光学惯性测量与导航系统第二章关键惯性器件

光学惯性测量与导航系统杨功流教授主讲：OpticInertialMeasurement&NavigationSystem9664，6542-823电话：晁代宏讲师张小跃讲师第二章光学惯导系统核心器件2.1光学陀螺概述2.2光学陀螺主要指标及应用2.3新型光学陀螺2.4加速度计概述2.5加速度计主要指标及应用2.6新型加速度计2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论根底是：Sagnac效应简单的“理想〞圆形光路系统静止相对惯性空间没有转动的闭合光路中相向传播的两束光状态：光波在注入点M处被分成两束沿闭合光路相向传播的光波，由于其走过的光程长度相同，当它们返回到注入点时，其相位相同，即相位差为“0〞。沿顺时针方向传播的光波经一周回到点时所经历的实际光程必然大于，它的值为：2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论根底是：Sagnac效应 图中给出了当光回路有转动时，在光在通过闭合回路的渡越时间内，注入点M移到了M’点，这时，沿逆时针方向传播的光波沿闭合光路传播一周再回到光波注入点时，其所走过的实际光程必然小于，它的值为：系统转动2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论根底是：Sagnac效应光波沿不同方向传播的时间差为：2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论根底是：Sagnac效应时延一阶近似光程差位相差测量量转换在折射率为n的介质中，光的传播速度必须考虑介质中的光速和介质切向速度的相对论修正，同样可以得到与真空中完全相同的结果。2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论根底是：Sagnac效应光的相位差不能直接测量，可以测量的是光功率或频率差。2.1光学陀螺概述光学陀螺的理论根底是：Sagnac效应SAGNAC效应应用-光学陀螺激光陀螺光纤陀螺MOEMS陀螺集成光学陀螺激光陀螺的性能特征结构简单，性能稳定动态范围宽对加速度和振动不敏感具有耐冲击、抗高过载的能力启动快可靠性高，使用寿命长2.1光学陀螺概述激光陀螺的开展史一、研究起步阶段1897年英国物理学家洛奇提出了光学陀螺的概念1913年Sagnac论证了光学陀螺的工作原理及根本效应1960年激光问世1963年美国斯佩里公司宣布他们用环形行波激光器感测旋转速率获得成功，研制出第一台激光陀螺实验装置2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述激光陀螺的根本构成实体是三角形或正方形的充满气体的腔体，在其中传播相向运动的受激光波；包括环形谐振腔体、反射镜、增益介质和读出机构2.1光学陀螺概述 根本原理：三个反射镜形成谐振腔，形成闭合回路。激光管沿光轴传播的光子向两侧经过透镜M4,M5，相向传输，对每一光束来说，只有经过一圈后返回原处相位差为2π整数倍的光子才能诱发第二代，并且逐渐增强，相位差不满足条件的光子逐渐衰减，增强光子多于衰减光子，闭合光路工作在谐振状态。2.1光学陀螺概述谐振腔形成谐振的条件：2πL/λ=2πq即L=qλL谐振腔长度，光程，q：整数倍。当角速度＝0时，正反两束光形成驻波，干预条纹不动。当出现转动时，La=qλaLb=qλbfa=cq/Lafb=cq/LbΔf=fa-fb＝(4A/Lλ)ω=Sωλ：激光源波长，A：谐振腔光路面积。Δf拍频。2.1光学陀螺概述1、激光陀螺腔体(1)三角形：(2)正方形：在光路长度L给定的条件下，方形的面积比三角形的大，标度因数要高。λ=0.6328um或1.15um，短波长的具有较大分辨率，可以获得较高精度。2.1光学陀螺概述在玻璃体上钻孔，提供光束的光路；材料为具有零膨胀系数的石英玻璃体或特殊制造的陶瓷玻璃。腔体材料具有的特殊性质：低温度膨胀系数，减小回路长度的压电控制量，降低温度灵敏度。整个腔体的密封性。对氦气不渗透；2、反射镜是最重要的部件，其作用是无损失、准确的改变光在光路中的运动方向。由于外表不光滑或制造的光模特性不一致将引起散射；由于吸收或传递，每个反射镜都会引起局部激光能量的损失，造成闭锁。2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述激光陀螺的主要误差源闭锁效应：当输入角速度小到一定程度时，陀螺的拍频输出为零，出现非线性区〔死区〕。主要原因是光路的各种非均匀因素〔反射镜非均匀损耗与散射、谐振腔中的灰尘微粒〕是两束光耦合，频率牵引，频差消失。频率锁定的典型值是0.1°/s2.1光学陀螺概述消除方法：机械抖动〔二频机抖、四频差动〕或磁光偏置等，使得在大局部抖动周期内敏感的角速率超过闭锁角速率。频率100－500Hz，幅值100～500arcsec。2.1光学陀螺概述零偏两束光反射的特性不一致；机抖幅值的不对称性；各向异常的不规那么色散效应等；标度因数误差增益介质参数波动和谐振腔的参数变化，如传递光束的频率和介质的反射系数关联，导致色散效应，反映到光腔长的变化。激光陀螺的标度因数很小，<10ppm.2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述2.1光学陀螺概述光纤陀螺分类光纤陀螺是典型的相位调制型(频率调制)光纤传感器，根本出发点是Sagnac效应，由其对光波进行位相或频率的调制，分为干预型和谐振腔型两大类2.1光学陀螺概述光纤陀螺分类光纤陀螺按原理上分类，可以分为：谐振腔式光纤陀螺(R－FOG)、受激布里渊散射光纤陀螺(SBS－FOG)和干预式光纤陀螺(I－FOG)。2.1光学陀螺概述

