中心議題：

• 各種流體陀螺簡介
• 流體陀螺所采用的技術分析

解決方案：

• 氣體對流陀螺
• 射流微陀螺
• ECF流體陀螺
• 超流體陀螺

MEMS技術的發展使得慣性技術領域正在經曆一場深刻的變化。慣性傳感器shiliyongwutideguanxingxingzhilaiceliangwutiyundongqingkuangdeyileichuanganqi，baokuojiasudujihetuoluo。qizhongweituoluozaiguanxingdaohangxitongruhangkonghangtianhehanghaishiyezhongfahuizheyuelaiyuezhongyaodezuoyong。chulechuantongdejixieshizhendongtuoluowai，gezhongxinxingtuoluoyecengchubuqiong
，rujingdianzhichengtuoluo
、磁支撐陀螺、微流體陀螺、超導陀螺等，這些新型陀螺在性能和尺寸上都有各自的優勢
，下麵就流體陀螺的研究和發展應用前景進行介紹。

各種流體陀螺簡介

流liu體ti類lei陀tuo螺luo儀yi與yu傳chuan統tong陀tuo螺luo儀yi相xiang比bi
，由you於yu沒mei有you懸xuan掛gua質zhi量liang塊kuai
，結jie構gou大da大da簡jian化hua

，製zhi作zuo難nan度du降jiang低di，更geng重zhong要yao的de是shi
，省sheng去qu了le複fu雜za的de活huo動dong部bu件jian，其qi抗kang衝chong擊ji、抗振動能力大大提高，特別適合在高衝擊

、高振動環境下使用。

流體陀螺的基本原理主要有兩種：一yi種zhong是shi在zai外wai界jie的de控kong製zhi下xia流liu體ti本ben身shen產chan生sheng角jiao動dong量liang
，流liu體ti作zuo為wei常chang規gui的de轉zhuan子zi
，形xing成cheng測ce量liang外wai界jie角jiao速su度du的de角jiao動dong量liang，當dang外wai界jie有you角jiao速su度du輸shu入ru時shi，利li用yong轉zhuan動dong流liu體ti與yu殼ke體ti的de相xiang對dui運yun動dong來lai產chan生sheng敏min感gan變bian化hua的de輸shu出chu信xin號hao。另ling一yi種zhong則ze是shi利li用yong流liu體ti係xi統tong的de科ke氏shi加jia速su度du來lai產chan生sheng敏min感gan變bian化hua的de輸shu出chu信xin號hao。

氣體對流陀螺

圖1是由清華大學設計、中國電子集團第13研(yan)究(jiu)所(suo)加(jia)工(gong)而(er)成(cheng)的(de)微(wei)流(liu)體(ti)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)。它(ta)是(shi)利(li)用(yong)氣(qi)體(ti)流(liu)速(su)方(fang)向(xiang)在(zai)哥(ge)氏(shi)加(jia)速(su)度(du)作(zuo)用(yong)下(xia)發(fa)生(sheng)偏(pian)轉(zhuan)的(de)原(yuan)理(li)，采(cai)用(yong)微(wei)機(ji)械(xie)加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)製(zhi)作(zuo)的(de)。此(ci)微(wei)流(liu)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)由(you)隔(ge)熱(re)腔(qiang)體(ti)、加(jia)熱(re)器(qi)和(he)兩(liang)對(dui)對(dui)稱(cheng)的(de)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)構(gou)成(cheng)。加(jia)熱(re)器(qi)和(he)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)懸(xuan)在(zai)腔(qiang)體(ti)上(shang)麵(mian)。加(jia)熱(re)器(qi)加(jia)熱(re)使(shi)其(qi)周(zhou)圍(wei)的(de)氣(qi)體(ti)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)，密(mi)度(du)減(jian)小(xiao)。在(zai)重(zhong)力(li)加(jia)速(su)度(du)的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)，腔(qiang)體(ti)內(nei)的(de)氣(qi)體(ti)發(fa)生(sheng)對(dui)流(liu)。位(wei)於(yu)加(jia)熱(re)器(qi)相(xiang)等(deng)距(ju)離(li)上(shang)的(de)一(yi)對(dui)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)來(lai)測(ce)量(liang)加(jia)熱(re)器(qi)兩(liang)邊(bian)的(de)溫(wen)差(cha)。

