CN114061577A - 一种微惯性测量单元 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种微惯性测量单元，该测量单元包括：几何中心相同且依次包覆的第一定位壳体、第二定位壳体、第三定位壳体、球形填充空腔和球形永磁空腔；位于第一定位壳体外表面的三对彼此正交的弹簧，弹簧另一端固定于第二定位壳体内表面；位于第二定位壳体外表面的第一应力丝对，其中应力丝另一端固定于第三定位壳体的内表面；位于第三定位壳体外表面的第二应力丝对，其中应力丝另一端固定于球形填充空腔的内表面；球形填充空腔外表面与球形永磁空腔内表面紧密接触，球形永磁空腔的充磁方向分别垂直于第一应力丝对所在直线和第二应力丝对所在直线。本发明实施例，实现了微惯性测量单元的高集成度和高精度测量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及空间惯性测量技术领域，尤其涉及一种微惯性测量单元。
背景技术
目前惯性测量单元涉及加速度计和陀螺仪两种传感器，其中加速度计用以测量线性加速度变化，陀螺仪用以测量旋转角速度变化。现有惯性测量单元分为分立型和集成型。
分立型惯性测量单元中高精度加速度计与陀螺仪均为分立器件，两者的惯性参数测量精度高、稳定性好，但难于集成，存在体积大、功耗高的问题。与此相对的，集成型惯性测量单元大多为基于微机电工艺制造的一体化集成器件，具有体积小、集成度高、功耗低的优点，但同时存在信噪比较差、稳定性不佳、易受外界干扰、难以用于高精度惯性测量的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种微惯性测量单元，以实现高集成度和高精度的惯性测量单元。
本发明实施例提供了一种微惯性测量单元，包括：第一定位壳体，第二定位壳体，第三定位壳体，球形填充空腔和球形永磁空腔，所述第一定位壳体、所述第二定位壳体、所述第三定位壳体、所述球形填充空腔和所述球形永磁空腔的几何中心相同且依次包覆；
所述第一定位壳体内置印刷电路板，所述印刷电路板上设置有三轴磁阻芯片以及控制电路，所述第一定位壳体的外表面上设置有三对彼此正交的弹簧，各个所述弹簧所在直线均通过所述几何中心，其中，所述弹簧的一端固定于所述第一定位壳体的外表面，且另一端固定于所述第二定位壳体的内表面；
所述第二定位壳体的外表面上设置有第一应力丝对，所述第一应力丝对包含位于通过所述几何中心的同一直线上的两条应力丝，所述第一应力丝对中每条应力丝的一端固定于所述第二定位壳体的外表面，且另一端固定于所述第三定位壳体的内表面；
所述第三定位壳体的外表面上设置有第二应力丝对，所述第二应力丝对包含位于通过所述几何中心的同一直线上的两条应力丝，所述第二应力丝对中每条应力丝的一端固定于所述第三定位壳体的外表面，且另一端固定于所述球形填充空腔的内表面；
所述第一应力丝对所在直线垂直于所述第二应力丝对所在直线，所述球形填充空腔的外表面与所述球形永磁空腔的内表面紧密接触，所述球形永磁空腔的充磁方向分别垂直于所述第一应力丝对所在直线和所述第二应力丝对所在直线。
进一步地，所述第一定位壳体为球体，每对弹簧与所述第一定位壳体的接触点为所述第一定位壳体的外直径两端；或者，
所述第一定位壳体为立方体，每个弹簧与所述第一定位壳体的接触点为所述第一定位壳体的表面中心。
进一步地，所述第二定位壳体和所述第三定位壳体均为球体。
进一步地，所述控制电路包含供电单元和数据处理单元，还包括数据存储单元和数据传输单元中的一种或两种。
进一步地，所述三轴磁阻芯片的三轴灵敏度方向彼此垂直，且分别与三对弹簧所在直线方向一致。
进一步地，所述球形永磁空腔的充磁方向与其中一对弹簧所在直线方向一致。
进一步地，所述三轴磁阻芯片为各向异性磁阻、巨磁阻或隧道结磁阻芯片。
进一步地，所述三轴磁阻芯片的输出信号采用单端输出或者差分输出的方式输出。
进一步地，所述弹簧、所述第一应力丝对、所述第二应力丝对、所述第一定位壳体、所述第二定位壳体、所述第三定位壳体及所述球形填充空腔均采用无磁性材料。