环形谐振腔型光纤陀螺2.1光学陀螺概述

光纤型环形激光陀螺光路采用不同的光纤或者说对光纤中偏振模式的不同要求，把干预型光纤陀螺分为消偏型〔Depolarization-IFOG〕和保偏型〔PM-IFOG〕两大类。消偏类型的光纤陀螺，使用单模光纤，在光纤中，两种偏振模式是简并的，由于进入光纤环中的两束光波的偏振态不同，折射率也不完全相同，因此会产生寄生相位差；在保偏型光纤陀螺中，采用具有强双折射的保偏光纤，使得光学系统的偏振态维持一定，这样可以减少模式间干扰误差。2.1光学陀螺概述

干预型型光纤陀螺2.1光学陀螺概述

干预型型光纤陀螺2.1光学陀螺概述

干预型型光纤陀螺2.1光学陀螺概述五大光学器件光源调制器光纤环耦合器探测器光纤陀螺的根本构成光纤陀螺特点全固态，无运动部件，抗冲击、振动能力强重量轻，功耗小，寿命长体积小，结构设计灵活、生产工艺简单动态范围大可快速启动长期稳定性好，无加速度敏感项抗电磁干扰2.1光学陀螺概述

2.1光学陀螺概述

2.1光学陀螺概述

关键光学器件2.1光学陀螺概述

关键光学器件2.1光学陀螺概述

光纤陀螺误差分析2.2光学陀螺主要指标及应用〔1〕零偏零偏是指陀螺在零输入状态下的输出值，用较长时间内此输出的均值等效折算为输入速率来表示。通常，静态情况下长时间稳态输出是一个平稳随机过程，故稳态输出将围绕零偏起伏和波动。一般用均方差来表示这种起伏和波动。这种均方差被定义为零偏稳定性，用相应的等效输入速率表示。2.2光学陀螺主要指标及应用零偏等于上述数据的均值!

