìn)行補(bǔ)償，上下力矩器在結(jié)構(gòu)上強(qiáng)行磁極對(duì)頂并固定，互為對(duì)方的反向磁極，在間隙間形成均勻磁場(chǎng)。

當(dāng)外界有加速度輸入時(shí)，擺組件受慣性力作用將離開平衡位置。此時(shí)由擺組件上下表面與上下力矩器端面組成的差動(dòng)電容容值將發(fā)生改變，這一電信號(hào)通過接線柱輸出至伺服回路。經(jīng)過放大的電流信號(hào)輸出至線圈，產(chǎn)生與輸入加速度力矩相平衡的反饋力矩，使擺組件回到平衡位置。在擺組件偏轉(zhuǎn)角度很小的情況下，該電流近似與輸入加速度呈線性關(guān)系。此時(shí)檢測(cè)該電流就能得到輸入加速度大小。

審核編輯 黃宇