进一步地，所述弹簧为零长弹簧。
本发明实施例提供的微惯性测量单元，以高灵敏度三轴磁阻芯片作为参数表征器件，三对彼此正交的弹簧作为惯性传递结构，中空球形永磁空腔作为恒稳磁场源及外部干扰磁场屏蔽结构；利用多层固定与可动球壳、惯性参数传导组件弹簧及应力丝相复合，将外界惯性参量信号转变为三轴磁阻芯片的空间位移，实现加速度计与陀螺仪功能一体化；利用三轴磁阻芯片作为敏感元件，将三轴磁阻芯片位移造成的自身周围磁场变化转换为磁电阻值变化，检测恒稳磁场源在空间相应位置的磁场强度及变化量，可以实现对惯性参量信号高精度测量。本发明实施例提供的微惯性测量单元，实现了惯性参量信号微小变化的高灵敏度和高精度测量，具有高可靠性、高集成度、体积小、功耗低的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
图1是本发明实施例提供的一种微惯性测量单元的二维示意图；
图2是图1的三维示意图；
图3是球体第一定位壳体的弹簧结构示意图；
图4是立方体第一定位壳体的弹簧结构示意图；
图5是第一定位壳体的内部组件示意图；
图6是微惯性测量单元的电路示意图；
图7是三轴磁阻芯片的灵敏度方向示意图；
图8是三轴磁阻芯片的一种输出电路的示意图；
图9是三轴磁阻芯片的另一种输出电路的示意图；
图10是三轴磁阻芯片的又一种输出电路的示意图；
图11是三轴磁阻芯片的再一种输出电路的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种微惯性测量单元的示意图。本实施例提供的微惯性测量单元包括：第一定位壳体101，第二定位壳体102，第三定位壳体103，球形填充空腔104和球形永磁空腔105，第一定位壳体101、第二定位壳体102、第三定位壳体103、球形填充空腔104和球形永磁空腔105的几何中心相同且依次包覆；第一定位壳体101内置印刷电路板，印刷电路板上设置有三轴磁阻芯片以及控制电路，第一定位壳体101的外表面上设置有三对彼此正交的弹簧106，各个弹簧106所在直线均通过几何中心，其中，弹簧106的一端固定于第一定位壳体101的外表面，且另一端固定于第二定位壳体102的内表面；第二定位壳体102的外表面上设置有第一应力丝对107，第一应力丝对107包含位于通过几何中心的同一直线上的两条应力丝，第一应力丝对107中每条应力丝的一端固定于第二定位壳体102的外表面，且另一端固定于第三定位壳体103的内表面；第三定位壳体103的外表面上设置有第二应力丝对108，第二应力丝对108包含位于通过几何中心的同一直线上的两条应力丝，第二应力丝对108中每条应力丝的一端固定于第三定位壳体103的外表面，且另一端固定于球形填充空腔104的内表面；第一应力丝对107所在直线垂直于第二应力丝对108所在直线，球形填充空腔104的外表面与球形永磁空腔105的内表面紧密接触，球形永磁空腔105的充磁方向分别垂直于第一应力丝对107所在直线和第二应力丝对108所在直线。
本实施例中，第一定位壳体101位于微惯性测量单元的中心，第二定位壳体102包覆第一定位壳体101且两者几何中心相同，第三定位壳体103包覆第二定位壳体102且几何中心相同，球形填充空腔104包覆第三定位壳体103且几何中心相同，球形永磁空腔105包覆球形填充空腔104且几何中心相同。
第一定位壳体101内置印刷电路板，印刷电路板上设置有三轴磁阻芯片以及控制电路。三轴磁阻芯片具有高灵敏度，可作为微惯性测量单元的参数表征器件。
第一定位壳体101的外表面上设置有三对彼此正交的弹簧106，每个弹簧106的一端固定于第一定位壳体101的外表面，且另一端固定于第二定位壳体102的内表面，弹簧106所在直线可以理解为弹簧106的轴线，则每个弹簧106的轴线均通过几何中心。以空间坐标系XYZ作为参考，可选第一对弹簧中两个弹簧对称分布在几何中心两侧，且该两个弹簧的轴线方向均平行于X方向；可选第二对弹簧中两个弹簧对称分布在几何中心两侧，且该两个弹簧的轴线方向均平行于Y方向；可选第三对弹簧中两个弹簧对称分布在几何中心两侧，且该两个弹簧的轴线方向均平行于Z方向。三对彼此正交的弹簧在两个壳体之间做直线运动，该弹簧-壳体结构可作为微惯性测量单元的惯性传递结构。