器qi件jian封feng裝zhuang在zai密mi封feng的de隔ge熱re管guan殼ke內nei，防fang止zhi外wai部bu氣qi流liu和he溫wen度du對dui器qi件jian的de影ying響xiang。敏min感gan方fang向xiang無wu哥ge氏shi加jia速su度du時shi，腔qiang體ti內nei的de加jia熱re氣qi體ti隻zhi在zai重zhong力li加jia速su度du的de作zuo用yong下xia發fa生sheng對dui流liu，如ru加jia熱re器qi水shui平ping方fang向xiang上shang兩liang邊bian相xiang等deng位wei置zhi上shang的de溫wen度du相xiang等deng，兩liang對dui溫wen度du傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu相xiang等deng。敏min感gan方fang向xiang上shang有you哥ge氏shi加jia速su度du時shi，腔qiang體ti內nei的de氣qi體ti在zai重zhong力li加jia速su度du和he外wai加jia角jiao速su度du的de聯lian合he作zuo用yong下xia交jiao替ti膨peng脹zhang，加jia熱re器qi水shui平ping兩liang邊bian相xiang等deng位wei置zhi上shang出chu現xian溫wen度du差cha
，兩liang對dui溫wen度du傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu就jiu產chan生sheng差cha異yi。若ruo兩liang對dui溫wen度du傳chuan感gan器qi采cai用yong熱re敏min電dian阻zu，可ke與yu外wai接jie的de兩liang對dui參can考kao電dian阻zu構gou成cheng電dian阻zu電dian橋qiao，這zhe樣yang通tong過guo電dian橋qiao的de輸shu出chu電dian壓ya信xin號hao變bian化hua便bian可ke以yi測ce量liang出chu外wai界jie輸shu入ru角jiao速su度du的de值zhi。

射流微陀螺

射流氣體陀螺是利用強迫對流氣體的氣流束(層流)和敏感元件的熱阻效應來測量角速率的。目前，采用MEMS技術製作的射流微陀螺並不多。報道的射流氣體微陀螺主要由壓電驅動泵、循環氣流通道及腔室、微wei噴pen嘴zui和he熱re敏min元yuan件jian等deng組zu成cheng。它ta結jie構gou簡jian單dan

，無wu活huo動dong檢jian測ce質zhi量liang
，抗kang過guo載zai能neng力li強qiang
，成cheng本ben低di，壽shou命ming長chang。它ta是shi在zai哥ge氏shi力li定ding理li基ji礎chu上shang發fa明ming出chu來lai的de，它ta通tong過guo壓ya電dian泵beng驅qu動dong氣qi體ti循xun環huan，當dang陀tuo螺luo有you角jiao速su度du信xin號hao輸shu入ru時shi，利li用yong哥ge氏shi力li使shi循xun環huan氣qi流liu束shu偏pian轉zhuan來lai實shi現xian角jiao參can數shu的de測ce量liang。循xun環huan氣qi流liu是shi由you壓ya電dian泵beng激ji勵li而er產chan生sheng的de氣qi體ti層ceng流liu束shu(射流)
，信號由兩根平行的熱敏絲R1，R2敏感。當輸入角速度為∞時

，由於哥氏力的作用，射流束偏離原來所在的射腔的中心位置(見圖2)，偏離的角度和方向決定於輸入角速度，這樣通過測量外圍電路電壓的變化便可測量出相應的加速度值。
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chuantongtuoluoshiliyonggaosuzhuanzidedingzhouxinghejindongxingminganjiaosudu，ersheliutuoluoshiliyongqiliushuzaiguanxinglizuoyongxiafashengpianzhuanminganjiaosudu。youyuqitidezhilianghenxiao
，meiyouzhuandongbujian，guyadiansheliutuoluonengchengshougaochongji，bingyoushoumingchang、成本低等其他陀螺不可媲美的優點。壓電射流陀螺可用於導彈、飛機

、艦船
、工業自動化和機器人等技術領域，是測量和控製角速度
、角加速度和角度等角參數的關鍵部件。它也是末製導炮彈和機器人姿態控製不可缺少的慣性器件。

ECF流體陀螺ECF(electro-conjugatefluid)

流體是一種新型的流體材料，當在流體兩端的電極上加上幾千伏的電壓時，ECF流體可以產生很強的流動，利用ECF流體的這種特性可以製作基於ECF的流體陀螺。由日本東京工業大學製作的這種流體陀螺如圖3所示
，其基本原理如下：在容器內部充滿ECF液體
，當在如圖3所示的電極上加上上千伏的電壓時，便會產生很強的ECF液體衝擊流，並往圖3(a)所示方向流動。

當給陀螺如圖3(b)所示以順時針方向旋轉的角速度時
，ECFdeliudongbianxiangzuobianpianyi，zuoyouliutideliudongbianhuashidedingbuderezuzuzhifashengbianhua
，jinerkeyijiancechuwaibudedianyazhidebianhua，tongguoceliangwaibudianyadebianhuabiankeyiceliangchuwaijieshurujiaosududezhi。

