CN101071066A - 气体摆式惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于对船舶、机器人等运动体的姿态测量和控制技术领域的气体摆式惯性传感器，它主要由气流式角速度敏感元件(3)，气体摆式倾角敏感元件(4)、信号处理电路(5)等组成，信号处理电路(5)采用将装有零位和灵敏度补偿程序、线性度和输出补偿程序、抑制加速度干扰子程序和全方位倾角信号补偿程序的单片机取代了传统的硬件信号放大、滤波及补偿电路。本发明气体摆式惯性传感器有效地消除了加速度对测量的干扰，其不仅对静态和动态的被测物体的水平姿态(倾角)输出的测量信号精度很高，而且还能同时输出角速度信号，具有抗高冲击和强振动、响应时间短，线性度好、可靠性和灵敏度高以及成本低等特点。

Description

气体摆式惯性传感器

技术领域

本发明涉及一种应用于对船舶、机器人等运动体的姿态测量和控制技术领域的气体摆式惯性传感器，它主要由敏感元件和信号处理电路等组成。

背景技术

众所周知，目前在运动体的姿态测量和控制技术领域里，检测物体水平姿态(倾角)和加速度的传感器，都是利用热气流、固体和液体在地球重力场中的摆特性，例如一般的摆式水平姿态传感器的基本工作原理如图1和图2所示：传感器与物体基面相连，当物体基面相对于水平面偏转θ时，由于重力作用，摆锤m将保持在铅锤方向，因而摆锤相对于物体基面的法向将偏转同样的角度θ，通过敏感元件就可检测出角度θ。所以一般摆式水平姿态传感器仅能用于静态测量，在动态条件下，由于加速度的干扰，不能用于运动物体的倾角测量。综上所述，一般的摆式水平姿态传感器都存在着上述的缺点，即只有当待测物体无加速度干扰时才可以进行精确测量，在动态条件下这些传感器由于外界加速度的干扰会引起极大的测量误差，其测量精确度大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种传感器，它不仅可以在待测物体无加速度干扰时进行精确测量，同时，也可以在待测物体有加速度干扰时进行精确测量。

为解决上述技术问题，本发明的基本思路是将气体摆式倾角传感器和气流式角速度陀螺组合成惯性传感器，利用陀螺消除加速度对水平姿态传感器的干扰。

本发明提出的抑制加速度干扰的气体摆式惯性传感器整体结构方框图如图3所示，它实际上是由气体摆式水平姿态传感器和气流式角速度陀螺以及信号处理电路组合而成的。其工作过程是水平姿态传感器输出信号经放大器的输出信号V_Iθ进入微分器，微分器的输出信号与气流式角速度陀螺的输出信号同时加给比较器A，得到的信号即是加速度引起的干扰信号，比较器的输出信号加给积分器，积分器输出信号V_a经高通滤波器后的输出信号V’_a，又与放大器的输出信号经延时器后一起加给下一个比较器B，从而得到抑制加速度干扰的倾角信号V_θ。另外，该气体摆式惯性传感器还能直接给出角速度的输出信号V_ω。

传感器以模拟电压形式输出，未受加速度干扰时，倾角(θ)和角速度(ω)的输出电压V_θ、V_ω为

$V_{\mathrm{\θ}}=V_{0_{\mathrm{\θ}}}+K_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{\ω}}=V_{0_{\mathrm{\ω}}}+K_{\mathrm{\ω}}\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

式中，V_0θ、V_0ω分别为倾角和角速度输出的零位电压；K_θ，K_ω分别为倾角和角速度输出的比例系数。

发明人推导出图3抑制加速度干扰的水平姿态传感器输出电压(V_θ)的数学模型：

$V_{\mathrm{\θ}}=V_{{\mathrm{\θ}}_0}+(V_{\mathrm{\ω}}-V_{0_{\mathrm{\ω}}})\·m\·t\·n---\left(3\right)$

式中，n为传感器倾动时间离散化区间的个数；t为每个离散化区间的时间； $\frac{K_{\mathrm{\θ}}}{K_{\mathrm{\ω}}}=m.$ 根据上述数学模型，通过编制抑制干扰的程序，即可实现抑制加速度干扰的目的。

