微机械惯性导航装置制造方法及图纸

一种微机械惯性导航装置，由加速度传感器、陀螺、数据处理模块、ＤＣ／ＤＣ电源模块、温控模块和加热板组成，加速度传感器和陀螺分别安装在壳体内３个相互隔离的腔室中，且安装平面相互垂直，加热板包覆在腔体的周围，加速度传感器和陀螺与数据处理模块、ＤＣ／ＤＣ电源模块和温控模块之间以电缆线连接，并通过接插件与外部连接。该装置可用于飞行器等载体在无参照物情况下的加速度、角速度变量测量，具有体积小、重量轻、可靠性高、能承受恶劣气候环境和机械环境、精度适中等优点。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种微机械惯性导航装置，该装置可用于飞行器等载体在 无参照物情况下的加速度、角速度变量测量，解算并判断飞行器的速度、姿态 及所在空间位置。技术背景惯性导航系统(INS，以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外 部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水 下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考 系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到 在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测 量装置包括加速度传感器和陀螺仪，又称惯性导航组合。惯性导航组合一般釆 用3个加速度传感器和3个陀螺仪，3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转 动运动参数，3个加速度传感器用来测量3个平移运动的加速度参数。计算机根 据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据，控制显示器显示各种导 航参数。传统惯性测量装置一般釆用挠性加速度传感器和激光陀螺、光纤陀螺或挠 性陀螺，这类器件体积较大、造价昂贵，从而使组合后的惯性导航装置的应用 领域受到局限。微电子机械系统(MEMS)是60年代后诞生的一种新兴技术，它继承了集成 电路的制造技术，在硅片上制造出各种机械结构，可以像集成电路一样进行大 规模生产。由于其具有体积小、重量轻、功耗低、批次一致性好等特点，已经 广泛应用在传感器领域。微机械惯性组合测量系统与传统的惯性组合测量系统的本质区别是利用了MEMS技术、传感器技术和微电子技术，从根本上改变了传统惯性组合测量系统 的设计思想和制造方法，实现了微机械加速度计与信号获取、处理电路的一体 化集成，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、能承受恶劣气候环境和机 械环境、精度适中、便于大批量生产等优点。但由于MEMS类传感器的温度漂移 通常高于传统的高精度传感器，故而在导航领域少有应用。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可用于测量运动物 体在空间的姿态、位置、速度的微机械惯性导航装置。本技术的微机械惯性导航装置包括设在壳体内的数据处理模块、DC/DC 电源模块、3个加速度传感器、3个陀螺以及设置在壳体中部的腔体，其中腔体 由3个相互隔离的腔室组成，3个腔室呈轴向分布，且3个腔室内的安装平面相 互垂直，在腔体内各腔室的安装平面上各安装有一个加速度传感器和陀螺，用 于测量飞行系统在飞行时产生的各方向的加速度，角速度在传感器敏感方向产 生的分量。加速度传感器与陀螺相邻安装，以保证加速度传感器和陀螺的工作 温度一致。上述加速度传感器和陀螺与数据处理模块和DC/DC电源模块之间以 电缆线连接在一起，并连接到接插件，通过接插件与外部连接。本技术还在微机械惯性导航装置的壳体内设置有加热板和一个温控模 块，加热板包覆在腔体的周围，通过电缆线与温控模块及DC/DC电源模块电路 连接。同时，在陀螺内还集成有温度传感器，并与温控模块连接，可分别测量 三个轴向的加速度传感器和陀螺的工作温度，由温控模块控制加热板为加速度 传感器和陀螺提供相对恒定的工作温度。本技术的工作过程是通过3个加速度传感器和3个陀螺来测量装置 的加速度和角速度值，由数据处理模块釆集加速度传感器及陀螺的信号输出值 并进行解算后得出坐标信息。在陀螺内集成有温度传感器，由温控模块为加速 度传感器和陀螺提供相对恒定的工作温度，从而减小了传感器的温度漂移，提高了导航测试精度。