第二定位壳体102的外表面上设置有第一应力丝对107，第一应力丝对107中两条应力丝对称分布在几何中心两侧，且位于同一直线上，该直线通过几何中心，每条应力丝的两端分别连接第二定位壳体102外侧表面和第三定位壳体103内侧表面。第三定位壳体103的外表面上设置有第二应力丝对108，第二应力丝对108中两条应力丝对称分布在几何中心两侧，且位于同一直线上，该直线通过几何中心，每条应力丝的两端分别连接第三定位壳体103外侧表面和球形填充空腔104内侧表面。第一应力丝对107所在直线垂直于第二应力丝对108所在直线。应力丝在两个壳体之间做单轴旋转，其结构看作为应力丝-球壳结构。
球形填充空腔104的外表面与球形永磁空腔105的内表面紧密接触，如图2所示球形永磁空腔105的充磁方向110分别垂直于第一应力丝对107所在直线和第二应力丝对108所在直线。以空间坐标系XYZ作为参考，示例性的第一应力丝对107所在直线平行于X方向，第二应力丝对108所在直线平行于Y方向，球形永磁空腔105的充磁方向110平行于Z方向；或者，第一应力丝对107所在直线平行于Y方向，第二应力丝对108所在直线平行于Z方向，球形永磁空腔105的充磁方向110平行于X方向；不限于此。
本实施例中，第一定位壳体101、第二定位壳体102、第三定位壳体103和球形填充空腔104均为刚性壳体，第一应力丝对107和第二应力丝对108均为刚性细丝，可选如石英丝。可选球形永磁空腔105可通过粘接、注塑含永磁粉体材料成型，以实现球形填充空腔104外表面与球形永磁空腔105内表面紧密接触，球形永磁空腔105为中空结构，中空球形永磁空腔105可作为微惯性测量单元的恒稳磁场源。
如上所述，采用磁电阻材料制成的三轴磁阻芯片具有自身阻值对于外部磁场变化响应速度快、灵敏度高、功耗极低的优势，配合直线运动的弹簧-壳体结构以及两个单轴旋转应力丝-球壳结构，可以实现加速度计与陀螺仪功能一体化。同时，利用外侧球形永磁空腔在内部提供恒稳磁场，提供了稳定精确的测量环境，并能够有效屏蔽外界磁干扰，以将微小的惯性参数变化转变为磁电阻的空间位移，再转变为磁电阻值的显著变化，实现微惯性测量单元的高精度、高灵敏度、高集成度、低功耗和高可靠性。
可选弹簧106为零长弹簧。可选微惯性测量单元采用外力与弹簧长度变化量成正比的普通弹簧；还可选微惯性测量单元采用通过加工施加预收缩力使外力与弹簧长度成正比的零长弹簧。
可选弹簧106、第一应力丝对107、第二应力丝对108、第一定位壳体101、第二定位壳体102、第三定位壳体103及球形填充空腔104均采用无磁性材料。可以避免对三轴磁阻芯片的干扰，提高测量精度。
本发明实施例提供的微惯性测量单元，以高灵敏度三轴磁阻芯片作为参数表征器件，三对彼此正交的弹簧作为惯性传递结构，中空球形永磁空腔作为恒稳磁场源及外部干扰磁场屏蔽结构；利用多层固定与可动球壳、惯性参数传导组件弹簧及应力丝相复合，将外界惯性参量信号转变为三轴磁阻芯片的空间位移，实现加速度计与陀螺仪功能一体化；利用三轴磁阻芯片作为敏感元件，将三轴磁阻芯片位移造成的自身周围磁场变化转换为磁电阻值变化，检测恒稳磁场源在空间相应位置的磁场强度及变化量，可以实现对惯性参量信号高精度测量。本发明实施例提供的微惯性测量单元，实现了惯性参量信号微小变化的高灵敏度和高精度测量，具有高可靠性、高集成度、体积小、功耗低的优势。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选第一定位壳体为球体，每对弹簧与第一定位壳体的接触点为第一定位壳体的外直径两端；或者，第一定位壳体为立方体，每个弹簧与第一定位壳体的接触点为第一定位壳体的表面中心。
如图3所示，第一定位壳体101为球体，每对弹簧106与第一定位壳体101的外侧表面的接触点为该第一定位壳体101外直径两端。任意一对弹簧106，两个弹簧106以第一定位壳体101的球心为中心对称设置，该两个弹簧106与第一定位壳体101的外侧表面存在两个接触点，该两个接触点的连线通过该第一定位壳体101的球心。
