怎样做论坛网站,windows设置wordpress,国外网站策划,制作网页心得体会一、前言 机械转子式陀螺仪在很长的一段时间内都是唯一的选项#xff0c;也正是因为它的结构和原理#xff0c;使其不再适用于现代小型、单体、集成式传感器的设计。常规的机械转子式陀螺仪包括平衡环、支撑轴承、电机和转子等部件#xff0c;这些部件需要精密加工和…一、前言 机械转子式陀螺仪在很长的一段时间内都是唯一的选项也正是因为它的结构和原理使其不再适用于现代小型、单体、集成式传感器的设计。常规的机械转子式陀螺仪包括平衡环、支撑轴承、电机和转子等部件这些部件需要精密加工和组装这些结构特性限制了常规机械陀螺仪向低成本小型化装置的发展。 运行期间电机和轴承的磨损意味着这种陀螺仪只能在有限数量的运行时间内满足其性能指标。如今已经开发出了其它用于感应方向和速度的方法。GPS就是一个比较理想选择。但是在太空、水下、隧道内、建筑物里GPS就没办法了。 MEMS微机械加工技术的应用能够设计出用振动组件代替旋转盘的微型陀螺仪。这种设计利用了电子工业开发出来的技术十分适合于大规模制造。此外振动陀螺仪更具有稳定性能够承受众多军事和航空航天应用的典型环境特点。
二、振动陀螺仪原理 所有振动陀螺仪都依赖于科里奥利加速度现象。科里奥利效应是一种惯性力是十九世纪法国工程师兼数学家古斯塔夫-加斯帕尔·科里奥利于1835年阐述的。科里奥利指出如果把物体运动的一般牛顿定律用于旋转参照系一种惯性力对于逆时针旋转的参照系该力向物体运动方向的右侧作用顺时针旋转则向左侧作用必须包括在运动方程之中。 物体在参照系中做直线运动参照系则围绕垂直于运动直线的轴旋转此时即出现物体的科里奥利加速度。此时产生的正比于转动速度的加速度出现在垂直于包含其它两轴的平面的第三轴图2a。在微机械加工陀螺仪中旋转由振动替代产生能够测量的、与运动速度有关的加速度取代传统机械转子式陀螺仪中按圆形轨迹旋转的质量体的是能够悬置并且以简谐运动做直线移动的质量体。
构建振动陀螺仪有几个实用方法可分为三种原理类型
1、简单振荡器弦、梁上的质量体
2、平衡振荡器音叉式
3、壳体谐振器酒杯式圆柱状圆环
所有三个类别都已应用于实际设计。 图1 振动速率式陀螺仪概念图
首次出现的此类装置之一是由扭转屈曲部分支撑的双平衡架结构图1。平衡架由底切形成在有效区域内自由运动。工作时通过相距很近的电极产生的静电扭矩以恒定幅度驱动起到“马达”作用的外平衡架。这种振动沿内部扭转屈曲的刚性轴传递至内平衡架使惯性组件建立起振荡动量矢量。在垂直于装置平面存在旋转角速度时科里奥利力将引起内平衡架围绕其弱轴发生振动振动的频率等于驱动频率振动的幅度正比于惯性输入速率。
以内平衡架的谐振频率驱动外平衡架时得到最大分辨率。输出运动的读出通过确定内平衡架和一对电极之间的电容值的不同变化来实现。开环工作时内平衡架围绕输出轴的角位移正比于输入速率。即输出角Q正比于惯性比例项、驱动角ϕ0、力学特性Q和输入速率Ω。反比于驱动频率ωn。 在实际应用中装置以闭环工作内平衡架在相位和正交分量上都会重新平衡至零。新近的一种也属于第三类别的设计由英国宇航系统公司与其合作者住友精密工业有限公司研发。此设计基于在硅中经微机械加工制备的环形谐振器。硅具有出色的机械特性特别是在晶体状态时硅具7GPa的断裂容限高于绝大多数钢材。再加上其2330kg/m3的低密度是一种十分坚固的材料。
陀螺仪谐振器由晶体硅材料蚀刻而成。这可确保谐振器的性能在使用期限和环境内保持稳定。平面振动环结构在一个平面内就具有全部的振动能量。由此在角速度下不存在由一个晶面至另一个的耦合振动所以振动参量相对于温度十分稳定。
图2 a,科里奥利加速度
b,微机械加工制备的振动环结构
c,加速度对环的振动模式的影响
为了使谐振器正确运作必须以使其尽可能自由振动的方式进行支撑。感应组件示于图2b。谐振器包含一个6mm的硅环由八个放射状分布的柔性轮辐支架支撑轮辐支架固定在10×10mm的支撑框架上。带电导体只在上表面淀积和图形化制备用于导线键合的引脚位于外支撑框架。
芯片经阳极键合至与硅热匹配的支撑玻璃结构。有八个完全相同的导电回路每个遵循的路径为连线引脚--沿支架的长度绕过环的1/8部分--沿下一个支架的长度--下一个连线引脚。这样每个支架包含两条导线各在相邻回路此外还有位于前两条导线之间的第三条导线用于使电容耦合最小化。谐振器可由任何合适的换能器激发进入振动。例如借助于光、热膨胀、压电、静电或电磁等各种效应都能起作用。激发作用可加至携带谐振器的支撑结构或直接加至谐振器本身。其基本振动模式在14.5kHz。
图2 cf表示直线加速度和角加速度对谐振器的影响。图2c表示无加速度条件下的侧视图图2d表示z轴直线加速度的影响图2e表示围绕y轴的角加速度的影响图2f表示围绕x轴的角加速度的影响。因为环的位置相对于框架发生改变所需要的就是与位移相结合的检测变换器以探测谐振器的特定移动。举例来说对谐振器振动的感应可由工作于电磁式、电容式、光学式、压电式的变换器实现或利用应力计实现。这里介绍的这个特殊设计中利用了带有磁场的图形化制备的导电回路实现的电磁式拾波该磁场垂直于环的平面。由钐钴磁铁产生磁场整个结构则封装在标准的IC圆形密封金属壳内。