这也就是我们平常所说的“偏值漂移〞或“零漂〞。它用来评价光学陀螺输出信号平均值的长期变化的峰一峰值范围。零漂值的大小标志着观测值围绕零偏的离散程度。零偏稳定性的单位用°/h表示，其值越小，稳定性越好，该值大小与平滑时间有关。陀螺的零偏是随时间、环境温度等的变化而变化，而且带有极大的随机性，因而又引出了零偏重复性、零偏温度灵敏度、零偏温度速率灵敏度等概念。2.2光学陀螺主要指标及应用零偏稳定性与平滑时间关系平滑时间1s10s100s单位（°/h）0.0610.0170.0072.2光学陀螺主要指标及应用1s平滑数据10s平滑数据100s平滑数据2.2光学陀螺主要指标及应用温度滞环效应(2)随机游走系数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。这里的“白噪声〞是指陀螺系统遇到的一种随机干扰。白噪声用等效旋转速率的校准偏差除以检测带宽的平方根来表示。它存在着的换算关系。当外界条件根本不变时，可认为上面所分析的各种噪声的主要统计特性是不随时间推移而改变的。白噪声是功率谱密度为常数的零均值平稳随机过程，是现实噪声的一种理想化。2.2光学陀螺主要指标及应用2.2光学陀螺主要指标及应用(4)阂值和分辨率光学陀螺的阂值表示陀螺仪能敏感的最小输入速度。分辨率表示陀螺仪在规定的输入速率下能敏感的最小输入速率增量。这两个量都表征陀螺的灵敏度。(5)最大输入角速率最大输入角速率表示陀螺正、反方向输入速率的最大值。有时也用最大输入角速率除以闭值得出陀螺动态范围，即陀螺可敏感的速率范围。该值越大表示陀螺敏感速率的能力也越大。2.2光学陀螺主要指标及应用(6)其他除上述几项主要性能指标外，还有光纤陀螺的耐环境特性，包括：抗冲击振动能力、抗温度冲击能力以及工作温度范围等。这些都是光学陀螺在工程应用中必须考虑的问题。2.2光学陀螺主要指标及应用上述光学陀螺的几个主要性能指标反映了光学陀螺的精度和环境适应性。根据光学陀螺的这些性能指标就可以判断光学陀螺的优劣；而通过综合分析这些性能指标，便可以得出光学陀螺相应的应用领域。大多数应用通常划分如下表所列的3个级别。2.2光学陀螺主要指标及应用中〔低〕精度单轴光纤陀螺零偏稳定性0.1°/h〔1σ〕

高〔中〕精度单轴光纤陀螺零偏稳定性0.01°/h〔1σ〕重量<900g已批量应用于陆用定位定向系统，年产500只

高精度高稳定性新一代航天器核心部件“十一五〞末已成功研制单轴高精度光纤陀螺：零偏稳定性优于0.001/h；标度因数优于10ppm。高精度光纤陀螺样机高精度单轴光纤陀螺2.2光学陀螺主要指标及应用2.2光学陀螺主要指标及应用航姿参考系统—S122

2.2光学陀螺主要指标及应用2.2光学陀螺主要指标及应用高精度惯导系统—S10MOEMS陀螺微光机电〔MOEMS〕陀螺波导型集成光学陀螺微镜型MOEMS陀螺光学效应2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺环境适应性强微小型化2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺(a)干预式光纤陀螺〔b〕单片式集成光学陀螺图美国DARPER实验室给出的集成光学陀螺与干预式光纤陀螺比较示意图低功耗、轻小型2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺——国外美国Northrop公司〔1991〕日本东京大学〔2000〕意大利〔2005〕2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺——国外2000年美国IntelliSense公司在硅基片上研制的抗振动集成光学陀螺工程样机。组装式，集成化程度不高。动态范围200°/s，检测精度0.5°/s。美国IntelliSense公司〔2000〕2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺——国外2021年美国Darper实验室提出单片式集成光学陀螺方案。美国Darper实验室〔2021〕目标： 在单片波导上将集成光学陀螺的21个器件集成在一起;在大幅度降低本钱的同时使陀螺体积减小到0.2立方英寸〔是光纤陀螺的1/50〕，功耗降至0.25W〔是光纤陀螺的1/10〕;精度可以和实用化的激光陀螺、干预式光纤陀螺相比较，到达0.01∽1º/h〔远期目标到达导航级精度0.01∽0.001º/h〕。2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺——国内“十一五〞期间国内多家单位开展此方面研究：北航、浙大在硅基波导上实现了谐振式光学陀螺原理样机，最好测试精度为0.2～0.3°/s；东南大学在有机材料上实现了光学谐振腔；北航提出基于光学微镜和光子晶体微镜的空间微型谐振腔；航天时代电子公司、8358所、长春理工等均投入较大精力开展该工作。2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺——北航研制出具有我国自主知识产权的低损耗、高清晰度波导谐振腔在国内首次研制出单端调制的集成光学移频器，并应用集成光学陀螺系统在国内率先研制出集成光学陀螺原理样机〔0.3°/s〕集成光学调制器光路系统样机实验结果2.3新型光学陀螺光纤环与波导谐振腔芯片MOEMS陀螺原理样机MOEMS陀螺仪研究环境2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺——北航小型化光源应用结果（a）克尔噪声（b）偏振噪声（c）背反噪声集成光学陀螺噪声分析2.3新型光学陀螺MOEMS陀螺方案示意图2.3新型光学陀螺