本发明气体摆式惯性传感器有效地消除了加速度对测量的干扰，其不仅对静态和动态的被测物体的水平姿态(倾角)的输出测量信号精度很高，并能同时输出角速度信号，此外本发明还具有抗高冲击和强振动、响应时间短，工作温度范围宽、线性度好、可靠性和灵敏度高、精度高、体积小以及成本低等特点。

附图说明

下面对本发明的附图作进一步的详细说明。

图1是摆式水平姿态传感器的基本工作原理图

图2是加速度对摆式水平姿态传感器的干扰示意图

图3是气体摆式惯性传感器的整体结构方框图

图4是气体摆式惯性传感器的结构图

图中各部件序号和名称如下：1-底座；2-壳体；3-气流式角速度敏感元件；4-气体摆式倾角敏感元件；5-信号处理电路；6-接插件接口

图5是角速度敏感元件剖面图

图中各部件序号和名称如下：8-小锁母；9-小压板；10-小密封圈；11-端盖；12-喷嘴体；13-进气阀；14-热敏塞；15-泵架；16-泵座；17-碟簧；18-大密封圈；19-大压板；20-大锁母；2-壳体；22-出气阀；23-喷嘴；24-定位键

图6是角速度敏感元件壳体剖面图

图中各部件序号和名称如下：25-密封槽；26-进气口 27-出气口

图7是压板正视图及A-A剖面图

图8是锁母剖面图

图9是角速度为10°/s时陀螺输出电压随时间的变化图

图10是气体摆式惯性传感器信号处理电路方框图

图11是一维气流式角速度陀螺结构图

图中各部件序号和名称如下：1-底座；2-壳体；3-角速度敏感元件；5-信号处理电路；6-接插件接口

图12是气流式角速度敏感元件结构图

图中各部件序号和名称如下：7-底盖；24-定位键；17-碟簧；16-泵座；15-泵架；28压电陶瓷双晶片；14-热敏塞；12-喷嘴体；23-喷嘴；2-壳体；11-端盖