如图4所示，第一定位壳体101为立方体，每个弹簧106与第一定位壳体101的接触点为第一定位壳体101的表面中心。立方体的表面为第一定位壳体101的外侧表面，一个弹簧106与立方体的一个表面对应设置，一个弹簧106与所对应表面的接触点为该表面的中心点。
可选第二定位壳体和第三定位壳体均为球体。第三定位壳体包覆第二定位壳体，第二定位壳体包覆第一定位壳体，可选第二定位壳体和第三定位壳体均为球体，便于三层壳体的层层包覆。可以理解，在不影响微惯性测量单元的功能的基础上，第一定位壳体、第二定位壳体和第三定位壳体的形状并不限于球体。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选控制电路包含供电单元和数据处理单元，还包括数据存储单元和数据传输单元中的一种或两种。可选三轴磁阻芯片为各向异性磁阻、巨磁阻或隧道结磁阻芯片。
如图5所示，第一定位壳体内部设置有印刷电路版201，印刷电路版201表面设置有控制电路202和三轴磁阻芯片203，其中控制电路202包含供电单元204、数据处理单元205、数据存储单元206和数据传输单元207。在其他实施例中，还可选控制电路包含供电单元、数据处理单元和数据存储单元；或者，控制电路包含供电单元、数据处理单元和数据传输单元。可以理解，三轴磁阻芯片203的类型为各向异性磁阻、巨磁阻或隧道结磁阻芯片，但不限于此，任意一种适用于惯性测量单元的磁阻芯片均落入本发明的保护范围。
可选控制电路中的数据处理单元205为MCU、DSP、ASIC、放大器、滤波器和比较器等集成电路芯片中的一种或多种，或者，可选数据处理单元205为由印刷电路板上分立器件构成的电路，该电路与上述集成电路芯片元件具有相同功能。
如图6所示，数据处理单元205具有一种或多种以下功能：对三轴磁阻芯片203生成的磁电阻信号进行调制、滤波、放大、模数转换、降噪和位置计算。数据处理单元205将处理完成的数据分别传输至数据存储单元206以保存数据，以便后续人工取出读取分析，数据处理单元205还与数据传输单元207通过无线传输方式将数据传输至接收端。在整个信号测量传输储存过程中，供电单元204为三轴磁阻芯片203、数据处理单元205、数据存储单元206以及数据传输单元207供电。其供电方式为电池供电和能量回收供电中的至少一种。
可选三轴磁阻芯片的三轴灵敏度方向彼此垂直，且分别与三对弹簧所在直线方向一致。球形永磁空腔的充磁方向与其中一对弹簧所在直线方向一致。
如图7所示，三轴磁阻芯片203的三个敏感方向213彼此垂直，一个敏感方向即为一轴灵敏度方向，也称为一个敏感轴方向。以空间坐标系XYZ作为参考，可选三轴磁阻芯片203的第一敏感方向213平行于X轴，三轴磁阻芯片203的第二敏感方向213平行于Y轴，三轴磁阻芯片203的第三敏感方向213平行于Z轴。可选第一定位壳体外表面上的第一对弹簧所在直线平行于X轴，第二对弹簧所在直线平行于Y轴，第三对弹簧所在直线平行于Z轴。则三轴磁阻芯片203的一个敏感轴方向213与第一定位壳体外表面上的一对弹簧所在直线的方向一致。
当微惯性测量单元接收外界加速度时，三对弹簧受各自方向加速度分量作用，遵循胡克定律产生位移，造成三轴磁阻芯片203在球形永磁空腔内相对位置变化。由于不同位置处不同磁场分量的影响，使得三轴磁阻芯片203的三个敏感方向磁电阻产生对应变化，且总矢量幅值发生改变，继而将输出数据输出至数据处理单元205。
当微惯性测量单元接收外界角速度变化时，角速度分量使第二定位壳体以第一应力丝对为轴转动，还使第三定位壳体以第二应力丝对为轴转动，造成三轴磁阻芯片203在球形永磁空腔内角度与初始角度发生变化，使得三轴磁阻芯片203的三个敏感方向磁电阻产生不同变化，而总矢量幅值不变，继而将输出数据输出至数据处理单元205。
