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【摘 要】本文对惯性传感器的主要仪表-陀螺仪和加速度计的技术现状及应用进行阐述，并对惯性传感器的发展趋势进行预测和总结。为惯性导航技术的研究和发展提供技术参考。
【关键词】惯性传感器；技术现状；发展趋势
引言
惯性传感器是惯性导航技术的核心和发展标志。陀螺仪和加速度计是惯性系统的核心仪表， 其技术指标直接影响惯性导航系统整体性能， 由于陀螺仪研制难度相对更大， 所以陀螺仪表技术一直是惯性技术的重要标志并受到格外重视。从国内外发展来看， 干涉型光纤陀螺等新型陀螺仪表已逐步成为当今惯性技术领域的主导陀螺仪表之一， 并得到越来越普遍的应用。目前， 惯性传感器正向着“高性能、小体积、低成本”的方向不断进步。
1.惯性传感器技术现状
1.1陀螺仪技术
陀螺仪当前的技术现状及应用情况如图1所示，精度较高的转子陀螺仪，主要应用于战略导弹；导航精度达到1海里/小时的动调陀螺和光纤陀螺，主要应用于航姿、水下导航等；零偏稳定性在地球转速量级的光纤量子陀螺主要应用于战术导弹、飞行控制、轻型武器。
1.1.1转子陀螺
国外的单轴液浮陀螺精度已达0.001°/h （1），采用铍材料浮子后可优于0.0005°/h （1），高精度液浮陀螺主要用于远程导弹、军用飞机、舰船和潜艇导航系统中，中精度液浮陀螺则在平台罗经、导弹、飞船及卫星中得到应用；静电陀螺是公认的精度最高的转子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h （1）水平， 目前主要用于潜艇等高精度军用领域[1]。因工艺及成本等因素的影响，国外浮子陀螺应用领域正在逐步被新型陀螺替代。
图1 陀螺技术现状及应用
1.1.2光学陀螺
1975 年， 美国Honeywell 公司研制出机械抖动偏频激光陀螺， 激光捷联惯性导航系统真正进入了实用阶段，之后美国又研制出了无机械抖动的四频差动激光陀螺。 激光陀螺良好的标度因数精度及综合环境适应性能，使其在飞机、火箭等许多领域得到普遍应用， 开始了对转子式陀螺的替代。1996 年后， 全固态结构、全数字、低功耗的光纤陀螺在国外进入工程应用阶段，至今已趋于成熟， 覆盖了高、中、低精度范围， 并在海陆空天各领域获得应用，高精度产品的精度可达到0.001°/h （1） 的水平， 尤其在空间飞行器、舰船等领域有独特应用优势，在新研制的惯性系统中日益得到广泛采用。光子晶体光纤和聚合物材料等新材料、新技术的应用正在推动光纤陀螺不断向高精度、小型化方向发展[2]。光纤陀螺已成为更新换代的新一代主流陀螺仪表。
1.1.3动调陀螺技术
20 世纪80 年代，美国Delco 公司研发出了半球谐振陀螺，它具有质量轻、紧凑、寿命长等优点，但对材料及精密加工方面要求较高， 目前在国外航天领域有少量应用。基于MEMS 工艺的振动陀螺一般可分为石英音叉陀螺和硅微机械陀螺。 国外自1990 年开始生产石英音叉微陀螺，目前可批量生产。硅微机械面振动式MEMS 陀螺经补偿后性能已达到1～10°/h （1），允许的环境温度可达到40℃～85℃， 并可承受强冲击。 BAE公司研制的谐振环式MEMS 陀螺性能已达到2°/h （1）， 2010 年4 月， 由3 个硅MEMS 陀螺构成的速率传感器组合SiREUS （重量750 g， 功耗6W） 首次在欧空局极地冰层探测卫星（CryoSat-2） 上作为姿态测量装置得到成功应用， 精度达到10～20°/h （1） ， 国外硅MEMS 陀螺在战术武器等中、低精度领域已有批量应用。
1.1.4新型陀螺技术
近年来，国外加大了对光子晶体光陀螺、MOEMS 陀螺、原子陀螺等新型陀螺的研究力度，并获得了新的进展。美国将基于冷原子干涉技术的原子惯性仪表技术视为下一代主导型惯性仪表， 斯坦福大学开发的原子陀螺达到6×10-5°/h （1）并希望能研制出5 m/h 的超高精度惯性导航系统。美国还对MEMS 原子器件进行了研究，为实现高灵敏度的微小型原子自旋陀螺创造了条件，目前原理样机的零漂已达0.01°/h （1） 的水平[3]。光子晶体光纤陀螺使用光子晶体光纤绕制光纤环，可显著提升陀螺性能、尤其是环境适应能力。 谐振式光纤陀螺也可采用空芯光子晶体光纤消除寄生的误差信号，提高精度. MOEMS 陀螺的技术关键是实现高质量的微型激光谐振腔这些新型陀螺目前基本处于原理探索或样机研制阶段。