图13是角速度敏感元件气流通道结构图

图中各部件序号和名称如下：21-紧固螺帽；29-压电泵；2-壳体；30-敏感座；31-敏感体；32-热电阻丝；33-气流；23-喷嘴；11-端盖

图14是二维气流式角速度陀螺结构图

图中各部件序号和名称如下：1-底座；2-壳体；34为X轴角速度敏感元件；35为Y轴角速度敏感元件；5-信号处理电路；6-接插件接口

图15是角速度敏感元件叠片状喷嘴剖面图

图中各部件序号和名称如下：23-喷嘴；36-叠片

图16是简支边支撑压电泵泵架剖面图

图17是二维气流式角速度陀螺L型定位底座结构图

图中各部件序号和名称如下：32-热电阻丝；3-角速度敏感元件；37-定位线；38-L型定位底座

图18是一维气体摆式水平姿态传感器结构图

图中各部件序号和名称如下：

1-底座；2-壳体；6-接插件接口；4-气流式倾角敏感元件；5-信号处理电路

图19是双腔六丝结构的一维气体摆式倾角敏感元件结构原理图

图中各部件序号和名称如下：39-密闭腔；40-腔体；41-腔盖；42-绝缘子；43-检测热电阻丝；44-加热热电阻丝；45-铅垂线

图20是二维气体摆式水平姿态传感器结构图

图中各部件序号和名称如下；1-底座；2-壳体；

4-二维气流式倾角敏感元件；5-信号处理电路；6-接插件接口

图21是三丝双垂直腔二维倾角敏感元件结构示意图

图22是倾斜5°时双丝结构和三丝结构输出比较图

图23是全方位气体摆式水平姿态传感器结构图

图中各部件序号和名称如下；1-底座；2-壳体；

5-信号处理电路；4-倾角敏感元件；6-接插件接口

图24是全方位气体摆水平姿态传感器敏感元件结构图

具体实施方式

本发明气体摆式惯性传感器如图4所示，它由底座1、壳体2、气流式角速度敏感元件3，气体摆式倾角敏感元件4、信号处理电路5和接插件接口6构成。

如图10所示，气体摆式惯性传感器的信号处理电路主要包括电桥电路、信号放大、滤波、单片机补偿电路等。其中水平姿态输出可分为一维、二维、抗干扰和全方位倾角输出，单片机补偿程序包括零位和灵敏度补偿程序，线性度和输出补偿程序，抑制加速度干扰子程序，全方位倾角信号补偿程序，根据传感器的不同单片机内补偿程序有所不同。为了提高本发明气体摆式惯性传感器的性能，本发明信号处理电路的单片机的零位和灵敏度补偿程序、线性度和输出补偿程序是气流式水平姿态传感器与角速度陀螺共用的；为了使气流式水平姿态传感器能在运动体上应用，单片机内装有抑制加速度干扰子程序；为了全方位水平姿态的测量，单片机内装有全方位信号补偿子程序；为了减小传感器的体积和众多分立元件对传感器综合性能的影响，降低零位漂移，用C8051F350单片机放大、滤波和数据补偿处理取代了传统的硬件信号放大、滤波及补偿电路，并将传统的四块电路板缩减成一块电路，使传感器体积缩小50％，零位漂移降低了80％。实验表明，软件补偿后传感器非线性度下降到≤0.5％；灵敏度的变化量下降到≤0.6％；工作温度扩展到-40℃～+55℃，抑制加速度干扰能力大于95％，从而提高了产品的整体性能(见表1)。

表1  气体摆式惯性传感器的主要性能指标

测量范围		分辨率		比例系数		非线性度(％FS)	响应时间(ms)	工作温度(℃)	抑制加速度干扰能力
										倾角	角速度	倾角	角速度	倾角	角速度	≤1％	≤100	-45～65	＞95％
±30°	±30°/S	0.01°	0.01°/S	150mV/°	40mV/°/S

气流式角速度敏感元件是气体摆式惯性传感器的关键部件，如图5和图6所示，它主要由端盖、定位键、碟簧、泵座、泵架、压电泵(由泵架和压电陶瓷双晶片粘接而成)、热敏塞、喷嘴体、喷嘴、壳体等组成。

为了有效地降低外界对敏感元件内气体运动状态的影响，提高传感器的稳定性，  本发明在气流式角速度敏感元件的壳体左右两侧开两个密封槽，分别安放两个密封圈，由两个π型压板(见图7)压紧密封圈，再由大小锁母(见图8)紧扣压板，通过这种结构密封敏感元件内的工作气体。图9为密封敏感元件前后角速度为10°/s时陀螺输出电压随时间的变化情况，从图中可以看出传感器的稳定性大大提高。

如图5和图6所示，气流式角速度敏感元件的壳体还采用独特的双气阀结构，即在壳体的两侧开进气口和出气口，在进气口和出气口上分别安装单向阀，通过出气阀对敏感元件抽真空，然后在百级间净化室打开进气阀，使敏感元件内充满干燥、纯净的空气。工作气体优化后灵敏度提高1倍，零位漂移减低80％。

用于气体摆式惯性传感器的角速度陀螺有一维和二维两种结构的实施方式。

一维气流式角速度陀螺主要由角速度敏感元件3、信号处理电路5、壳体2、接插件接口6和基座1组成，如图11所示。信号处理电路主要包括电桥电路、放大、滤波、单片机补偿电路等。输入角速度通过电桥电路转换为电压信号，由放大电路放大并滤波后进入单片机补偿电路，单片机补偿电路完成对角速度信号的零位、灵敏度和线性度补偿后输出角速度信号。一维气流式角速度陀螺能够输出一个方向的角速度信号。