所述的3个加速度传感器和3个陀螺安装的敏感方向成空间XYZ坐标，用 于测量被测装置在飞行时产生的XYZ方向的加速度和角速度。在数据处理模块中包括有信号调理电路和A/D精度转换电路，信号调理电 路对加速度传感器和陀螺输出的信号进行放大调理、降噪以及滤波，使其灵敏 度保持一致，A/D精度转换电路运用高精度的外部A/D转换电路进行加速度传感 器和陀螺采集信号的处理。所述的数据处理模块对输入的加速度传感器、陀螺 的输出信号值进行在A/D变换后进行角速度、加速度、速度的矩阵解算，从而 计算出所测装置当前的坐标位置及姿态、角度等所关心的特性。所述的DC/DC电源模块为开关型电源模块，它将惯性测量装置的外部输入 电压转换为数据处理模块、陀螺及加速度传感器所需的5V电压。所述的温控模块通过陀螺内置的温度传感器对陀螺和加速度传感器的工作 温度进行实时检测，当温度低于55。C时，温控模块通过分布在陀螺和加速度传 感器安装平面外侧的加热板对陀螺和加速度传感器固定面进行加热，温度高于 55'C时，停止加热，从而使陀螺和加速度传感器的工作温度稳定在55'C。所述的加热板为薄板型电热器件，温控模块在测得陀螺和加速度传感器的 工作温度低于55'C时，加热板电路导通，加热板开始发热，使陀螺和加速度传 感器的工作温度升高，工作温度达到55'C时，加热板电路关断，停止加热。所述的接插件位于惯性测量装置外壳上，该惯性测量装置的接插件包括供 电接插件及信号接插件。本技术的微机械惯性导航装置利用MEMS技术、传感器技术和微电子技 术进行组合，实现了微型惯性组合测量系统中的微机械陀螺、微机械加速度传 感器及系统信号获取、处理电路的一体化集成安装，具有体积小、重量轻、可 靠性高、能承受恶劣气候环境和机械环境、精度适中等优点，成本低，便于批 量生产。本技术的微机械惯性导航装置在加速度传感器和陀螺的灵敏度不变的 情况下，可以提高装置的空间位置测量精确性。本技术的微机械惯性导航装置可以达到如下性能指标三轴角速度滚动± 200。 /s，其它>±100° /s; 角速度带宽>50Hz; 三轴加速度> ±15g; 加速度带宽>100Hz。附图说明图l是本技术微机械惯性导航装置的工作原理示意图； 图2是本技术微机械惯性导航装置的结构示意图。具体实施方式微机械惯性导航装置的工作原理如图1所示，加速度传感器和陀螺测得的 加速度和角速度信号值输出到数据处理模块，数据处理模块对输入的加速度和 角速度信号值进行解算，得出坐标位置、速度、姿态等信息，通过接插件输出 到外围设备。温控模块通过陀螺内置的温度传感器检测加速度传感器和陀螺的 工作温度，如低于55°C，加热板电路导通，使陀螺和加速度传感器的工作温度 升高，最终使工作温度稳定在55°C,从而降低传感器输出值的温度漂移，使加 速度传感器和陀螺的输出值更稳定。DC/DC电源模块通过接插件将外部输入电压 转换为+5V电压，提供给数据处理模块、陀螺及加速度传感器使用。微机械惯性导航装置的结构如图2所示，装置壳体1内的6个传感器(3个 加速度传感器5和3个陀螺6)分别安装在腔体4内X、 Y、 Z三个相互隔离的腔 室中的安装平面上，三个安装平面互相垂直，每个安装平面上分别安装有1个 加速度传感器和1个陀螺，且每个加速度传感器和陀螺成对相邻安装。由于釆 用了软件校正方式，6个传感器的安装并不需要像许多传统惯性导航产品那样要求传感器的敏感质心垂直并相交，而是由产品内嵌软件自动检测并修正初始误差。温控模块10和数据处理模块2位于壳体1内腔体4的上部，加热板9包覆 在腔体4的周围，腔体4下面的空间安装有DC/DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
微机械惯性导航装置，包括设在壳体（１）内的数据处理模块（２）、ＤＣ／ＤＣ电源模块（７）、３个加速度传感器（５）、３个陀螺（６）以及壳体（１）中部的腔体（４），其中腔体（４）由３个相互隔离的腔室组成，３个腔室呈轴向分布，且３个腔室内的安装平面相互垂直，在腔体（４）内各腔室的安装平面上各安装有一个加速度传感器（５）和陀螺（６），上述加速度传感器（５）和陀螺（６）与数据处理模块（２）和ＤＣ／ＤＣ电源模块（７）之间以电缆线（３）连接在一起，并连接到接插件（８），通过接插件（８）与外部连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国忠，高松山，邓海棠，孙耀康，
申请(专利权)人：山西科泰微技术有限公司，
类型：实用新型
国别省市：14[中国|山西]