專(zhuān)利名稱(chēng)：氣體擺式慣性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于對(duì)船舶、機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)測(cè)量和控制技術(shù)領(lǐng)域的氣體擺式慣性傳感器，它主要由敏感元件和信號(hào)處理電路等組成。
背景技術(shù)：
眾所周知，目前在運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)測(cè)量和控制技術(shù)領(lǐng)域里，檢測(cè)物體水平姿態(tài)(傾角)和加速度的傳感器，都是利用熱氣流、固體和液體在地球重力場(chǎng)中的擺特性，例如一般的擺式水平姿態(tài)傳感器的基本工作原理如圖1和圖2所示傳感器與物體基面相連，當(dāng)物體基面相對(duì)于水平面偏轉(zhuǎn)θ時(shí)，由于重力作用，擺錘m將保持在鉛錘方向，因而擺錘相對(duì)于物體基面的法向?qū)⑵D(zhuǎn)同樣的角度θ，通過(guò)敏感元件就可檢測(cè)出角度θ。所以一般擺式水平姿態(tài)傳感器僅能用于靜態(tài)測(cè)量，在動(dòng)態(tài)條件下，由于加速度的干擾，不能用于運(yùn)動(dòng)物體的傾角測(cè)量。綜上所述，一般的擺式水平姿態(tài)傳感器都存在著上述的缺點(diǎn)，即只有當(dāng)待測(cè)物體無(wú)加速度干擾時(shí)才可以進(jìn)行精確測(cè)量，在動(dòng)態(tài)條件下這些傳感器由于外界加速度的干擾會(huì)引起極大的測(cè)量誤差，其測(cè)量精確度大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種傳感器，它不僅可以在待測(cè)物體無(wú)加速度干擾時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量，同時(shí)，也可以在待測(cè)物體有加速度干擾時(shí)進(jìn)行精確測(cè)量。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基本思路是將氣體擺式傾角傳感器和氣流式角速度陀螺組合成慣性傳感器，利用陀螺消除加速度對(duì)水平姿態(tài)傳感器的干擾。
本發(fā)明提出的抑制加速度干擾的氣體擺式慣性傳感器整體結(jié)構(gòu)方框圖如圖3所示，它實(shí)際上是由氣體擺式水平姿態(tài)傳感器和氣流式角速度陀螺以及信號(hào)處理電路組合而成的。其工作過(guò)程是水平姿態(tài)傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器的輸出信號(hào)VIθ進(jìn)入微分器，微分器的輸出信號(hào)與氣流式角速度陀螺的輸出信號(hào)同時(shí)加給比較器A，得到的信號(hào)即是加速度引起的干擾信號(hào)，比較器的輸出信號(hào)加給積分器，積分器輸出信號(hào)Va經(jīng)高通濾波器后的輸出信號(hào)V’a，又與放大器的輸出信號(hào)經(jīng)延時(shí)器后一起加給下一個(gè)比較器B，從而得到抑制加速度干擾的傾角信號(hào)Vθ。另外，該氣體擺式慣性傳感器還能直接給出角速度的輸出信號(hào)Vω。
傳感器以模擬電壓形式輸出，未受加速度干擾時(shí)，傾角(θ)和角速度(ω)的輸出電壓Vθ、Vω為Vθ=V0θ+Kθθ---(1)]]>Vω=V0ω+Kωω---(2)]]>式中，V0θ、V0ω分別為傾角和角速度輸出的零位電壓；Kθ，Kω分別為傾角和角速度輸出的比例系數(shù)。
發(fā)明人推導(dǎo)出圖3抑制加速度干擾的水平姿態(tài)傳感器輸出電壓(Vθ)的數(shù)學(xué)模型Vθ=Vθ0+(Vω-V0ω)·m·t·n---(3)]]>式中，n為傳感器傾動(dòng)時(shí)間離散化區(qū)間的個(gè)數(shù)；t為每個(gè)離散化區(qū)間的時(shí)間；KθKω=m.]]>根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，通過(guò)編制抑制干擾的程序，即可實(shí)現(xiàn)抑制加速度干擾的目的。
