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MEMS流體陀螺

發(fā)布時(shí)間:2010-10-08

中心議題:
  • 各種流體陀螺簡介
  • 流體陀螺所采用的技術(shù)分析
解決方案:
  • 氣體對(duì)流陀螺
  • 射流微陀螺
  • ECF流體陀螺
  • 超流體陀螺

MEMS技術(shù)的發(fā)展使得慣性技術(shù)領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場深刻的變化。慣性傳感器是利用物體的慣性性質(zhì)來測量物體運(yùn)動(dòng)情況的一類傳感器,包括加速度計(jì)和陀螺。其中微陀螺在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)如航空航天和航海事業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。除了傳統(tǒng)的機(jī)械式振動(dòng)陀螺外,各種新型陀螺也層出不窮,如靜電支撐陀螺、磁支撐陀螺、微流體陀螺、超導(dǎo)陀螺等,這些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的優(yōu)勢,下面就流體陀螺的研究和發(fā)展應(yīng)用前景進(jìn)行介紹。

各種流體陀螺簡介

流體類陀螺儀與傳統(tǒng)陀螺儀相比,由于沒有懸掛質(zhì)量塊,結(jié)構(gòu)大大簡化,制作難度降低,更重要的是,省去了復(fù)雜的活動(dòng)部件,其抗沖擊、抗振動(dòng)能力大大提高,特別適合在高沖擊、高振動(dòng)環(huán)境下使用。

流體陀螺的基本原理主要有兩種:一種是在外界的控制下流體本身產(chǎn)生角動(dòng)量,流體作為常規(guī)的轉(zhuǎn)子,形成測量外界角速度的角動(dòng)量,當(dāng)外界有角速度輸入時(shí),利用轉(zhuǎn)動(dòng)流體與殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生敏感變化的輸出信號(hào)。另一種則是利用流體系統(tǒng)的科氏加速度來產(chǎn)生敏感變化的輸出信號(hào)。

氣體對(duì)流陀螺

圖1是由清華大學(xué)設(shè)計(jì)、中國電子集團(tuán)第13研究所加工而成的微流體陀螺儀。它是利用氣體流速方向在哥氏加速度作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理,采用微機(jī)械加工工藝制作的。此微流體傳感器由隔熱腔體、加熱器和兩對(duì)對(duì)稱的溫度傳感器構(gòu)成。加熱器和溫度傳感器懸在腔體上面。加熱器加熱使其周圍的氣體溫度升高,密度減小。在重力加速度的作用下,腔體內(nèi)的氣體發(fā)生對(duì)流。位于加熱器相等距離上的一對(duì)溫度傳感器用來測量加熱器兩邊的溫差。

器件封裝在密封的隔熱管殼內(nèi),防止外部氣流和溫度對(duì)器件的影響。敏感方向無哥氏加速度時(shí),腔體內(nèi)的加熱氣體只在重力加速度的作用下發(fā)生對(duì)流,如加熱器水平方向上兩邊相等位置上的溫度相等,兩對(duì)溫度傳感器的輸出相等。敏感方向上有哥氏加速度時(shí),腔體內(nèi)的氣體在重力加速度和外加角速度的聯(lián)合作用下交替膨脹,加熱器水平兩邊相等位置上出現(xiàn)溫度差,兩對(duì)溫度傳感器的輸出就產(chǎn)生差異。若兩對(duì)溫度傳感器采用熱敏電阻,可與外接的兩對(duì)參考電阻構(gòu)成電阻電橋,這樣通過電橋的輸出電壓信號(hào)變化便可以測量出外界輸入角速度的值。

射流微陀螺

射流氣體陀螺是利用強(qiáng)迫對(duì)流氣體的氣流束(層流)和敏感元件的熱阻效應(yīng)來測量角速率的。目前,采用MEMS技術(shù)制作的射流微陀螺并不多。報(bào)道的射流氣體微陀螺主要由壓電驅(qū)動(dòng)泵、循環(huán)氣流通道及腔室、微噴嘴和熱敏元件等組成。它結(jié)構(gòu)簡單,無活動(dòng)檢測質(zhì)量,抗過載能力強(qiáng),成本低,壽命長。它是在哥氏力定理基礎(chǔ)上發(fā)明出來的,它通過壓電泵驅(qū)動(dòng)氣體循環(huán),當(dāng)陀螺有角速度信號(hào)輸入時(shí),利用哥氏力使循環(huán)氣流束偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)角參數(shù)的測量。循環(huán)氣流是由壓電泵激勵(lì)而產(chǎn)生的氣體層流束(射流),信號(hào)由兩根平行的熱敏絲R1,R2敏感。當(dāng)輸入角速度為∞時(shí),由于哥氏力的作用,射流束偏離原來所在的射腔的中心位置(見圖2),偏離的角度和方向決定于輸入角速度,這樣通過測量外圍電路電壓的變化便可測量出相應(yīng)的加速度值。
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傳統(tǒng)陀螺是利用高速轉(zhuǎn)子的定軸性和進(jìn)動(dòng)性敏感角速度,而射流陀螺是利用氣流束在慣性力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)敏感角速度。由于氣體的質(zhì)量很小,沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件,故壓電射流陀螺能承受高沖擊,并有壽命長、成本低等其他陀螺不可媲美的優(yōu)點(diǎn)。壓電射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域,是測量和控制角速度、角加速度和角度等角參數(shù)的關(guān)鍵部件。它也是末制導(dǎo)炮彈和機(jī)器人姿態(tài)控制不可缺少的慣性器件。