微组装的MOEMS陀螺谐振腔微镜镀膜外表粗糙度的AFM测量MOEMS陀螺2.3新型光学陀螺集成光学陀螺集成光学陀螺方案示意图2.3新型光学陀螺为了提高光纤陀螺的精度和环境适应性，将光子晶体光纤应用于光纤陀螺中。光子晶体光纤，又称多孔光纤或微结构光纤，这类光纤的纤芯周围含有沿着轴向规那么排列微小空气孔，微小空气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿光纤的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。与普通光纤相比，光子晶体光纤因为具备以下的特点因而更适合于光纤陀螺〔光源〕。光子晶体光纤陀螺2.3新型光学陀螺光子晶体光纤比普通光纤具有更低的温度敏感性、压力敏感性，同时具有更高的抗辐射能力。普通光纤利用在石英玻璃中掺杂不同材料形成折射率差，因此容易产生材料缺陷；而光子晶体光纤的折射率差是由空气孔引入，所以可用单一材料制作，防止了掺杂所形成的材料缺陷，因而在空间应用时将辐射对光子晶体光纤的损伤降低；空气孔的引入使光子晶体光纤得到更大的折射率差，光波可被有效束缚在纤芯内部而与外界隔离，从而大大地减小了外界因素如温度、压力等对光纤陀螺的影响。光子晶体光纤陀螺2.3新型光学陀螺光子晶体光纤2.3新型光学陀螺1997年诺贝尔奖激光冷却原子

2001年诺贝尔奖波色-爱因斯坦凝聚

2005年诺贝尔奖量子光学与光频梳

冷原子干预仪原子干预陀螺仪磁光作用下原子自旋机理原子自旋陀螺仪

原子陀螺仪的提出——科学推动类似光学陀螺的Sagnac效应敏感角速度原子波动，形成闭环回路具有相位差：光学陀螺的相位差：与光学陀螺的Sagnac效应比照：1010超高精度战略级陀螺仪的开展方向，理论精度10-12/h，将应用于核潜艇等载体〔水下航行1年，定位误差<1m〕原子干预陀螺仪——超高精度高精度、小体积高精度、小体积陀螺仪的开展方向，将应用于弹道导弹、高空长航时飞行器等载体与转子陀螺仪类似，电子自旋磁矩在惯性空间中具有定轴性核自旋自补偿外磁场扰动，隔离磁场对电子自旋影响敏感体积Ø5mm球体Ø25mm球体Ø125mm球体理论可实现性能5×10-4

/h5×10-6

/h5×10-8

/h同敏感体积下精度对比微机电陀螺仪0.1

/h光学陀螺仪0.01

/h转子陀螺仪1×10-4

/h原子自旋陀螺仪——高精度、小体积 当运载体以加速度相对惯性空间运动时，仪表壳体也随之做相对运动，质量块保持惯性，朝着与加速度方向相反的方向产生位移〔拉伸或压缩弹簧〕，当位移量到达一定值时，弹簧给出的力使质量块以同一加速度相对惯性空间做加速运动，加速度的大小与方向影响质量块相对位移的方向及拉伸量。2.4加速度计概述加速度计原理线加速度计的力学模型质量

阻尼系数

弹性刚度2.4加速度计概述线加速度计的力学模型其中：无阻尼自振角频率为

阻尼比为2.4加速度计概述当处于常加速度输入下的稳态时，其敏感质量相对壳体位移趋于如下稳态值：

由此可见：敏感质量越大，弹性刚度越小，即系统无阻尼自振角频率越低，那么加速度计灵敏度越高线加速度计的力学模型2.4加速度计概述摆式加速度计的力学模型转动惯量

阻尼系数

扭转弹性刚度由于摆性作用，敏感质量通过输入加速度形成惯性力矩作用于系统，按照合力矩使转动对象产生角加速度的转动体牛顿第二定律，有如下关系式输入加速度的扭转系数，与摆性有关2.4加速度计概述摆式加速度计的力学模型