一维气流式角速度敏感元件主要由端盖、定位键、碟簧、泵座、泵架、压电泵(由泵架和压电陶瓷双晶片粘接而成)、热敏塞、喷嘴体、喷嘴、壳体等组成，如图12所示。热敏塞上焊接两根平行热电阻丝，压电泵驱动气体在敏感元件内定向流动，一旦有角速度信号输入，原来从热电阻丝对称中心通过的气流束就会向某一方向偏离，造成对两热电阻丝不同的冷却，由电桥检测出两热电阻丝的电阻变化量，电阻变化量与角速度成正比。理论研究和试验表明，流线型结构的气流通道不会造成腔体内气流形成大的紊流，从而维持气流循环速度不变，使传感器的性能稳定。实验结果表明，采用如图13所示气流通道的结构，可获得较好的传感器性能(见表2)。

表2  一维气流式角速度传感器主要性能指标

测量范围	分辨率	比例系数	非线性度(％FS)	响应时间(ms)	工作温度(℃)
						±120°/S	0.01°/S	80mV/°/S	≤1％	≤100	-40～60

如图14所示，二维气流式角速度陀螺由底座、壳体、X轴气流式角速度敏感元件、Y轴气流式角速度敏感元件、信号处理电路和接插件接口组成。信号处理电路主要包括电桥、放大、滤波、单片机补偿等电路。X、Y方向输入的角速度通过电桥电路转换为电压信号，由放大电路放大滤波后进入单片机补偿电路，单片机补偿电路完成X、Y方向角速度信号的零位、灵敏度和线性度补偿后输出角速度信号。二维气流式角速度陀螺的两个角速度敏感元件和相应的电路实现了一体化设计，从而减小了体积和功耗。

如图15所示，在喷嘴圆台型凹槽侧壁镶嵌四个矩形叠片，使气流束呈层流分布，保持气流流动状态稳定，避免传感器输出有震荡现象，提高传感器输出的稳定性和重复性。实验表明，叠片状喷嘴使零位变化量从≤10％下降到≤0.2％，从而提高了传感器的性能(见表3)。

压电泵是驱动气体在气流通道中循环的动力源。为了保证压电泵有较高的机电耦合，在设计和制作压电泵时其边界条件尽量保证简支边边界条件。这是因为简支边条件支撑的结构轻便、结实，而且装置的损耗也降到最低程度。实验表明，图16示出的简支边支撑更接近于简支边支撑边界条件，这种简支边支撑压电泵灵敏度可提高50％。

如图17所示，两个一维角速度敏感元件垂直安装在L型定位底座上。在安装两个敏感元件时，从端盖处观察并调节两热电阻丝的位置，使热电阻丝与各自底板上定位线对齐。由于L型底座是由各个互相垂直的底板构成，所以两个敏感元件内的热电阻丝也就互相垂直了。测试结果表明，这种调试技术能使交叉耦合从3％减小到1％。

表3  二维气流式角速度陀螺主要性能指标

测量范围(X、Y轴)	分辨率	比例系数	非线性度(％FS)	响应时间(ms)	工作温度(℃)
						±45°/S	0.01°/S	40mV/°/S	≤1％	≤100	-40～60

用于气体摆式惯性传感器的气体摆式水平姿态传感器有一维、二维和全方位三种。

一维气体摆式水平姿态传感器主要包括底座、壳体、接插件接口、一维气体摆式倾角敏感元件和信号处理电路，如图18所示。信号处理电路主要包括电桥电路、放大、滤波和单片机补偿电路等。输入倾角通过电桥电路转换为电压信号，由放大电路放大并滤波后进入单片机补偿电路。单片机补偿电路完成对倾角信号的零位、灵敏度和线性度补偿后输出倾角信号。

图19示出一种双腔六丝结构的倾角敏感元件结构原理。它由两个壳体和四个端盖构成两个独立的圆柱形密闭腔体；每个密闭腔体的两端各设有三根绝缘子；热电阻丝焊接在绝缘子的端点上，每个密闭腔体内共焊接有三根热电阻丝，其中加热热电阻丝设置在圆柱形密闭腔的轴心线上，两个检测用热电阻丝设置于加热热电阻丝两侧的对称位置a和b。工作时，对加热热电阻丝通以恒定电流使之发热，利用检测热电阻丝作为检测元件，并构成信号检测电桥的两臂。当敏感元件腔体相对水平面倾斜时，检测热电阻丝在不同的等温线上，阻值发生变化，电桥失去平衡，电桥电路输出值与倾角成正比。利用此种结构的传感器灵敏度可提高2倍，主要性能见表4。