本發(fā)明氣體擺式慣性傳感器有效地消除了加速度對(duì)測(cè)量的干擾，其不僅對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的被測(cè)物體的水平姿態(tài)(傾角)的輸出測(cè)量信號(hào)精度很高，并能同時(shí)輸出角速度信號(hào)，此外本發(fā)明還具有抗高沖擊和強(qiáng)振動(dòng)、響應(yīng)時(shí)間短，工作溫度范圍寬、線性度好、可靠性和靈敏度高、精度高、體積小以及成本低等特點(diǎn)。


下面對(duì)本發(fā)明的附圖作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是擺式水平姿態(tài)傳感器的基本工作原理2是加速度對(duì)擺式水平姿態(tài)傳感器的干擾示意3是氣體擺式慣性傳感器的整體結(jié)構(gòu)方框4是氣體擺式慣性傳感器的結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下1-底座；2-殼體；3-氣流式角速度敏感元件；4-氣體擺式傾角敏感元件；5-信號(hào)處理電路；6-接插件接口圖5是角速度敏感元件剖面中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下8-小鎖母；9-小壓板；10-小密封圈；11-端蓋；12-噴嘴體；13-進(jìn)氣閥；14-熱敏塞；15-泵架；16-泵座；17-碟簧；18-大密封圈；19-大壓板；20-大鎖母；2-殼體；22-出氣閥；23-噴嘴；24-定位鍵圖6是角速度敏感元件殼體剖面中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下25-密封槽；26-進(jìn)氣口 27-出氣口圖7是壓板正視圖及A-A剖面8是鎖母剖面9是角速度為10°/s時(shí)陀螺輸出電壓隨時(shí)間的變化10是氣體擺式慣性傳感器信號(hào)處理電路方框11是一維氣流式角速度陀螺結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下1-底座；2-殼體；3-角速度敏感元件；5-信號(hào)處理電路；6-接插件接口圖12是氣流式角速度敏感元件結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下7-底蓋；24-定位鍵；17-碟簧；16-泵座；15-泵架；28壓電陶瓷雙晶片；14-熱敏塞；12-噴嘴體；23-噴嘴；2-殼體；11-端蓋圖13是角速度敏感元件氣流通道結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下21-緊固螺帽；29-壓電泵；2-殼體；30-敏感座；31-敏感體；32-熱電阻絲；33-氣流；23-噴嘴；11-端蓋圖14是二維氣流式角速度陀螺結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下1-底座；2-殼體；34為X軸角速度敏感元件；35為Y軸角速度敏感元件；5-信號(hào)處理電路；6-接插件接口圖15是角速度敏感元件疊片狀噴嘴剖面中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下23-噴嘴；36-疊片圖16是簡(jiǎn)支邊支撐壓電泵泵架剖面17是二維氣流式角速度陀螺L型定位底座結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下32-熱電阻絲；3-角速度敏感元件；37-定位線；38-L型定位底座圖18是一維氣體擺式水平姿態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下1-底座；2-殼體；6-接插件接口；4-氣流式傾角敏感元件；5-信號(hào)處理電路圖19是雙腔六絲結(jié)構(gòu)的一維氣體擺式傾角敏感元件結(jié)構(gòu)原理中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下39-密閉腔；40-腔體；41-腔蓋；42-絕緣子；43-檢測(cè)熱電阻絲；44-加熱熱電阻絲；45-鉛垂線圖20是二維氣體擺式水平姿態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下；1-底座；2-殼體；4-二維氣流式傾角