课件（一）：惯性传感器简介

惯性传感器简介(修改稿)

目 录

前言

一. 惯性传感器分类…………………………………2 二. 惯性传感器工作原理……………………………3 三. 惯性传感器术语…………………………………5 1. 角速率陀螺术语 2. 线加速度计术语

四. 惯性传感器敏感极性……………………………9 1. 角速率陀螺的敏感极性 2. 线加速度计的敏感极性

五. 惯性传感器的安装要求…………………………10六. 惯性传感器的测量………………………………121. 角速率陀螺的的测量 2. 线加速度计的的测量

七. 惯性传感器的应用………………………………201. 角速率陀螺的功用 2. 线加速度计的功用 3 惯性传感器的应用技术领域 4 MEMS角速率陀螺应用注意事项

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前 言

⑴ 我国最早的机械式框架陀螺仪__汉代被褥香炉。它是我 国西汉（公元前206年~公元24年）时期的产品，用于皇家 贵族。现在该陀螺仪存放陈列于陕西法门寺展览馆内。被褥 香炉的特点是：无论香炉怎么滚动，香炉内的木炭或其它炽 热物体或香料都不会掉出来，完全依靠滚动自如的机械道轨 运转。我们的祖先实在是了不起！

⑵ 至少在1962年，我入大学时买的《俄华辞典》里没有传 感器（дАтчик）这个单词。到上世纪七十年代又是苏 联人发表一篇文章说21世纪将是传感器的时代。是的，现 代一辆高级小轿车已用到上百个传感器，其中惯性传感器占 较大比例。所以，我们公司现在的发展方向是对的。

一. 惯性传感器分类

惯性传感器分为两大类：一类是角速率陀螺；另一类是线加速度计。

角速率陀螺又分为：机械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑气浮角速率陀螺；挠性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球谐振角速率陀螺等）；光纤角速率陀螺；激光角速率陀螺等。

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线加速度计又分为：机械式线加速度计；挠性线加速度计；MEMS硅﹑石英线加速度计（含压阻﹑压电线加速度计）；石英挠性线加速度计等。

而惯性测量单元（IMU—Inertial Measurement Units）﹑惯性导航系统(INS—Inertial Navigation System)（含平台式﹑捷联式惯性导航系统及GPS╱INS组合导航系统，GPS—全球定位系统Global Position System）﹑垂直陀螺﹑航姿系统﹑倾角传感器等则是由这两大类衍生出来的实用惯性产品。

二.惯性传感器作用原理

1. 角速率陀螺的作用原理

(1)．科里奥利(Coriolis)原理：也称科氏效应（科氏力正比于输入角速率）。该原理适用于机械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑气浮角速率陀螺；挠性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球谐振角速率陀螺）等。Coriolis法国物理学家（1792年～1843年）。

(2)．萨格纳（Sagnac）原理：也称萨氏效应（相位差正比于输入角速率）。该原理适用于光纤角速率陀螺；激光角速率陀螺等。Sagnac法国物理学家（1869年～1926年），居里夫妇的朋友。1913年发明萨氏效应。

现以MEMS硅（硅微）角速率陀螺为例，介绍角速率陀

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螺的科里奥利(Coriolis)工作原理：MEMS硅角速率陀螺依据谐振器陀螺原理工作。陀螺内有两个多晶硅敏感结构，每一个含有一个高频振动的框架，该框架被静电式地驱动而谐振，形成了必要的速率元件，使在正交于谐振运动的方向有角速率时就会产生科里奥利力（由科氏加速度产生），这个科里奥利力与输入角速率成比例。框架的两个外端就是可动的指状机械手，并被安置在固定的指状机械手之间组成一个电容式敏感结构，以敏感有输入角速率时按科里奥利原理运动产生的电信号，该电信号被输送到放大解调滤波等信号处理电路，从而输出正比于角速率的直流电压信号。