表4  一维气体摆式水平姿态传感器主要性能指标

测量范围	分辨率	比例系数	非线性度(％FS)	响应时间(ms)	工作温度(℃)
						±45°	0.01°	100mV/°	≤0.5％	≤100	-40～60

二维气体摆式水平姿态传感器能够同时输出载体的X轴和Y轴两个方向上的倾角，如图20所示，它由壳体、底座、二维气流式倾角敏感元件、信号处理电路和接插件接口组成。信号处理电路主要包括电桥、放大、滤波和单片机补偿等电路。X、Y方向输入的倾角通过电桥电路转换为电压信号，由放大电路放大并滤波后进入单片机补偿电路。单片机补偿电路完成对X、Y方向倾角信号的零位、灵敏度和线性度补偿后输出X、Y方向倾角信号。

图21示出一种三丝双垂直腔二维倾角敏感元件结构，它由两个独立并互相垂直的圆柱形密闭腔体构成，中间用一槽榫接上下两部件，较好地隔绝两腔室，有效地避免两轴的交叉耦合。由于两个腔体分别对应X轴和Y轴，因此两腔体的设计需要尺寸保持一致性，以保证两轴的一致性。r₅、r₆作为密闭腔体内的加热丝，使两个密闭腔内气体产生自然对流。热敏丝r₁、r₂和r₃、r₄分别作为两个腔体内的检测丝，分别敏感X轴向和Y轴向倾角引起的温度变化。在检测丝工作电流较低的情况下，调整加热丝的工作电流即可得较高的灵敏度。这种加热丝和检测丝分离的设计，不仅提高了传感器的稳定性，还保持了高灵敏度，从而解决了灵敏度高稳定性就差的矛盾，并且在保证灵敏度的情况下，工作电流还可由原来的80mA降低到40mA。从图22可以看出在相同灵敏度情况下，三丝结构的重复性优于双丝结构的重复性。该传感器主要性能见表5。

表5  二维气体摆式水平姿态传感器主要性能指标

测量范围(X，Y轴)	分辨率	比例系数	非线性度(％FS)	响应时间(ms)	工作温度(℃)
						±45°	0.01°	100mV/°	≤1％	≤100	-40～60

全方位气体摆式水平姿态传感器能够对载体的全方位水平姿态定量测量，给出诸如浮标、吊放声纳等载体全方位的姿态准确检测结果。全方位气流式水平姿态传感器的结构如图23所示，它由底座、壳体、信号处理电路、敏感元件及接插件接口组成。敏感元件输出X轴倾角信号和Y轴倾角信号，通过信号合成处理即可获取载体的实际水平姿态信息。信号处理电路中信号放大器的输出接于单片机，单片机安装获取载体全方位倾斜信号的数据处理程序。

图24示出全方位气体摆式水平姿态传感器的双腔体双敏感丝结构。圆柱体“T”形气体对流循环腔体，内设兼有热源及测温功能的铂丝；热敏丝以“T”形方式安装，通过专用夹具调整热敏丝的垂直度和平行度，保证传感器性能的一致性；两条相互垂直相交的直线可确定一平面，将这两条直线作为坐标轴，以此设计互相垂直并相互独立的两个横卧式圆柱形密闭腔体，各腔体对应的敏感结构独立地对腔体的倾斜角进行测量。由于两个腔体分别对应X和Y轴倾角输出，对两腔体获得的两信号进行合成处理，就可得到全方位的倾斜角度。

这种结构的优点是：加工简单，腔体可设计得细而长，热敏丝处于过腔体轴心线的水平面内，较长的热敏丝在自然对流场中有较好的热交换，即较长热敏丝更能准确地检测温度场的变化，故这种敏感结构的传感器灵敏度和分辨率提高2倍。试验证明，这种补偿方法可使交叉耦合下降50％。该传感器的主要性能见表6。