敏感元件；5-信號(hào)處理電路；6-接插件接口圖21是三絲雙垂直腔二維傾角敏感元件結(jié)構(gòu)示意22是傾斜5°時(shí)雙絲結(jié)構(gòu)和三絲結(jié)構(gòu)輸出比較23是全方位氣體擺式水平姿態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)中各部件序號(hào)和名稱(chēng)如下；1-底座；2-殼體；5-信號(hào)處理電路；4-傾角敏感元件；6-接插件接口圖24是全方位氣體擺水平姿態(tài)傳感器敏感元件結(jié)構(gòu)圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明氣體擺式慣性傳感器如圖4所示，它由底座1、殼體2、氣流式角速度敏感元件3，氣體擺式傾角敏感元件4、信號(hào)處理電路5和接插件接口6構(gòu)成。
如圖10所示，氣體擺式慣性傳感器的信號(hào)處理電路主要包括電橋電路、信號(hào)放大、濾波、單片機(jī)補(bǔ)償電路等。其中水平姿態(tài)輸出可分為一維、二維、抗干擾和全方位傾角輸出，單片機(jī)補(bǔ)償程序包括零位和靈敏度補(bǔ)償程序，線性度和輸出補(bǔ)償程序，抑制加速度干擾子程序，全方位傾角信號(hào)補(bǔ)償程序，根據(jù)傳感器的不同單片機(jī)內(nèi)補(bǔ)償程序有所不同。為了提高本發(fā)明氣體擺式慣性傳感器的性能，本發(fā)明信號(hào)處理電路的單片機(jī)的零位和靈敏度補(bǔ)償程序、線性度和輸出補(bǔ)償程序是氣流式水平姿態(tài)傳感器與角速度陀螺共用的；為了使氣流式水平姿態(tài)傳感器能在運(yùn)動(dòng)體上應(yīng)用，單片機(jī)內(nèi)裝有抑制加速度干擾子程序；為了全方位水平姿態(tài)的測(cè)量，單片機(jī)內(nèi)裝有全方位信號(hào)補(bǔ)償子程序；為了減小傳感器的體積和眾多分立元件對(duì)傳感器綜合性能的影響，降低零位漂移，用C8051F350單片機(jī)放大、濾波和數(shù)據(jù)補(bǔ)償處理取代了傳統(tǒng)的硬件信號(hào)放大、濾波及補(bǔ)償電路，并將傳統(tǒng)的四塊電路板縮減成一塊電路，使傳感器體積縮小50％，零位漂移降低了80％。實(shí)驗(yàn)表明，軟件補(bǔ)償后傳感器非線性度下降到≤0.5％；靈敏度的變化量下降到≤0.6％；工作溫度擴(kuò)展到-40℃～+55℃，抑制加速度干擾能力大于95％，從而提高了產(chǎn)品的整體性能(見(jiàn)表1)。
表1 氣體擺式慣性傳感器的主要性能指標(biāo)

氣流式角速度敏感元件是氣體擺式慣性傳感器的關(guān)鍵部件，如圖5和圖6所示，它主要由端蓋、定位鍵、碟簧、泵座、泵架、壓電泵(由泵架和壓電陶瓷雙晶片粘接而成)、熱敏塞、噴嘴體、噴嘴、殼體等組成。
為了有效地降低外界對(duì)敏感元件內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，提高傳感器的穩(wěn)定性， 本發(fā)明在氣流式角速度敏感元件的殼體左右兩側(cè)開(kāi)兩個(gè)密封槽，分別安放兩個(gè)密封圈，由兩個(gè)π型壓板(見(jiàn)圖7)壓緊密封圈，再由大小鎖母(見(jiàn)圖8)緊扣壓板，通過(guò)這種結(jié)構(gòu)密封敏感元件內(nèi)的工作氣體。圖9為密封敏感元件前后角速度為10°/s時(shí)陀螺輸出電壓隨時(shí)間的變化情況，從圖中可以看出傳感器的穩(wěn)定性大大提高。
如圖5和圖6所示，氣流式角速度敏感元件的殼體還采用獨(dú)特的雙氣閥結(jié)構(gòu)，即在殼體的兩側(cè)開(kāi)進(jìn)氣口和出氣口，在進(jìn)氣口和出氣口上分別安裝單向閥，通過(guò)出氣閥對(duì)敏感元件抽真空，然后在百級(jí)間凈化室打開(kāi)進(jìn)氣閥，使敏感元件內(nèi)充滿(mǎn)干燥、純凈的空氣。工作氣體優(yōu)化后靈敏度提高1倍，零位漂移減低80％。
用于氣體擺式慣性傳感器的角速度陀螺有一維和二維兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式。
