微机械—电子系统技术惯性测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种微机械－电子系统技术惯性测量装置，该装置用于导弹控制、工业测控、捷联惯导等领域中测量空间坐标系中三个轴的角速率和线加速度的三轴六自由度固态惯性传感器的组合，由三个空间轴角速率陀螺和三个空间轴线加速度传感器构成，各角速率陀螺和线加速度传感器均由采用微机械－电子系统技术的芯片构成的敏感电路、信号处理器、主放大器及零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器、带宽扩展器组成，敏感电路输出端经信号处理器接至主放大器的输入端，零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器和带宽扩展器相并联，其输出端接主放大器输入端。产品具有高可靠性和高封装坚固性，并具备自检测功能，可准确测量空间坐标系中三个轴的角速率和线加速度。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本
技术实现思路
属于惯性测量器件
，涉及一种用于测量空间坐标系中三个轴的角速率和线加速度的惯性测量装置，其产品可广泛用于导弹控制、地质勘探、工业测控、航空飞行器稳定控制、捷联惯导、汽车自动驾驶及机器人控制等行业领域。
技术介绍
目前在上述各行业领域中普遍使用的惯性测量装置(IMU)，包括角速率陀螺(角速率传感器)和线加速度传感器，其产品绝大部分都是机械式的，如液浮或半液浮、挠性有旋转马达的角速率陀螺、有质块的线加速度传感器等，这些老式惯性测量装置在实际应用中存在的突出缺点是体积大、价格昂贵、易损坏、耐冲击加速度低、寿命短、测量范围小(老式角速率陀螺最大测量值仅500°/s，线加速度传感器最大测量值仅10g)、频响低(最多为100HZ)以及多不具备自检测(Self-Test)功能等，即使是当今较先进的光纤或激光惯性测量装置，也由于其价格昂贵及体积大等原因而很难得到广泛的应用。
技术实现思路
本技术的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种结构性能实用合理、操作方便、体积小、重量轻、造价低、应用范围广的微机械-电子系统技术惯性测量装置。用于实现上述专利技术目的的技术解决方案是这样的所提供的微机械-电子系统技术惯性测量装置具有三个分别用于测量空间X、Y、Z轴角速率的角速率陀螺和三个分别用于测量空间X、Y、Z轴线加速度的线加速度传感器，通过一块适配转接线路板使各角速率陀螺和各线加速度传感器并行设置，其中每一个空间轴角速率陀螺和每一个空间轴线加速度传感器均由采用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片构成的敏感电路、信号处理器(解调滤波器)、主放大器以及零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器、带宽扩展器组成，敏感电路的输出端经信号处理器接至主放大器的输入端，零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器和带宽扩展器相并联，其共同输出端接至主放大器的输入端。本技术所述的微机械-电子系统技术惯性测量装置是三轴六自由度固态惯性传感器的组合，内中的角速率陀螺属于无旋转马达的固态角速率传感器，线加速度传感器属于无质块的传感器，它们的内部电路工作构件均采用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片，其制造采用双极型金属氧化物半导体(BIMOS)技术的生产工艺和球形网格排列的载流焊工艺技术，产品具有高可靠性和高封装坚固性，可准确测量空间坐标系中X、Y、Z三个轴的角速率和线加速度；测量装置内置有高精度温度传感器，可给出IMU内随温度变化的电压值；六个自由度传感器中的每一个都具备自检测功能，能够实现机内检测(BIT)，并且六个自由度均为模拟信号输出。此外，本技术内还设置了零偏置控制器、非线性纠正器、量程扩展器、温漂补偿器、带宽扩展器，使产品具有零偏置校准、温漂补偿、宽的测量范围和带宽以及非线性纠正功能，同时也使之具有宽范围的工作温度和体积小、重量轻、启动快、寿命长及耐冲击加速度高等特点。附图说明图1为本技术的总电气设计原理框图。图2为角速率陀螺的设计原理框图。图3为线加速度传感器的设计原理框图。图4为角速率陀螺的一个具体实施例的电路原理图。图5为线加速度传感器的一个具体实施例的电路原理图。图6为角速率陀螺或线加速度传感器所用零偏置控制器的设计原理框图。图7为零偏置控制器的电气线路图。图8为角速率陀螺或线加速度传感器所用非线性纠正器的设计原理框图。图9为非线性纠正器的电气线路图。图10为角速率陀螺或线加速度传感器所用量程扩展器的设计原理框图。图11为量程扩展器的电气线路图。图12为角速率陀螺或线加速度传感器所用温漂补偿器的设计原理框图。图13为温漂补偿器的电气线路图。图14为角速率陀螺或线加速度传感器所用带宽扩展器的设计原理框图。图15为带宽扩展器的电气线路图。