只要能把敏感质量在敏感轴方向相对壳体大的角位移测出来，就可以得到加速度a.2.4加速度计概述力矩系数(即摆性)越大，弹性刚度越小，系统无阻尼自振角频率越低，那么加速度计灵敏度越高当常加速度输入时，稳态摆角为:2.4加速度计概述

加速度计是惯性导航、惯性制导和控制检测设备的重要测量元件。无论是惯性导航还是惯性制导都是利用加速度计敏感这一特性来测量载体的运动加速度的。目前，加速度计已广泛应用于航空、航海、宇航及武器的制导和控制。2.4加速度计概述2.4加速度计概述加速度计是利用检测质量〔或称敏感质量〕的惯性力来测量线加速度或线速度的装置。加速度计是惯性导航系统的关键部件，它的重要性已经越来越为人们所理解。在运载体上安装加速度计用于导航制导时，当运载体运动变化时加速度计那么敏感测量出载体相对惯性空间的加速度，经过一次积分运算即可得到运载体相对惯性空间的速度，经过二次积分运算可得到运载体相对惯性空间的运行距离，从而进行自主式导航和制导。加速度计概念在各种运载体的导航定位中，通过测量位置、速度或加速度都可以得到运动物体的轨迹。在运动物体内部能够测量的只有加速度，加速度计是重要的惯性器件！

2.4加速度计概述2.4加速度计概述早期在惯性导航和惯性制导系统中曾采用滚珠轴承摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承摆式加速度计。60年代初，出现液浮、气浮摆式加速度计，其分辨率较高(10-5g～10-7g)，浮液还具有一定的阻尼作用，能减小动态误差，提高抗振动和抗冲击能力，广泛应用于导弹、飞机和舰艇等惯性制导和惯性导航系统中。从60年代中期以来，开始应用结构简单，本钱低，分辨率可达10-5g的挠性加速度计。加速度计开展简史2.4加速度计概述加速度计开展简史2.4加速度计概述按检测质量的运动方式按测量系统的形式分类按信号传感器的种类分类按活动系统的支撑方式分类按输出是否带有积分装置来分类按加力矩方式来分类按其它方式分类加速度计分类2.4加速度计概述按检测质量的运动方式1.线加速度计在这类加速度计中，检测质量置于导轨中，在加速度的作用下，检测质量沿导轨方向的位移作为输出量。2.摆式加速度计在这类加速度计中，检测质量做成单摆形式，在加速度作用下，检测质量绕支撑点产生角位移做输出量加速度计分类2.4加速度计概述按照测量系统的形式分类

1.开环加速度计

结构简单，容易维护，容易小型化，本钱较低惯性导航系统中使用的大局部都是闭环加速度计

2.闭环环加速度计2.4加速度计概述按照信号传感器的种类分类变阻式(也称电位计式)加速度计电容式加速度计电解液式加速度计压电式加速度计半导体式加速度计电感或差动变压器式加速度计电阻应变丝式加速度计振梁加速度计光学加速度计隧道加速度计气体加速度计2.4加速度计概述按活动系统的支撑方式分类轴承摆式加速度计挠性支撑加速度计质块弹簧加速度计悬浮加速度计2.4加速度计概述按其它方式分类精度：高精度〔优于10E-4〕、中精度〔10E-3～10E-4〕、低精度〔劣于10E-2〕量限：高过载〔大于10000g〕、大过载〔100g～10000g〕、中过载〔1g～100g〕、小过载〔小于1g〕频率范围：高频〔10千赫以上〕、中频〔100赫～10千赫〕、低频〔直流～100赫〕2.4加速度计概述2.4加速度计概述主要性能指标零偏重复性〔年、月、日〕标度因数〔年、月、日〕零偏温度敏感系数标度温度敏感系数分辨率、阈值量程液浮摆式加速度计是比较成熟、应用较广的一种加速度计。液浮摆式加速度计是一种闭环的、摆组件被液体悬浮的宝石支承摆式加速度计。检测质量被液浮悬浮在壳体里，并用宝石轴承支承定位。根据摆组件被悬浮的程度可分为全浮式和半浮式。液浮摆式加速度计2.5几种机械式加速度计由于浮子处于悬浮状态，减少了支承的正压力，支承轴可以做得很细，减小了库仑摩擦力，改善了阈值。液浮摆式加速度计2.5几种机械式加速度计液浮摆式加速度计原理图液浮摆式加速度计2.5几种机械式加速度计