1.2加速度计技术
石英挠性加速度计是机械摆式加速度计的主流产品， 精度可达10-6g水平， 技术已成熟且应用最广。摆式积分陀螺加速度计（Pendulous integratedgyro accelerometer， PIGA） 则利用陀螺力矩平衡惯性力矩的原理来测量加速度， 精度可达10-8 g， 在现有加速度计中精度最高， 但结构复杂、体积大、成本高， 主要用于远程导弹等领域。体积小巧的中低精度石英振梁加速度计利用谐振器的频率特性来测量加速度， 在国外已有大量应用；高性能谐振式陀螺加速度计样机的偏置达1ug 量级， 标度因数精度达1 ppm 水平，是今后高精度加速度计的有力竞争者[4]。目前，微型加速度计有多种技术方案，如MEMS、MOEMS、原子加速度计等， 都要利用集成电路、微机械加工、微弱信号检测等关键工艺和技术。国外中低精度硅MEMS 加速度计日益成熟，并大量用于战术武器及民用领域，目前正在研究更高性能的产品， 其他新型微加速度计也处在研发阶段。
2.惯性传感器发展趋势
惯性传感器发展趋势如图2所示，中低精度的陀螺或加速度计的发展趋势均是体积小、成本低的位机电和微光机电，即MEMS和MOEMS。
图2 陀螺和加速度计的发展趋势
惯性传感器发展趋势总结几点： （1）现有转子式、光学陀螺等惯性仪表及配套元器件的精度、可靠性等性能还需要进一步提高。新概念惯性仪表不断提出，如光子晶体光纤陀螺、MEMS 陀螺、集成光学/MOEMS 陀螺、原子干涉/自旋陀螺及多类新型加速度计等， 研究重点是新原理、新方法、新工艺。总的来看， 惯性仪表正不断向更高精度（如原子陀螺）、更小型化（如MEMS 陀螺） 等方向发展。
（2）采用新器件、新材料向来是提高惯性仪表的重要手段，如比热、比刚度特性优异的铍材的应用，使转子式陀螺和惯导平台系统的性能大幅提升；美国GP-B 探测卫星用于验证广义相对论效应，所用静电陀螺的球体采用纯天然熔融石英后， 精度指标达到前所未有的10-11°/h的水平；而光纤陀螺目前正逐渐采用光子晶体光纤等。所以应关注并发展各类新器件、新材料技术，用来推进惯性技术的跨越式发展[5]。
（3）其他学科技术的发展如控制理论、精密加工、微电子、光电子、MEMS 等技术对惯性传感器发展的推动作用十分明显； 而惯性传感器技术的成果同时也可推广应用于其他工业领域，如光纤电流互感器、光纤水听器等动态测量与控制设备在许多工业部门都有重要应用前景和推广价值。
3.结论
本文对惯性传感器的主要仪表-陀螺仪和加速度计的技术现状及应用进行阐述，并对惯性传感器的发展趋势进行预测和总结。为惯性导航技术的研究和发展提供技术参考。
参考文献：
[1]Yu H， Yang T C， Rigas D， Modelling and control of magnetic suspension systems. In：proceedings of the 2005 IEEE International conference on control Applications. Glasgow. UK： IEEE， 2005. 944～949.
[2]Sandec G A， Szafraniec B， Liu R Y，Strand-jord LK， Weed G. Fiber opticgyros for space，marine and aviation applications. DPIE，2006，2837：61～67.
[3]Rozella DM， The hemispherical resonator gyto：from wineglass to the planet. In：proceedings of 19th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting. AIAA，2009.
[4]Durfee DS， Shaham YK， Kasevich MA，Long-term stability of an area-reversible atom-interferometer.Sagnac gyroscope .Physical Review Letters，2006.97（24）240801.
