淺淡陀螺儀傳感器工作原理及應(yīng)用

陀螺儀，簡(jiǎn)稱陀螺，是用來(lái)測(cè)量、控制物體相對(duì)慣性空間角運(yùn)動(dòng)的慣性器件。陀螺儀傳感器技術(shù)自問世以來(lái)，發(fā)展至今已有160余年歷史，在導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)理論的進(jìn)步和工藝水平的不斷提高，基于不同原理的陀螺儀相繼出現(xiàn)，各國(guó)對(duì)陀螺儀精度、穩(wěn)定性、可靠性、成本、體積等性能指標(biāo)的不懈追求，極大地促進(jìn)了陀螺儀技術(shù)的發(fā)展。

陀螺儀按照工作原理可劃分為：基于旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺效應(yīng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀；基于薩奈克效應(yīng)的光學(xué)陀螺儀；基于哥氏效應(yīng)的振動(dòng)陀螺儀；基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)的原子陀螺儀。

一、轉(zhuǎn)子陀螺儀

液浮陀螺儀經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)上已相對(duì)成熟，目前主要作為敏感傳感器應(yīng)用到武器系統(tǒng)上，以實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)跟蹤與制導(dǎo)，但在降低溫控裝置功耗和噪聲等方面，仍有提升空間。動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀，在20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)90年代被廣泛應(yīng)用，但隨著光學(xué)陀螺儀技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，其各方面性能指標(biāo)均不占優(yōu)勢(shì)，在各領(lǐng)域逐漸被光學(xué)陀螺儀所取代，目前國(guó)內(nèi)外已基本停止了對(duì)動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀的研究。靜電陀螺儀仍是目前實(shí)際應(yīng)用中，精度最高的陀螺儀，但由于其工藝復(fù)雜、成本昂貴、抗干擾能力差等缺陷，如今僅在高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用，受關(guān)注度較低，各國(guó)正努力尋求其替代品，未來(lái)進(jìn)一步發(fā)展的空間相對(duì)受限。

二、光學(xué)陀螺儀

光學(xué)陀螺儀因其精度高、穩(wěn)定性高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是目前捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的主流產(chǎn)品，在市場(chǎng)中仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。激光陀螺儀近年來(lái)不斷朝著高精度、小型化、低成本的方向快速發(fā)展，但如何更有效地減小閉鎖效應(yīng)，更好地提升激光陀螺儀的精度仍是亟待突破的難題。光纖陀螺儀雖然晚于激光陀螺儀出現(xiàn)，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛，美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，研制的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，滿足了不同領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，下階段，融合多種技術(shù)，從精度、穩(wěn)定性、體積和成本等方面提高光纖陀螺儀的整體性能，并采用有效手段克服外界環(huán)境的影響，將是光纖陀螺儀的重點(diǎn)研究方向。

三、 振動(dòng)陀螺儀

MEMS陀螺儀因其體積小、成本低、易批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段已基本占據(jù)低精度市場(chǎng)，隨著工藝水平、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)算法的不斷發(fā)展，其精度性能有望實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破，進(jìn)入慣性級(jí)陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域。半球諧振陀螺儀較好地滿足理想慣性傳感器的性能指標(biāo)，在成功應(yīng)用到空間領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，向航海領(lǐng)域的推廣已成為必然趨勢(shì)，例如，法國(guó)已將半球諧振陀螺儀作為新一代海洋導(dǎo)航定位系統(tǒng)的主要慣性導(dǎo)航設(shè)備，賽峰電子與防務(wù)公司基于HRG Crystal技術(shù)研發(fā)的布盧·瑙特（BlueNaute）系列慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，已開始應(yīng)用到工程船舶、科考船和海警船等載體上[20]；另外，結(jié)合新型制作工藝，大力開發(fā)基于MEMS技術(shù)的微半球諧振陀螺儀（micro-HRG, MHRG）也是未來(lái)的熱點(diǎn)研究方向。

四、原子陀螺儀

由于各國(guó)的高度關(guān)注，原子陀螺儀技術(shù)不斷取得突破性進(jìn)展，已開始逐漸從實(shí)驗(yàn)室步入工程化并最終通往產(chǎn)業(yè)化。核磁共振陀螺儀具有體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn)，與MEMS工藝技術(shù)相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)芯片型慣性級(jí)陀螺儀，并以捷聯(lián)式方案應(yīng)用到微小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、微小衛(wèi)星、小型飛行器和自主式水下航行器等裝備上。原子干涉陀螺儀具有超髙的理論精度，特別適合作為高精度平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器，應(yīng)用到戰(zhàn)略武器裝備上，但目前來(lái)看，原子干涉陀螺儀距離最終產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨許多技術(shù)困難，需要做好中長(zhǎng)期的規(guī)劃部署。

各種陀螺儀的應(yīng)用：

陀螺儀發(fā)明后首先應(yīng)用在飛機(jī)上，后來(lái)又被用在導(dǎo)彈上，采用陀螺儀確定方向和角度，就可計(jì)算出飛行路線，從而進(jìn)行姿態(tài)控制。

手機(jī)陀螺儀就是把機(jī)械陀螺儀縮小了裝在手機(jī)主板上的，其實(shí)我也是這么想的，但永遠(yuǎn)不要低估科技的力量，現(xiàn)在都發(fā)展到有激光陀螺儀，光纖陀螺儀，以及微機(jī)電陀螺儀，雖然還叫陀螺儀，但其原理跟機(jī)械陀螺儀完全不一樣，

激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度，在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時(shí)針方向和反時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測(cè)相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。主要用于航空，航天，國(guó)防等高端領(lǐng)域。

光纖陀螺儀的原理是利用光程的變化檢測(cè)出兩條光路的相位差，就可以測(cè)出光路旋轉(zhuǎn)角速度，主要用于航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

微機(jī)電陀螺儀MEMS一般會(huì)用在手機(jī)等電子產(chǎn)品上，通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體做徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。

所以，陀螺儀不僅僅是用在手機(jī)里那么簡(jiǎn)單，大到航海，航空和航天，導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器，國(guó)防等領(lǐng)域，并且地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探都離不開它。在生活中汽車導(dǎo)行，手機(jī)，環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域都需要陀螺儀的參與。

陀螺儀作為慣性技術(shù)體系的重要一環(huán)，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心傳感器，其技術(shù)的更迭前進(jìn)與慣性技術(shù)的發(fā)展需求密不可分。轉(zhuǎn)子陀螺儀拉開了陀螺儀工程化應(yīng)用的序幕；光學(xué)陀螺儀具有里程碑的意義，在捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，大幅改善了陀螺儀精度與穩(wěn)定性、體積之間的矛盾；振動(dòng)陀螺儀和原子陀螺儀等新型陀螺儀，在現(xiàn)階段展示出了巨大潛力，正處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。陀螺儀技術(shù)對(duì)國(guó)家綜合定位、導(dǎo)航、授時(shí)體系的建設(shè)有著重要意義，未來(lái)將不斷向著高精度、高可靠性和小型化、低成本兩大方向邁進(jìn)，對(duì)陀螺儀技術(shù)的持續(xù)探索研究，仍將是國(guó)內(nèi)外廣大科技工作者密切關(guān)注的焦點(diǎn)。