微机械陀螺技术的应用与发展

20世纪80年代后期，有一项新的技术开始发展，它就是微机械加工技术和陀螺理论二者融合的成果——微机械陀螺。从应用前景上看，它能用于卫星、飞机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的方向定位和姿态测量等民用或商业领域，也是航空航天、兵器等领域中运载器控制系统或惯性导航、制导系统必不可少的敏感元件。实现微陀螺的微机械结构方式有谐振式和框架驱动式2种。

下面简单介绍框架驱动式微陀螺的结构原理。

（一）微机械陀螺的工作原理

经典力学中的哥氏效应理论是微机械陀螺的工作原理。对于刚体内质点的复合运动，如果牵连运动是旋转运动，则除了有相对加速度、牵连加速度外，还有哥氏加速度，其表达式为：

式中，a为哥氏加速度，ω为旋转加速度，v为垂直于旋转轴的速度分量。

按照结构划分，微机械陀螺一般会被分为振动式和转子式两类。前者的研究较多，它利用振动质量块被基座带动旋转时产生的哥氏加速度来测量角速度。

（二）硅微框架驱动式陀螺

硅微框架驱动式陀螺的结构原理如图5-25所示，该结构包括内框架和外框架。相互正交的内、外框架轴（图5-25中的1和2为支撑内框架，3和4为支撑外框架）都是一对扁平状的挠性枢轴，二者绕自身轴向的抗扭刚度比较低，但抗弯刚度比较高。将检测质量块在内框架上进行固定，在外框架两侧设置一对对称的驱动电极，可以通过静电力进行驱动。在内框架两侧设置一对敏感电极检测角速度信号，这4个电极对仪表壳体而言是相对固定的。由于利用了微机械加工技术，所以整个装置的尺寸是微米级。

在静电力的驱动下，外框架、内框架和质量块共同围绕驱动轴高频振动，但振动的角度特别小。假设角振动波形为正弦波，振幅为θ0，角频率为ωn，则振动角位移θ为：

由于θ比较小，所以检测质量块上各个质点的振动都可以看作线振动。在检测质量块上随便选取一个质点（记作P），把它在坐标系中的坐标记为（xi，yi，zi），如图5-26所示，则P在x轴的振动线速度为

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图5-25　硅微框架驱动式陀螺的结构原理图

图5-26　质点的振动

当陀螺基座绕z轴以加速度ΩZ相对惯性空间转动时，质点P的哥氏加速度大小为：

沿y轴为正方向。

设质点P的质量为m，那么这个点所受到的哥氏惯性力为：

方向与哥氏加速度相反，也就是沿y轴为负方向。

这一哥氏惯性力形成的绕输出轴（x轴）的哥氏惯性力矩为：

当陀螺整体在绕z轴输入的角速度下工作的时候，每个在内框架上的质点都有哥氏惯性力矩，这些力矩的总和就是全部振动质点哥氏惯性力矩的总和。

内框架会因为哥氏惯性力矩绕输出轴做高频微振动，这时候的振动频率等于静电驱动频率，振幅与输入角速度呈线性关系。如果想要得到所测的角速度，只要检测出内框架的振幅即可。

磁微传感器所敏感的是与磁场有关的参量。了解磁微传感器的工作原理，需要先了解描述磁场的一些常见物理量。霍尔传感器、磁电导微传感器、磁致电流微传感器等是根据输出信号的形式分成的几类磁微传感器。