具体实施方式参见附图，本技术所述的微机械-电子系统技术惯性测量装置的总电气结构如图1所示，它包括三个分别用于测量空间X、Y、Z轴角速率的角速率陀螺I、II、III和三个分别用于测量空间X、Y、Z轴线加速度的线加速度传感器IV、V、VI，通过一块CS-01型适配转接线路板VII使各角速率陀螺I、II、III和各线加速度传感器IV、V、VI并行设置，使用时将各角速率陀螺I、II、III和各线加速度传感器IV、V、VI的输入及输出端通过缆线连接在CS-01型适配转接线路板VII相应的转接孔内。本技术设计方案中的每一个空间轴角速率陀螺的工作原理结构如图2所示，每一个空间轴线加速度传感器的工作原理结构如图3所示，它们均由采用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片构成的敏感电路M、信号处理器6、主放大器10以及零偏置控制器7、非线性纠正器8、量程扩展器9、温漂补偿器11、带宽扩展器12组成，敏感电路M的输出端经信号处理器6接至主放大器10的输入端，零偏置控制器7、非线性纠正器8、量程扩展器9、温漂补偿器11和带宽扩展器12相并联，其共同输出端接至主放大器10的输入端。该惯性测量装置中每一个空间轴角速率陀螺的敏感电路M由离散控制器1、ST接口电路2、敏感器3、谐振器4和激励器5组成，离散控制器1和激励器5的输出端分别通过ST接口电路2和谐振器4接至敏感器3的输入端，敏感器3的输出端与信号处理器6的输入端联接；每一个空间轴线加速度传感器中的敏感电路M均由离散控制器1、ST接口电路2和敏感器3组成，离散控制器1的输出端通过ST接口电路2接至敏感器3的输入端，敏感器3的输出端与信号处理器6的输入端联接。在图4所示的角速率陀螺的实际电路中，敏感电路M中的敏感器3由型号为PO-XRS的敏感器件芯片构成，PO-XRS的输入端接角速率输入信号ωin，谐振器4由两只型号为LTC2053的芯片相互串联形成，激励器5由型号为REG711-5的充电泵调节器构成，信号处理器6由型号为LTC2053和LB8207的芯片构成，主放大器10由型号为LTC2053的集成芯片构成。在图5所示的线加速度传感器的实际电路中，敏感电路M中的敏感器3由型号为PO-XL的敏感器件芯片构成，PO-XL的输入端接线加速度输入信号ain，信号处理器6由型号为LB8207的芯片构成，主放大器10由型号为LTC2053的集成芯片构成。图6～图15所示的各功能电路的结构组成及工作形式分别如下所述。为使零偏在性能有差异的不同芯片下一致，在惯性测量装置内设计了零偏置控制器7。零偏置控制器7由主放大器7c、输入回路7a、校准回路7b、反馈回路7d和运算器7e组成(图6)，其中主放大器7c的输入端与输入回路7a的输出端联接，主放大器7c的输出信号可分流至反馈回路7d和运算器78的输入端，运算器7e输出端经校准回路7b后与反馈回路7d输出端一道回接至主放大器7c的输入端。在图7所示的实际工作电路中，输入回路7a由电阻R1、R2和电容C1组成，主放大器7c由型号为LTC2053的芯片构成，运算器7e由型号为LM339的芯片构成，标准回路7b由电阻R3和电子开关K组成，反馈回路7d由电阻R4构成。零偏置控制器7的设置可以使IMU内的每个自由度的零偏一致，达到2.5±0.1V，便于用户的使用。在要求准确控制的场合，客户往往要求非线性越小越好，为此在惯性测量装置内设置了非线性纠正器8。非线性纠正器8由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械－电子系统技术惯性测量装置，其特征在于具有三个分别用于测量空间Ｘ、Ｙ、Ｚ轴角速率的角速率陀螺（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）和三个分别用于测量空间Ｘ、Ｙ、Ｚ轴线加速度的线加速度传感器（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ），通过一块适配转接线路板（Ⅶ）使各角速率陀螺（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）和各线加速度传感器（Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ）并行设置，其中每一个空间轴角速率陀螺和每一个空间轴线加速度传感器均由采用微机械－电子系统（ＭＥＭＳ）技术的芯片构成的敏感电路（Ｍ）、信号处理器（６）、主放大器（１０）以及零偏置控制器（７）、非线性纠正器（８）、量程扩展器（９）、温漂补偿器（１１）、带宽扩展器（１２）组成，敏感电路（Ｍ）的输出端经信号处理器（６）接至主放大器（１０）的输入端，零偏置控制器（７）、非线性纠正器（８）、量程扩展器（９）、温漂补偿器（１１）和带宽扩展器（１２）相并联，其共同输出端接至主放大器（１０）的输入端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谷荣祥，张志英，何永革，王革命，董红娟，
申请(专利权)人：西安中星测控有限公司，
类型：实用新型
国别省市：87[中国|西安]