一維氣流式角速度陀螺主要由角速度敏感元件3、信號(hào)處理電路5、殼體2、接插件接口6和基座1組成，如圖11所示。信號(hào)處理電路主要包括電橋電路、放大、濾波、單片機(jī)補(bǔ)償電路等。輸入角速度通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由放大電路放大并濾波后進(jìn)入單片機(jī)補(bǔ)償電路，單片機(jī)補(bǔ)償電路完成對(duì)角速度信號(hào)的零位、靈敏度和線性度補(bǔ)償后輸出角速度信號(hào)。一維氣流式角速度陀螺能夠輸出一個(gè)方向的角速度信號(hào)。
一維氣流式角速度敏感元件主要由端蓋、定位鍵、碟簧、泵座、泵架、壓電泵(由泵架和壓電陶瓷雙晶片粘接而成)、熱敏塞、噴嘴體、噴嘴、殼體等組成，如圖12所示。熱敏塞上焊接兩根平行熱電阻絲，壓電泵驅(qū)動(dòng)氣體在敏感元件內(nèi)定向流動(dòng)，一旦有角速度信號(hào)輸入，原來(lái)從熱電阻絲對(duì)稱(chēng)中心通過(guò)的氣流束就會(huì)向某一方向偏離，造成對(duì)兩熱電阻絲不同的冷卻，由電橋檢測(cè)出兩熱電阻絲的電阻變化量，電阻變化量與角速度成正比。理論研究和試驗(yàn)表明，流線型結(jié)構(gòu)的氣流通道不會(huì)造成腔體內(nèi)氣流形成大的紊流，從而維持氣流循環(huán)速度不變，使傳感器的性能穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用如圖13所示氣流通道的結(jié)構(gòu)，可獲得較好的傳感器性能(見(jiàn)表2)。
表2 一維氣流式角速度傳感器主要性能指標(biāo)

如圖14所示，二維氣流式角速度陀螺由底座、殼體、X軸氣流式角速度敏感元件、Y軸氣流式角速度敏感元件、信號(hào)處理電路和接插件接口組成。信號(hào)處理電路主要包括電橋、放大、濾波、單片機(jī)補(bǔ)償?shù)入娐?。X、Y方向輸入的角速度通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由放大電路放大濾波后進(jìn)入單片機(jī)補(bǔ)償電路，單片機(jī)補(bǔ)償電路完成X、Y方向角速度信號(hào)的零位、靈敏度和線性度補(bǔ)償后輸出角速度信號(hào)。二維氣流式角速度陀螺的兩個(gè)角速度敏感元件和相應(yīng)的電路實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，從而減小了體積和功耗。
如圖15所示，在噴嘴圓臺(tái)型凹槽側(cè)壁鑲嵌四個(gè)矩形疊片，使氣流束呈層流分布，保持氣流流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，避免傳感器輸出有震蕩現(xiàn)象，提高傳感器輸出的穩(wěn)定性和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)表明，疊片狀噴嘴使零位變化量從≤10％下降到≤0.2％，從而提高了傳感器的性能(見(jiàn)表3)。
壓電泵是驅(qū)動(dòng)氣體在氣流通道中循環(huán)的動(dòng)力源。為了保證壓電泵有較高的機(jī)電耦合，在設(shè)計(jì)和制作壓電泵時(shí)其邊界條件盡量保證簡(jiǎn)支邊邊界條件。這是因?yàn)楹?jiǎn)支邊條件支撐的結(jié)構(gòu)輕便、結(jié)實(shí)，而且裝置的損耗也降到最低程度。實(shí)驗(yàn)表明，圖16示出的簡(jiǎn)支邊支撐更接近于簡(jiǎn)支邊支撐邊界條件，這種簡(jiǎn)支邊支撐壓電泵靈敏度可提高50％。
如圖17所示，兩個(gè)一維角速度敏感元件垂直安裝在L型定位底座上。在安裝兩個(gè)敏感元件時(shí)，從端蓋處觀察并調(diào)節(jié)兩熱電阻絲的位置，使熱電阻絲與各自底板上定位線對(duì)齊。由于L型底座是由各個(gè)互相垂直的底板構(gòu)成，所以?xún)蓚€(gè)敏感元件內(nèi)的熱電阻絲也就互相垂直了。測(cè)試結(jié)果表明，這種調(diào)試技術(shù)能使交叉耦合從3％減小到1％。
表3 二維氣流式角速度陀螺主要性能指標(biāo)

用于氣體擺式慣性傳感器的氣體擺式水平姿態(tài)傳感器有一維、二維和全方位三種。