[5]祝杉，郑娟.美国惯性导航与制导新发展.中国航天.2008（1）：43～45.
【关键词】惯性传感器；技术现状；发展趋势
引言
惯性传感器是惯性导航技术的核心和发展标志。陀螺仪和加速度计是惯性系统的核心仪表， 其技术指标直接影响惯性导航系统整体性能， 由于陀螺仪研制难度相对更大， 所以陀螺仪表技术一直是惯性技术的重要标志并受到格外重视。从国内外发展来看， 干涉型光纤陀螺等新型陀螺仪表已逐步成为当今惯性技术领域的主导陀螺仪表之一， 并得到越来越普遍的应用。目前， 惯性传感器正向着“高性能、小体积、低成本”的方向不断进步。
1.惯性传感器技术现状
1.1陀螺仪技术
陀螺仪当前的技术现状及应用情况如图1所示，精度较高的转子陀螺仪，主要应用于战略导弹；导航精度达到1海里/小时的动调陀螺和光纤陀螺，主要应用于航姿、水下导航等；零偏稳定性在地球转速量级的光纤量子陀螺主要应用于战术导弹、飞行控制、轻型武器。
1.1.1转子陀螺
国外的单轴液浮陀螺精度已达0.001°/h （1），采用铍材料浮子后可优于0.0005°/h （1），高精度液浮陀螺主要用于远程导弹、军用飞机、舰船和潜艇导航系统中，中精度液浮陀螺则在平台罗经、导弹、飞船及卫星中得到应用；静电陀螺是公认的精度最高的转子陀螺，典型精度一般在10-4～10-5°/h （1）水平， 目前主要用于潜艇等高精度军用领域[1]。因工艺及成本等因素的影响，国外浮子陀螺应用领域正在逐步被新型陀螺替代。
图1 陀螺技术现状及应用
1.1.2光学陀螺
1975 年， 美国Honeywell 公司研制出机械抖动偏频激光陀螺， 激光捷联惯性导航系统真正进入了实用阶段，之后美国又研制出了无机械抖动的四频差动激光陀螺。 激光陀螺良好的标度因数精度及综合环境适应性能，使其在飞机、火箭等许多领域得到普遍应用， 开始了对转子式陀螺的替代。1996 年后， 全固态结构、全数字、低功耗的光纤陀螺在国外进入工程应用阶段，至今已趋于成熟， 覆盖了高、中、低精度范围， 并在海陆空天各领域获得应用，高精度产品的精度可达到0.001°/h （1） 的水平， 尤其在空间飞行器、舰船等领域有独特应用优势，在新研制的惯性系统中日益得到广泛采用。光子晶体光纤和聚合物材料等新材料、新技术的应用正在推动光纤陀螺不断向高精度、小型化方向发展[2]。光纤陀螺已成为更新换代的新一代主流陀螺仪表。
1.1.3动调陀螺技术
20 世纪80 年代，美国Delco 公司研发出了半球谐振陀螺，它具有质量轻、紧凑、寿命长等优点，但对材料及精密加工方面要求较高， 目前在国外航天领域有少量应用。基于MEMS 工艺的振动陀螺一般可分为石英音叉陀螺和硅微机械陀螺。 国外自1990 年开始生产石英音叉微陀螺，目前可批量生产。硅微机械面振动式MEMS 陀螺经补偿后性能已达到1～10°/h （1），允许的环境温度可达到40℃～85℃， 并可承受强冲击。 BAE公司研制的谐振环式MEMS 陀螺性能已达到2°/h （1）， 2010 年4 月， 由3 个硅MEMS 陀螺构成的速率传感器组合SiREUS （重量750 g， 功耗6W） 首次在欧空局极地冰层探测卫星（CryoSat-2） 上作为姿态测量装置得到成功应用， 精度达到10～20°/h （1） ， 国外硅MEMS 陀螺在战术武器等中、低精度领域已有批量应用。
1.1.4新型陀螺技术
近年来，国外加大了对光子晶体光陀螺、MOEMS 陀螺、原子陀螺等新型陀螺的研究力度，并获得了新的进展。美国将基于冷原子干涉技术的原子惯性仪表技术视为下一代主导型惯性仪表， 斯坦福大学开发的原子陀螺达到6×10-5°/h （1）并希望能研制出5 m/h 的超高精度惯性导航系统。美国还对MEMS 原子器件进行了研究，为实现高灵敏度的微小型原子自旋陀螺创造了条件，目前原理样机的零漂已达0.01°/h （1） 的水平[3]。光子晶体光纤陀螺使用光子晶体光纤绕制光纤环，可显著提升陀螺性能、尤其是环境适应能力。 谐振式光纤陀螺也可采用空芯光子晶体光纤消除寄生的误差信号，提高精度. MOEMS 陀螺的技术关键是实现高质量的微型激光谐振腔这些新型陀螺目前基本处于原理探索或样机研制阶段。
1.2加速度计技术