表6  全方位气体摆式水平姿态传感器主要性能指标

测量范围	分辨率	比例系数	非线性度(％FS)	响应时间(ms)	工作温度(℃)
						倾斜角：0～20°；方位角：0～360°	二维：0.01°；全方位：0.2°	100mV/°	≤1％	≤100	-40～65

Claims (10)

1.一种气体摆式惯性传感器由敏感元件和信号处理电路以及底座、壳体、插座等组成，其特征在于：所述的敏感元件是由气流式角速度敏感元件(3)和气体摆式倾角敏感元件(4)组成；所述的信号处理电路(5)主要包括电桥电路、信号放大、滤波、单片机补偿电路，即将装有零位和灵敏度补偿程序、线性度和输出补偿程序、抑制加速度干扰子程序和全方位倾角信号补偿程序的单片机取代了传统的硬件信号放大、滤波及补偿电路，并将传统的四块电路板缩减成一块电路板。

2.按照权利要求1所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的气体摆式倾角(水平姿态)敏感元件(4)有一维、二维和全方位结构，所述的一维气体摆式倾角(水平姿态)敏感元件(4)是一种双腔六丝结构，它由两个壳体和四个端盖构成两个独立的圆柱形密闭腔体，每个密闭腔体的两端各设有三根绝缘子，热电阻丝焊接在绝缘子的端点上，每个密闭腔体内共焊接有三根热电阻丝，其中加热热电阻丝(44)设置在圆柱形密闭腔的轴心线上，两个检测用热电阻丝(43)设置于加热热电阻丝两侧的对称位置。

3.按照权利要求1或2所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的二维气体摆式倾角(水平姿态)敏感元件(4)是三丝双垂直腔结构，它由两个独立并互相垂直的圆柱形密闭腔体构成，中间用一槽榫连接上下两部件同时隔绝两腔室，以避免两轴的交叉耦合；其中一个圆柱形密闭腔体内包含r₁、r₂、r₅三根电阻丝，另一个圆柱形密闭腔体内包含r₃、r₄、r₆三根电阻丝。

4.按照权利要求1或2所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的全方位气体摆式倾角(水平姿态)敏感元件(4)是双腔体双敏感丝结构，圆柱体具有“T”形气体对流循环腔体，内设兼有热源及测温功能的铂丝；热敏丝以“T”形方式安装，两个横卧式圆柱形密闭腔体相互独立并垂直。

5.按照权利要求1所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：由角速度敏感元件(3)组成的角速度陀螺有一维和二维两种结构，所述的一维气流式角速度陀螺主要由角速度敏感元件(3)、信号处理电路(5)、壳体(2)、接插件接口(6)和基座(1)组成，一维气流式角速度敏感元件主要由端盖(11)、定位键(24)、碟簧(17)、泵座(16)、泵架(15)、压电泵(29)(由泵架和压电陶瓷双晶片粘接而成)、热敏塞(14)、喷嘴体(12)、喷嘴(23)、壳体(2)组成，热敏塞(14)上焊接两根平行热电阻丝(32)。

6.按照权利要求1或5所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的二维气流式角速度陀螺是由X轴气流式角速度敏感元件和Y轴气流式角速度敏感元件垂直安装在由两个互相垂直的底板构成的L型定位底座上，两个敏感元件内的热电阻丝与各自底板上定位线对齐呈互相垂直状态。

7.按照权利要求1或5所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的气流式角速度敏感元件(3)的壳体两侧开进气口(26)和出气口(27)，在进气口和出气口上分别安装单向阀；同时在壳体左右两侧开两个密封槽(25)，分别安放两个密封圈(10)和(18)，由两个π型压板(9)和(19)压紧密封圈(10)和(18)，再由大小锁母(8)和(20)紧扣压板(9)和(19)。

8.按照权利要求1或5所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的气流式角速度敏感元件(3)的压电泵采用简支边支撑的结构。

9.按照权利要求1或5所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的气流式角速度敏感元件(3)的喷嘴(23)为叠片状，即在喷嘴圆台型凹槽侧壁镶嵌四个矩形叠片(36)。

10.按照权利要求1或5所述的气体摆式惯性传感器，其特征在于：所述的气流式角速度敏感元件(3)采用流线型结构的气流通道。

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