一維氣體擺式水平姿態(tài)傳感器主要包括底座、殼體、接插件接口、一維氣體擺式傾角敏感元件和信號(hào)處理電路，如圖18所示。信號(hào)處理電路主要包括電橋電路、放大、濾波和單片機(jī)補(bǔ)償電路等。輸入傾角通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由放大電路放大并濾波后進(jìn)入單片機(jī)補(bǔ)償電路。單片機(jī)補(bǔ)償電路完成對(duì)傾角信號(hào)的零位、靈敏度和線性度補(bǔ)償后輸出傾角信號(hào)。
圖19示出一種雙腔六絲結(jié)構(gòu)的傾角敏感元件結(jié)構(gòu)原理。它由兩個(gè)殼體和四個(gè)端蓋構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的圓柱形密閉腔體；每個(gè)密閉腔體的兩端各設(shè)有三根絕緣子；熱電阻絲焊接在絕緣子的端點(diǎn)上，每個(gè)密閉腔體內(nèi)共焊接有三根熱電阻絲，其中加熱熱電阻絲設(shè)置在圓柱形密閉腔的軸心線上，兩個(gè)檢測(cè)用熱電阻絲設(shè)置于加熱熱電阻絲兩側(cè)的對(duì)稱(chēng)位置a和b。工作時(shí)，對(duì)加熱熱電阻絲通以恒定電流使之發(fā)熱，利用檢測(cè)熱電阻絲作為檢測(cè)元件，并構(gòu)成信號(hào)檢測(cè)電橋的兩臂。當(dāng)敏感元件腔體相對(duì)水平面傾斜時(shí)，檢測(cè)熱電阻絲在不同的等溫線上，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，電橋電路輸出值與傾角成正比。利用此種結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度可提高2倍，主要性能見(jiàn)表4。
表4 一維氣體擺式水平姿態(tài)傳感器主要性能指標(biāo)

二維氣體擺式水平姿態(tài)傳感器能夠同時(shí)輸出載體的X軸和Y軸兩個(gè)方向上的傾角，如圖20所示，它由殼體、底座、二維氣流式傾角敏感元件、信號(hào)處理電路和接插件接口組成。信號(hào)處理電路主要包括電橋、放大、濾波和單片機(jī)補(bǔ)償?shù)入娐?。X、Y方向輸入的傾角通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由放大電路放大并濾波后進(jìn)入單片機(jī)補(bǔ)償電路。單片機(jī)補(bǔ)償電路完成對(duì)X、Y方向傾角信號(hào)的零位、靈敏度和線性度補(bǔ)償后輸出X、Y方向傾角信號(hào)。
圖21示出一種三絲雙垂直腔二維傾角敏感元件結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)獨(dú)立并互相垂直的圓柱形密閉腔體構(gòu)成，中間用一槽榫接上下兩部件，較好地隔絕兩腔室，有效地避免兩軸的交叉耦合。由于兩個(gè)腔體分別對(duì)應(yīng)X軸和Y軸，因此兩腔體的設(shè)計(jì)需要尺寸保持一致性，以保證兩軸的一致性。r5、r6作為密閉腔體內(nèi)的加熱絲，使兩個(gè)密閉腔內(nèi)氣體產(chǎn)生自然對(duì)流。熱敏絲r1、r2和r3、r4分別作為兩個(gè)腔體內(nèi)的檢測(cè)絲，分別敏感X軸向和Y軸向傾角引起的溫度變化。在檢測(cè)絲工作電流較低的情況下，調(diào)整加熱絲的工作電流即可得較高的靈敏度。這種加熱絲和檢測(cè)絲分離的設(shè)計(jì)，不僅提高了傳感器的穩(wěn)定性，還保持了高靈敏度，從而解決了靈敏度高穩(wěn)定性就差的矛盾，并且在保證靈敏度的情況下，工作電流還可由原來(lái)的80mA降低到40mA。從圖22可以看出在相同靈敏度情況下，三絲結(jié)構(gòu)的重復(fù)性?xún)?yōu)于雙絲結(jié)構(gòu)的重復(fù)性。該傳感器主要性能見(jiàn)表5。
表5 二維氣體擺式水平姿態(tài)傳感器主要性能指標(biāo)

全方位氣體擺式水平姿態(tài)傳感器能夠?qū)d體的全方位水平姿態(tài)定量測(cè)量，給出諸如浮標(biāo)、吊放聲納等載體全方位的姿態(tài)準(zhǔn)確檢測(cè)結(jié)果。全方位氣流式水平姿態(tài)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖23所示，它由底座、殼體、信號(hào)處理電路、敏感元件及接插件接口組成。敏感元件輸出X軸傾角信號(hào)和Y軸傾角信號(hào)，通過(guò)信號(hào)合成處理即可獲取載體的實(shí)際水平姿態(tài)信息。信號(hào)處理電路中信號(hào)放大器的輸出接于單片機(jī)，單片機(jī)安裝獲取載體全方位傾斜信號(hào)的數(shù)據(jù)處理程序。