2. 线加速度计的作用原理

线加速度计的作用原理就是牛顿第二定律：F=mA(力正 比于输入线加速度)。适用于各类线加速度计。

现以挠性线加速度计为例，介绍线加速度计的工作原 理：挠性线加速度计的工作原理是将用合金制成的挠性杆支撑的质块置于供电线圈的磁场中，没有线加速度时质块处于中立位置，用于输出的感应线圈上的磁通量为零，没有输出信号。如果有正线加速度时，按牛顿第二定律：F=mA，有正加速度A，就有正向力F，而且力和加速度成正比。此时挠性杆上的质块在正向力F的作用下就偏离中立位置，使输出的感应线圈Ⅰ上的磁通量增加，感应线圈Ⅱ上的磁通量减

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小，输出的感应线圈上总磁通量方向就为正方向，自然，感应的输出电压或电流也就对应正的加速度。有负加速度时，亦然。感应的输出电压或电流也要经过放大解调滤波等信号处理电路，输出正比于输入加速度的直流电压信号。

三.惯性传感器术语

1. 角速率陀螺术语

(1)．测量范围（°/ S）Measurement Range

也称量程。指陀螺仪能测量正、反方向角速率的额定值范围。在此额定值范围内，陀螺仪刻度因数非线性满足规定要求。

(2)．刻度因数（mV /°/ S）Scale Factor (Sensitivity)

也称刻度因子、标度因数、梯度、灵敏度。指陀螺仪输出量与输入角速率的比值。该比值是根据整个输入角速率范围内测得的输入、输出数据，通过最小二乘法拟合求出的直线的斜率。

(3)．刻度因数非线性度（％）Scale Factor Nonlinearity

指在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大的偏差值与最大输出量之比。 (4)．零偏与零偏稳定性（V；V, °/ h 或°/ S）Bias and Bias

Stability

零偏是指陀螺仪在零输入状态下的输出。以规定时间内测得的输出量平均值来表示。

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零偏稳定性是衡量陀螺仪在零输入状态下输出量围

绕其均值（零偏）起伏和波动的离散程度，习惯上用均方根值表示，并以相应的等效输入角速率表示。业界也称零偏稳定性为零漂。而以°/ h为单位的零偏稳定性值就是人们常说的光纤陀螺仪的精度。 (5)．分辨力（°/ S）Resolution

表示陀螺仪在规定的输入角速率下能敏感的最小输入角速率增量。由该角速率增量所产生的输出增量至少应等于按刻度因数所期望的输出增量值的50%。 (6)．随机游走系数RWC（°∕h

1∕2

）Random Walk Coefficient

指由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出误差系

数。单位：°∕h

1∕2

(7)．带宽（Hz）Bandwidth

指陀螺仪频率特性测试中，规定在测得的幅频特性的幅值降低3dB所对应的频率范围称为带宽。在该范围内陀螺仪能够精确线性地测量输入的角速率。单位：Hz。 (8)．输出噪声（mv）Output Noise

当陀螺仪处于零输入状态时，陀螺仪直流零偏值信号中的交流分量（mv， rms）。 (9)．自检测ST（V）Self -Test

指陀螺仪在正常通电状态下，没有角速率输入时，自动检测陀螺仪结构和电路正常与否的手段。在陀螺仪规

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定的电气接口（ST）供规定的电压后，在正常的输出端输出的电压值符合规定的ST响应电压值范围时，则判该陀螺仪正常。

(10)．温度传感器输出UT（V）Temperature Sensor Output

指在陀螺仪内部独立地设置有高精密温度传感器，并一般给出温度传感器在常温下的零位电压值（V）和灵敏度（mV/℃）。

(11)．平均无故障间隔时间MTBF（hr）Mean Time Between

Failures

指陀螺仪两次故障之间时间的平均值（hr）。它是衡量陀螺仪使用可靠程度的可靠性指标。 (12)．零偏置 Bias Set

零偏置是指陀螺仪在零输入状态下的输出电压不是零伏,而为偏离零伏的某一电压值。一般MEMS陀螺仪把零位调偏设置为2.5V的零偏值。 2．线加速度计术语

（1）测量范围（g）Measurement Range

也称量程。是指加速度计能测量正反方向线加速度的额定值范围。在此额定值范围内，加速度计刻度因数非线性度满足规定要求。

（2）刻度因数（mV/g）Scale Factor (Sensitivity)