当敏感加速度时，在惯性力的作用下，浮子围绕支点转动，信号传感器线圈偏离其中心未知，产生与偏转角成比例的信号电压。经过伺服放大器放大并加到力矩器线圈上，产生相应的电磁力矩，使浮子再回到原来的平衡位置。力矩器电流的大小反映了所敏感加速度的大小，通过采样电阻转换成输出电压。液浮摆式加速度计2.5几种机械式加速度计石英挠性加速度计是具有国际先进水平的新型高级传感器。它精度高、长期稳定性好、体积小巧。是对加速度、速度、距离、摇摆、振动、倾斜等物理量敏感、测量、控制方面的换代产品。石英挠性加速度计由传感表头组件和伺服电路组件两局部组成。美国Honeywell公司的Q-FLEX系列中的QA3000是目前级别最高的产品。具有质量稳定、可靠、长期性能好的特点。石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计石英挠性加速度计表头结构表头组件的各组成局部如下图，包括检测质量组件、上力矩器组件和下力矩器组件三局部。检测质量组件由镀膜石英挠性片和粘贴在它上面的两个力矩器线圈组成。力矩器线圈和石英挠性片中间的叶片局部构成摆质量。磁钢、导磁帽和上下力矩器线圈组成封闭的磁路。石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计石英挠性加速度计的伺服电路石英挠性加速度计伺服电路组件包括差动电容检测器、积分器、跨导补偿放大器等局部组成.石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计

当输入加速度a时，摆质量因惯性而偏离平衡位置，差动电容传感器检测这一变化并产生差动电容变化。伺服电路中的差动电容检测器检测出这一变化，其输出电流为，此电流经电流积分器变成输出电压，然后由跨导/补偿放大器把变换成输出电流。该电流的大小与输入加速度a成正比，极性取决于输入加速度的方向。输出电流（即所谓再平衡电流）加在表头的力矩器上，使之产生反馈力矩，与惯性力矩相平衡，直至再次恢复到平衡位置。石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计优点：

采用整体石英材料制成挠性支承，无迟滞、无摩擦、无弹性后效、无老化变质、不受温度影响采用差动电容式传感器，体积小，灵敏度高阈值小，分辨率高〔<1μg〕量程大〔±15g--±35g〕偏值和标度因数稳定性〔小于5x10-6〕线性度高〔<20μg/g²〕迟滞小〔小于0.001%〕重复性和长期稳定性好〔小于0.003%〕石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计测量加速度超过300m/s²时，其非线性误差明显增大不能承受太大的冲击振动

制造的工艺性误差(局部变形和应力)会导致暂时性零位不稳定

敏感质量的小尺寸导致对控制电路的要求更高

缺点：

石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计

Honeywell公司的QA3000石英挠性加速度计2.4加速度计概述

Honeywell公司的QA3000石英挠性加速度计Q-A3000-030JN06量程±60g±30g偏值＜4mg＜3mg偏值稳定性＜40ug(年)＜60ug(月)偏值温度系数＜15ug/℃＜50ug/℃标度因数1.2至1.6mA/g1.4至1.6mA/g标度因数年稳定性＜80ppm＜60ppm标度因数温度系数＜120ppm/℃石英挠性加速度计2.5几种机械式加速度计

现在性能最好的加速度计是摆式积分陀螺加速度计，用于战略导弹制导。摆式积分陀螺加速度计是一种非常稳定的线性器件，在宽的动态范围内有很高的分辨率，并且是迄今为止唯一能够满足战略导弹推进轴要求的加速度计。摆式积分陀螺加速度计2.5几种机械式加速度计摆式积分陀螺加速度计2.5几种机械式加速度计 摆式积分陀螺加速度计实质上是一个双自由度陀螺，内环轴处于水平位置，外环轴处于铅垂位置，在内环轴距离支承中心L处安装一个偏心质量块，根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下产生的惯性力矩。摆式积分陀螺加速度计2.5几种机械式加速度计设陀螺的角动量为H，沿铅垂方向有角速度那么沿x轴作用有摆性力矩从而使陀螺绕y轴进动，进动角速度为：