ECF流體陀螺ECF(electro-conjugatefluid)

流體是一種新型的流體材料,當(dāng)在流體兩端的電極上加上幾千伏的電壓時(shí),ECF流體可以產(chǎn)生很強(qiáng)的流動(dòng),利用ECF流體的這種特性可以制作基于ECF的流體陀螺。由日本東京工業(yè)大學(xué)制作的這種流體陀螺如圖3所示,其基本原理如下:在容器內(nèi)部充滿ECF液體,當(dāng)在如圖3所示的電極上加上上千伏的電壓時(shí),便會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的ECF液體沖擊流,并往圖3(a)所示方向流動(dòng)。

當(dāng)給陀螺如圖3(b)所示以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角速度時(shí),ECF的流動(dòng)便向左邊偏移,左右流體的流動(dòng)變化使得頂部的熱阻阻值發(fā)生變化,進(jìn)而可以檢測出外部的電壓值的變化,通過測量外部電壓的變化便可以測量出外界輸入角速度的值。

ECF流體所具有的特性為流體陀螺的研究開拓了新的途徑,但是ECF流體陀螺所用的高電壓卻可能限制它的應(yīng)用場合,設(shè)法尋找新的ECF材料或采取其它途徑來降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴(kuò)大應(yīng)用場合的關(guān)鍵。

1.4超流體陀螺

對(duì)于超流體陀螺(superfluidgyroscope)的研究是基于一種低溫物理效應(yīng)一超流體開展的。采用超流體的陀螺。其工作原理設(shè)計(jì)、可行性驗(yàn)證以及精度等級(jí)的確定等方面都需要進(jìn)行大量探索性的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析。但因?yàn)槌黧w獨(dú)特的物理特性對(duì)于保持慣性有著良好的潛力,研究者們正在積極開展相關(guān)工作,發(fā)展基于超流體的慣性陀螺儀。

由于超流體流動(dòng)基本上可以認(rèn)為沒有阻力,當(dāng)承載容器與其發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)時(shí),超流體不會(huì)像通常的流體一樣由于液體的粘性力發(fā)生隨動(dòng),而是保持原來的狀態(tài)。也就是說低阻使之對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)可能呈現(xiàn)出非常良好的慣性。這樣超流體與承載容器間就出現(xiàn)了相對(duì)流動(dòng),檢測這個(gè)運(yùn)動(dòng)速度或它的某種放大量就可以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)速度的信息。由于超流體的粘滯系數(shù)很低,流體間以及流體對(duì)周圍運(yùn)動(dòng)的阻尼很小,具有很好的慣性,而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)陀螺的要求正是需要其保持良好的慣性系。

利用超流體效應(yīng)檢測角速度,在原理上具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陀螺的性能潛力,適用于各類需要高精度陀螺的場合。不過,由于該方向的研究剛剛展開,不成熟的環(huán)節(jié)還較多,如何將原理與實(shí)際的應(yīng)用相結(jié)合,探尋更有效的高精度方案,完善配套技術(shù)以降低制造成本、縮小體積重量都是有待進(jìn)一步研究的問題。

本文根據(jù)微流體陀螺的不同原理介紹了幾種常見的MEMS微流體陀螺,并對(duì)它們的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行了簡單的介紹,這幾種MEMS微流體陀螺都具有體積小、重量輕、成本低和抗高沖擊等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),使得它們都較適合應(yīng)用在慣性導(dǎo)航、自動(dòng)控制等相關(guān)領(lǐng)域,因而具有廣闊的應(yīng)用前景,隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展和新型材料的應(yīng)用,流體陀螺的種類將進(jìn)一步多樣化,微流體陀螺將在慣性導(dǎo)航和自動(dòng)控制等方面發(fā)揮越來越重要的作用。
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