淺淡陀螺儀傳感器工作原理及應用

陀螺儀，簡稱陀螺，是用來測量、控制物體相對慣性空間角運動的慣性器件。陀螺儀傳感器技術自問世以來，發(fā)展至今已有160余年歷史，在導航、制導與控制等領域得到了廣泛應用。隨著科學理論的進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)，各國對陀螺儀精度、穩(wěn)定性、可靠性、成本、體積等性能指標的不懈追求，極大地促進了陀螺儀技術的發(fā)展。

陀螺儀按照工作原理可劃分為：基于旋轉質量陀螺效應的轉子陀螺儀；基于薩奈克效應的光學陀螺儀；基于哥氏效應的振動陀螺儀；基于現(xiàn)代量子力學技術的原子陀螺儀。

一、轉子陀螺儀

液浮陀螺儀經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術上已相對成熟，目前主要作為敏感傳感器應用到武器系統(tǒng)上，以實現(xiàn)隨動跟蹤與制導，但在降低溫控裝置功耗和噪聲等方面，仍有提升空間。動力調諧陀螺儀，在20世紀70年代到20世紀90年代被廣泛應用，但隨著光學陀螺儀技術的出現(xiàn)和發(fā)展，其各方面性能指標均不占優(yōu)勢，在各領域逐漸被光學陀螺儀所取代，目前國內外已基本停止了對動力調諧陀螺儀的研究。靜電陀螺儀仍是目前實際應用中，精度最高的陀螺儀，但由于其工藝復雜、成本昂貴、抗干擾能力差等缺陷，如今僅在高精度慣性導航系統(tǒng)中繼續(xù)應用，受關注度較低，各國正努力尋求其替代品，未來進一步發(fā)展的空間相對受限。

二、光學陀螺儀

光學陀螺儀因其精度高、穩(wěn)定性高、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)勢，是目前捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)中使用的主流產(chǎn)品，在市場中仍占據(jù)著主導地位。激光陀螺儀近年來不斷朝著高精度、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，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)展勢頭迅猛，美國、法國、俄羅斯和日本等發(fā)達國家，研制的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，滿足了不同領域的實際應用需求，下階段，融合多種技術，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研究方向。

三、 振動陀螺儀

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

四、原子陀螺儀

由于各國的高度關注，原子陀螺儀技術不斷取得突破性進展，已開始逐漸從實驗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、抗干擾能力強等顯著特點，與MEMS工藝技術相結合，有望實現(xiàn)芯片型慣性級陀螺儀，并以捷聯(lián)式方案應用到微小型戰(zhàn)術導彈、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式慣性導航系統(tǒng)的傳感器，應用到戰(zhàn)略武器裝備上，但目前來看，原子干涉陀螺儀距離最終產(chǎn)業(yè)化應用仍面臨許多技術困難，需要做好中長期的規(guī)劃部署。

各種陀螺儀的應用：

陀螺儀發(fā)明后首先應用在飛機上，后來又被用在導彈上，采用陀螺儀確定方向和角度，就可計算出飛行路線，從而進行姿態(tài)控制。

手機陀螺儀就是把機械陀螺儀縮小了裝在手機主板上的，其實我也是這么想的，但永遠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，以及微機電陀螺儀，雖然還叫陀螺儀，但其原理跟機械陀螺儀完全不一樣，

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

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

微機電陀螺儀MEMS一般會用在手機等電子產(chǎn)品上，通常有兩個方向的可移動電容板，徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體做徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向運動帶來的電容變化，所以由電容的變化可以計算出角速度。

所以，陀螺儀不僅僅是用在手機里那么簡單，大到航海，航空和航天，導彈、衛(wèi)星運載器，國防等領域，并且地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探都離不開它。在生活中汽車導行，手機，環(huán)境監(jiān)控等領域都需要陀螺儀的參與。

陀螺儀作為慣性技術體系的重要一環(huán)，是慣性導航系統(tǒng)中的核心傳感器，其技術的更迭前進與慣性技術的發(fā)展需求密不可分。轉子陀螺儀拉開了陀螺儀工程化應用的序幕；光學陀螺儀具有里程碑的意義，在捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)中的成功應用，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)展狀態(tài)。陀螺儀技術對國家綜合定位、導航、授時體系的建設有著重要意義，未來將不斷向著高精度、高可靠性和小型化、低成本兩大方向邁進，對陀螺儀技術的持續(xù)探索研究，仍將是國內外廣大科技工作者密切關注的焦點。