在外环轴上的信号器可拾取摆式积分陀螺加速度计2.5几种机械式加速度计为防止陀螺特性的退化，丧失测量功能，由内环轴偏角信号器放大、反响，组成力矩平衡系统.摆式积分陀螺加速度计2.5几种机械式加速度计优点：标度因数的长期稳定性好以很高的精度给出数字式测量结果较高的抗辐射性能缺点：生产复杂、体积大价格昂贵、准备时间长只局限于控制大型对象摆式积分陀螺加速度计2.5几种机械式加速度计振梁加速度计振弦加速度计原理图原理：检测质量由两根柔性弦固定。加速度计能敏感出沿弦轴方向的加速度。当敏感加速度时，柔性弦产生张力，使两根支撑弦的故有频率发生变化。两根柔性弦的频差与加速度成比例。2.6几种固态加速度计石英振梁加速度计是利用压电石英振梁的力-频特性进行加速度的测量，传感器可以直接输出频率信号，不需进行模拟放大和A/D变换石英振梁加速度计结构简图振梁加速度计2.6几种固态加速度计石英振梁加速度计(QuartzVibratingBeamAccelerometer,QVBA或简称VBA)，由敏感质量块m、压电石英振梁、晶控振荡器、支承座、频差整形电路和倍频电路组成，采用基频相等()的两个压电石英振梁作为敏感元件，输出为两个压电振梁的频率差。振梁受到外力作用时，其谐振频率发生变化：振梁的拉氏(Ratajski)系数

振梁的基准谐振频率振梁谐振频率的变化量振梁加速度计2.6几种固态加速度计振梁加速度计的输出为

加速度计的输出频率与加速度成正比

通过检测石英振梁加速度计的输出频率即可测得输入加速度

振梁加速度计2.6几种固态加速度计优点：直接频率输出机械组件及电子器件简单、功耗小且恒定、可靠性高、温升小，易于加工和安装，线路易于小型化推挽式配置具有非常大的共模抑制能力由石英的机械和物理特性所确定的高稳定性、高线性度属固态加速度计，具有瞬时反响能力，晶体启动时间小于0.5s量程大，可高达1200g体积小、本钱低，易于成批加工振梁加速度计2.6几种固态加速度计静电力平衡式加速度计LIGA加工高精度电容加速度计、隧道电流型加速度计、压阻式微机械加速度计、微型三轴加速度计等等。目前报道的硅微加速度计有：微机械加速度计都有敏感质量，根本上都是挠性支承的硅微加速度计2.6几种固态加速度计硅微加速度计2.6几种固态加速度计静电力平衡加速度计的工作原理：当沿敏感轴有输入加速度作用时，其摆质量的位置发生变化，伺服电路中的差动电容检测器检测这一变化，输出一个电压信号，该电压信号与输入加速度成比例,极性取决于输入加速度的方向。此电压信号经放大、补偿以满足整个系统的动静态指标要求。补偿后的电压信号加到电极电压发生器。电极电压发生器把电压Vo+Vs和Vo-Vs分别加在检测质量两面的两个电极板上,使得一个电极对运动质量产生推力，另一个产生拉力。固定电位Vo给出一个合力，此合力是Vs的线性函数。静电力是电极两边电压平方的函数。该伺服控制系统用很小的刚度便能进行支撑,保证惯性质量始终工作在零位附近。所以，响应是线性的，从而使加速度计的二次项、三次项也变得很小。硅微加速度计2.6几种固态加速度计单晶硅加速度计力平衡方框图硅微加速度计2.6几种固态加速度计优点：1、可批量生产，产量高、本钱低；2、尺寸小，有把电子线路集成在同一硅片上的潜力；3、机械性能好，单晶硅材料内部没有颗粒层，断裂点高，弯曲强度为不锈钢的三倍，硅无磁性，如果用铜或铝质材料封装，可用于磁背景场；4、硅没有可塑性变形，迟滞小；5、响应速度快，工作频带宽；6、功耗低，既可开环工作，又可闭环工作。硅微加速度计2.6几种固态加速度计电容式微加速度计的根本原理：利用电容来检测加速度场中检测质量在惯性力作用下的微位移。由于微位移将引起检测电容的变