也称刻度因子、标度因数、梯度、灵敏度。指加速

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度计输出量与输入线加速度的比值。

（3）刻度因数非线性度（％）Scale Factor Nonlinearity

指在输入线加速度范围内，加速度计输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大偏差值与最大输出量之比。

（4）分辨力（mg或μg）Resolution

表示加速度计能敏感的最小输入线加速度值。

（5）带宽（Hz）Bandwidth

指加速度计频率特性测试中，规定在测得的幅频特性的幅值降低3dB所对应的频率范围称为带宽。在该范围内加速度计能够精确线性地测量输入线加速度。 （6）输出噪声（mv）Output Noise

当加速度计处于零输入状态时，加速度计的直流零 偏置信号中的交流分量（rms）称之为输出噪声。 （7）自检测ST（V）Self -Test

指加速度计在正常通电状态下，没有输入线加速度 时，自动检测加速度计结构和电路正常与否的手段。在加速度计规定的电气接口（ST）供规定的电压后，在正常的输出端输出的电压值符合规定的ST响应电压值范围时，则判该加速度计正常。

（8）温度传感器输出UT（V）Temperature Sensor Output

指在加速度计内部独立地设置有高精密温度传感

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器，并一般给出温度传感器在常温下的零位电压值（V）和灵敏度值（m V /℃）。

（9）平均无故障间隔时间MTBF（hr）Mean Time Between

Failures

指加速度计两次故障之间时间的平均值（hr）。它是 衡量加速度计使用可靠程度的可靠性指标。

四.惯性传感器的敏感极性

1. 角速率陀螺的敏感极性

角速率陀螺无论单轴、双轴、三轴、IMU的壳体外表

面都有敏感轴方向：例如直线箭头、实心圆点、叉心圆点都是

角速率陀螺的敏感轴。其中直线箭头比较明确，实心圆点表

示箭头走出纸面，叉心圆点表示箭头走进纸面。无论怎么标志但都表示了角速率陀螺的敏感轴正方向。每个敏感轴正方向与角速率陀螺旋转正方向的关系都遵守国际统一的右手定则：右手拇指指向敏感轴箭头正方向，右手其余四指指向的旋转方向确定为角速率陀螺旋转的正方向。

对于双轴、三轴、IMU中的三轴角速率陀螺的三个敏感轴X、Y、Z的确定方法，则遵守国际统一的迪卡尔空间坐标系。其准确简单的确定方法仍然用右手。具体的迪卡尔空间坐标系定义方法是：将右手拇指、食指、中指伸开为三指相互垂直，则右手拇指表示X轴、食指表示Y轴、中指则表示Z轴。

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顺序不能变，但三指定义可以变。三个轴的每个轴正方向与角

速率陀螺旋转正方向的关系自然都遵守右手定则。如图：

2．线加速度计的敏感极性

线加速度计测量的加速度是直线的，它的极性是沿加速度计产品壳体外表面所示的敏感轴箭头指向为正加速度方向。即要测量的线加速度正方向与敏感轴箭头指向一致。同样，线加速度计的敏感轴也有直线箭头、实心圆点、叉心圆点几种表示方法，

不可避免的重力加速度：重力加速度是由地球引力引起的，重力加速度的方向是指向地心（或当地的地平面）。正因为如此，当加速度计并未受到除重力加速度外的其它外部加速度时，即加速度计处于静止状态时，且当加速度计敏感轴处于垂直于水平面时，仍能测出地球重力加速度1g，这也

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