可选三轴磁阻芯片的输出信号采用单端输出或者差分输出的方式输出。如图8所示，三轴磁阻芯片203的输出方式可以为单臂输出方式。如图9所示，三轴磁阻芯片203的输出方式可以为半桥输出方式。如图10所示，三轴磁阻芯片203的输出方式可以为全桥输出方式。如图11所示，三轴磁阻芯片203的输出方式可以为差分全桥输出方式。
本发明实施例提供的微惯性测量单元，设置高灵敏度三轴磁阻芯片为参数表征器件，三对彼此正交的弹簧作为惯性传递结构，中空球形永磁空腔作为恒稳磁场源，将外界惯性参数转变为三轴磁阻芯片空间位置变化，检测恒稳磁场源空间相应位置的磁场强度及变化量，从而实现对惯性参数高精度测量。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种微惯性测量单元，其特征在于，包括：第一定位壳体，第二定位壳体，第三定位壳体，球形填充空腔和球形永磁空腔，所述第一定位壳体、所述第二定位壳体、所述第三定位壳体、所述球形填充空腔和所述球形永磁空腔的几何中心相同且依次包覆；
所述第一定位壳体内置印刷电路板，所述印刷电路板上设置有三轴磁阻芯片以及控制电路，所述第一定位壳体的外表面上设置有三对彼此正交的弹簧，各个所述弹簧所在直线均通过所述几何中心，其中，所述弹簧的一端固定于所述第一定位壳体的外表面，且另一端固定于所述第二定位壳体的内表面；
所述第二定位壳体的外表面上设置有第一应力丝对，所述第一应力丝对包含位于通过所述几何中心的同一直线上的两条应力丝，所述第一应力丝对中每条应力丝的一端固定于所述第二定位壳体的外表面，且另一端固定于所述第三定位壳体的内表面；
所述第三定位壳体的外表面上设置有第二应力丝对，所述第二应力丝对包含位于通过所述几何中心的同一直线上的两条应力丝，所述第二应力丝对中每条应力丝的一端固定于所述第三定位壳体的外表面，且另一端固定于所述球形填充空腔的内表面；
所述第一应力丝对所在直线垂直于所述第二应力丝对所在直线，所述球形填充空腔的外表面与所述球形永磁空腔的内表面紧密接触，所述球形永磁空腔的充磁方向分别垂直于所述第一应力丝对所在直线和所述第二应力丝对所在直线。
2.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述第一定位壳体为球体，每对弹簧与所述第一定位壳体的接触点为所述第一定位壳体的外直径两端；或者，
所述第一定位壳体为立方体，每个弹簧与所述第一定位壳体的接触点为所述第一定位壳体的表面中心。
3.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述第二定位壳体和所述第三定位壳体均为球体。
4.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述控制电路包含供电单元和数据处理单元，还包括数据存储单元和数据传输单元中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述三轴磁阻芯片的三轴灵敏度方向彼此垂直，且分别与三对弹簧所在直线方向一致。
6.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述球形永磁空腔的充磁方向与其中一对弹簧所在直线方向一致。
7.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述三轴磁阻芯片为各向异性磁阻、巨磁阻或隧道结磁阻芯片。
8.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述三轴磁阻芯片的输出信号采用单端输出或者差分输出的方式输出。
9.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述弹簧、所述第一应力丝对、所述第二应力丝对、所述第一定位壳体、所述第二定位壳体、所述第三定位壳体及所述球形填充空腔均采用无磁性材料。
10.根据权利要求1所述的微惯性测量单元，其特征在于，所述弹簧为零长弹簧。
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