ECF流體所具有的特性為流體陀螺的研究開拓了新的途徑，但是ECF流體陀螺所用的高電壓卻可能限製它的應用場合

，設法尋找新的ECF材料或采取其它途徑來降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴大應用場合的關鍵。

1.4超流體陀螺

對於超流體陀螺(superfluidgyroscope)的研究是基於一種低溫物理效應一超流體開展的。采用超流體的陀螺。其工作原理設計、kexingxingyanzhengyijijingdudengjidequedingdengfangmiandouxuyaojinxingdaliangtansuoxingdelilunyanjiuheshiyanfenxi。danyinweichaoliutidutedewulitexingduiyubaochiguanxingyouzhelianghaodeqianli，yanjiuzhemenzhengzaijijikaizhanxiangguangongzuo，fazhanjiyuchaoliutideguanxingtuoluoyi。

由you於yu超chao流liu體ti流liu動dong基ji本ben上shang可ke以yi認ren為wei沒mei有you阻zu力li
，當dang承cheng載zai容rong器qi與yu其qi發fa生sheng切qie向xiang運yun動dong時shi，超chao流liu體ti不bu會hui像xiang通tong常chang的de流liu體ti一yi樣yang由you於yu液ye體ti的de粘zhan性xing力li發fa生sheng隨sui動dong，而er是shi保bao持chi原yuan來lai的de狀zhuang態tai。也ye就jiu是shi說shuo低di阻zu使shi之zhi對dui於yu轉zhuan動dong可ke能neng呈cheng現xian出chu非fei常chang良liang好hao的de慣guan性xing。這zhe樣yang超chao流liu體ti與yu承cheng載zai容rong器qi間jian就jiu出chu現xian了le相xiang對dui流liu動dong，檢jian測ce這zhe個ge運yun動dong速su度du或huo它ta的de某mou種zhong放fang大da量liang就jiu可ke以yi獲huo得de轉zhuan動dong速su度du的de信xin息xi。由you於yu超chao流liu體ti的de粘zhan滯zhi係xi數shu很hen低di，流liu體ti間jian以yi及ji流liu體ti對dui周zhou圍wei運yun動dong的de阻zu尼ni很hen小xiao，具ju有you很hen好hao的de慣guan性xing
，而er慣guan性xing導dao航hang係xi統tong對dui陀tuo螺luo的de要yao求qiu正zheng是shi需xu要yao其qi保bao持chi良liang好hao的de慣guan性xing係xi。

利(li)用(yong)超(chao)流(liu)體(ti)效(xiao)應(ying)檢(jian)測(ce)角(jiao)速(su)度(du)，在(zai)原(yuan)理(li)上(shang)具(ju)有(you)遠(yuan)遠(yuan)高(gao)於(yu)常(chang)規(gui)陀(tuo)螺(luo)的(de)性(xing)能(neng)潛(qian)力(li)，適(shi)用(yong)於(yu)各(ge)類(lei)需(xu)要(yao)高(gao)精(jing)度(du)陀(tuo)螺(luo)的(de)場(chang)合(he)。不(bu)過(guo)
，由(you)於(yu)該(gai)方(fang)向(xiang)的(de)研(yan)究(jiu)剛(gang)剛(gang)展(zhan)開(kai)，不(bu)成(cheng)熟(shu)的(de)環(huan)節(jie)還(hai)較(jiao)多(duo)
，如(ru)何(he)將(jiang)原(yuan)理(li)與(yu)實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)相(xiang)結(jie)合(he)
，探(tan)尋(xun)更(geng)有(you)效(xiao)的(de)高(gao)精(jing)度(du)方(fang)案(an)
，完(wan)善(shan)配(pei)套(tao)技(ji)術(shu)以(yi)降(jiang)低(di)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)
、縮小體積重量都是有待進一步研究的問題。

本文根據微流體陀螺的不同原理介紹了幾種常見的MEMS微流體陀螺
，並對它們的基本原理、優缺點和應用前景進行了簡單的介紹，這幾種MEMS微流體陀螺都具有體積小
、重量輕
、成本低和抗高衝擊等獨特優點，使得它們都較適合應用在慣性導航、zidongkongzhidengxiangguanlingyu，yinerjuyouguangkuodeyingyongqianjing，suizheweijidianjishudefazhanhexinxingcailiaodeyingyong
，liutituoluodezhongleijiangjinyibuduoyanghua，weiliutituoluojiangzaiguanxingdaohanghezidongkongzhidengfangmianfahuiyuelaiyuezhongyaodezuoyong。