石英挠性加速度计是机械摆式加速度计的主流产品， 精度可达10-6g水平， 技术已成熟且应用最广。摆式积分陀螺加速度计（Pendulous integratedgyro accelerometer， PIGA） 则利用陀螺力矩平衡惯性力矩的原理来测量加速度， 精度可达10-8 g， 在现有加速度计中精度最高， 但结构复杂、体积大、成本高， 主要用于远程导弹等领域。体积小巧的中低精度石英振梁加速度计利用谐振器的频率特性来测量加速度， 在国外已有大量应用；高性能谐振式陀螺加速度计样机的偏置达1ug 量级， 标度因数精度达1 ppm 水平，是今后高精度加速度计的有力竞争者[4]。目前，微型加速度计有多种技术方案，如MEMS、MOEMS、原子加速度计等， 都要利用集成电路、微机械加工、微弱信号检测等关键工艺和技术。国外中低精度硅MEMS 加速度计日益成熟，并大量用于战术武器及民用领域，目前正在研究更高性能的产品， 其他新型微加速度计也处在研发阶段。
2.惯性传感器发展趋势
惯性传感器发展趋势如图2所示，中低精度的陀螺或加速度计的发展趋势均是体积小、成本低的位机电和微光机电，即MEMS和MOEMS。
图2 陀螺和加速度计的发展趋势
惯性传感器发展趋势总结几点： （1）现有转子式、光学陀螺等惯性仪表及配套元器件的精度、可靠性等性能还需要进一步提高。新概念惯性仪表不断提出，如光子晶体光纤陀螺、MEMS 陀螺、集成光学/MOEMS 陀螺、原子干涉/自旋陀螺及多类新型加速度计等， 研究重点是新原理、新方法、新工艺。总的来看， 惯性仪表正不断向更高精度（如原子陀螺）、更小型化（如MEMS 陀螺） 等方向发展。
（2）采用新器件、新材料向来是提高惯性仪表的重要手段，如比热、比刚度特性优异的铍材的应用，使转子式陀螺和惯导平台系统的性能大幅提升；美国GP-B 探测卫星用于验证广义相对论效应，所用静电陀螺的球体采用纯天然熔融石英后， 精度指标达到前所未有的10-11°/h的水平；而光纤陀螺目前正逐渐采用光子晶体光纤等。所以应关注并发展各类新器件、新材料技术，用来推进惯性技术的跨越式发展[5]。
（3）其他学科技术的发展如控制理论、精密加工、微电子、光电子、MEMS 等技术对惯性传感器发展的推动作用十分明显； 而惯性传感器技术的成果同时也可推广应用于其他工业领域，如光纤电流互感器、光纤水听器等动态测量与控制设备在许多工业部门都有重要应用前景和推广价值。
3.结论
本文对惯性传感器的主要仪表-陀螺仪和加速度计的技术现状及应用进行阐述，并对惯性传感器的发展趋势进行预测和总结。为惯性导航技术的研究和发展提供技术参考。
参考文献：
[1]Yu H， Yang T C， Rigas D， Modelling and control of magnetic suspension systems. In：proceedings of the 2005 IEEE International conference on control Applications. Glasgow. UK： IEEE， 2005. 944～949.
[2]Sandec G A， Szafraniec B， Liu R Y，Strand-jord LK， Weed G. Fiber opticgyros for space，marine and aviation applications. DPIE，2006，2837：61～67.
[3]Rozella DM， The hemispherical resonator gyto：from wineglass to the planet. In：proceedings of 19th AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting. AIAA，2009.
[4]Durfee DS， Shaham YK， Kasevich MA，Long-term stability of an area-reversible atom-interferometer.Sagnac gyroscope .Physical Review Letters，2006.97（24）240801.
[5]祝杉，郑娟.美国惯性导航与制导新发展.中国航天.2008（1）：43～45.