圖24示出全方位氣體擺式水平姿態(tài)傳感器的雙腔體雙敏感絲結(jié)構(gòu)。圓柱體“T”形氣體對(duì)流循環(huán)腔體，內(nèi)設(shè)兼有熱源及測(cè)溫功能的鉑絲；熱敏絲以“T”形方式安裝，通過(guò)專(zhuān)用夾具調(diào)整熱敏絲的垂直度和平行度，保證傳感器性能的一致性；兩條相互垂直相交的直線可確定一平面，將這兩條直線作為坐標(biāo)軸，以此設(shè)計(jì)互相垂直并相互獨(dú)立的兩個(gè)橫臥式圓柱形密閉腔體，各腔體對(duì)應(yīng)的敏感結(jié)構(gòu)獨(dú)立地對(duì)腔體的傾斜角進(jìn)行測(cè)量。由于兩個(gè)腔體分別對(duì)應(yīng)X和Y軸傾角輸出，對(duì)兩腔體獲得的兩信號(hào)進(jìn)行合成處理，就可得到全方位的傾斜角度。
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單，腔體可設(shè)計(jì)得細(xì)而長(zhǎng)，熱敏絲處于過(guò)腔體軸心線的水平面內(nèi)，較長(zhǎng)的熱敏絲在自然對(duì)流場(chǎng)中有較好的熱交換，即較長(zhǎng)熱敏絲更能準(zhǔn)確地檢測(cè)溫度場(chǎng)的變化，故這種敏感結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度和分辨率提高2倍。試驗(yàn)證明，這種補(bǔ)償方法可使交叉耦合下降50％。該傳感器的主要性能見(jiàn)表6。
表6 全方位氣體擺式水平姿態(tài)傳感器主要性能指標(biāo)

權(quán)利要求
1.一種氣體擺式慣性傳感器由敏感元件和信號(hào)處理電路以及底座、殼體、插座等組成，其特征在于所述的敏感元件是由氣流式角速度敏感元件(3)和氣體擺式傾角敏感元件(4)組成；所述的信號(hào)處理電路(5)主要包括電橋電路、信號(hào)放大、濾波、單片機(jī)補(bǔ)償電路，即將裝有零位和靈敏度補(bǔ)償程序、線性度和輸出補(bǔ)償程序、抑制加速度干擾子程序和全方位傾角信號(hào)補(bǔ)償程序的單片機(jī)取代了傳統(tǒng)的硬件信號(hào)放大、濾波及補(bǔ)償電路，并將傳統(tǒng)的四塊電路板縮減成一塊電路板。
2.按照權(quán)利要求1所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的氣體擺式傾角(水平姿態(tài))敏感元件(4)有一維、二維和全方位結(jié)構(gòu)，所述的一維氣體擺式傾角(水平姿態(tài))敏感元件(4)是一種雙腔六絲結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)殼體和四個(gè)端蓋構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的圓柱形密閉腔體，每個(gè)密閉腔體的兩端各設(shè)有三根絕緣子，熱電阻絲焊接在絕緣子的端點(diǎn)上，每個(gè)密閉腔體內(nèi)共焊接有三根熱電阻絲，其中加熱熱電阻絲(44)設(shè)置在圓柱形密閉腔的軸心線上，兩個(gè)檢測(cè)用熱電阻絲(43)設(shè)置于加熱熱電阻絲兩側(cè)的對(duì)稱(chēng)位置。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的二維氣體擺式傾角(水平姿態(tài))敏感元件(4)是三絲雙垂直腔結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)獨(dú)立并互相垂直的圓柱形密閉腔體構(gòu)成，中間用一槽榫連接上下兩部件同時(shí)隔絕兩腔室，以避免兩軸的交叉耦合；其中一個(gè)圓柱形密閉腔體內(nèi)包含r1、r2、r5三根電阻絲，另一個(gè)圓柱形密閉腔體內(nèi)包含r3、r4、r6三根電阻絲。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的全方位氣體擺式傾角(水平姿態(tài))敏感元件(4)是雙腔體雙敏感絲結(jié)構(gòu)，圓柱體具有“T”形氣體對(duì)流循環(huán)腔體，內(nèi)設(shè)兼有熱源及測(cè)溫功能的鉑絲；熱敏絲以“T”形方式安裝，兩個(gè)橫臥式圓柱形密閉腔體相互獨(dú)立并垂直。
5.按照權(quán)利要求1所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于由角速度敏感元件(3)組成的角速度陀螺有一維和二維兩種結(jié)構(gòu)，所述的一維氣流式角速度陀螺主要由角速度敏感元件(3)、信號(hào)處理電路(5)、殼體(2)、接插件接口(6)和基座(1)組成，一維氣流式角速度敏感元件主要由端蓋(11)、定位鍵(24)、碟簧(17)、泵座(16)、泵架(15)、壓電泵(29)(由泵架和壓電陶瓷雙晶片粘接而成)、熱敏塞(14)、噴嘴體(12)、噴嘴(23)、殼體(2)組成，熱敏塞(14)上焊接兩根平行熱電阻絲(32)。
6.按照權(quán)利要求1或5所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的二維氣流式角速度陀螺是由X軸氣流式角速度敏感元件和Y軸氣流式角速度敏感元件垂直安裝在由兩個(gè)互相垂直的底板構(gòu)成的L型定位底座上，兩個(gè)敏感元件內(nèi)的熱電阻絲與各自底板上定位線對(duì)齊呈互相垂直狀態(tài)。
7.按照權(quán)利要求1或5所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的氣流式角速度敏感元件(3)的殼體兩側(cè)開(kāi)進(jìn)氣口(26)和出氣口(27)，在進(jìn)氣口和出氣口上分別安裝單向閥；同時(shí)在殼體左右兩側(cè)開(kāi)兩個(gè)密封槽(25)，分別安放兩個(gè)密封圈(10)和(18)，由兩個(gè)π型壓板(9)和(19)壓緊密封圈(10)和(18)，再由大小鎖母(8)和(20)緊扣壓板(9)和(19)。
8.按照權(quán)利要求1或5所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的氣流式角速度敏感元件(3)的壓電泵采用簡(jiǎn)支邊支撐的結(jié)構(gòu)。
9.按照權(quán)利要求1或5所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的氣流式角速度敏感元件(3)的噴嘴(23)為疊片狀，即在噴嘴圓臺(tái)型凹槽側(cè)壁鑲嵌四個(gè)矩形疊片(36)。
10.按照權(quán)利要求1或5所述的氣體擺式慣性傳感器，其特征在于所述的氣流式角速度敏感元件(3)采用流線型結(jié)構(gòu)的氣流通道。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于對(duì)船舶、機(jī)器人等運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)測(cè)量和控制技術(shù)領(lǐng)域的氣體擺式慣性傳感器，它主要由氣流式角速度敏感元件(3)，氣體擺式傾角敏感元件(4)、信號(hào)處理電路(5)等組成，信號(hào)處理電路(5)采用將裝有零位和靈敏度補(bǔ)償程序、線性度和輸出補(bǔ)償程序、抑制加速度干擾子程序和全方位傾角信號(hào)補(bǔ)償程序的單片機(jī)取代了傳統(tǒng)的硬件信號(hào)放大、濾波及補(bǔ)償電路。本發(fā)明氣體擺式慣性傳感器有效地消除了加速度對(duì)測(cè)量的干擾，其不僅對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的被測(cè)物體的水平姿態(tài)(傾角)輸出的測(cè)量信號(hào)精度很高，而且還能同時(shí)輸出角速度信號(hào)，具有抗高沖擊和強(qiáng)振動(dòng)、響應(yīng)時(shí)間短，線性度好、可靠性和靈敏度高以及成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P9/00GK101071066SQ200710105848
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者張福學(xué), 張偉 申請(qǐng)人:北京沃爾康科技有限責(zé)任公司