高动态环境下微机械气流式倾角传感器及倾斜敏感技术研究

Generally, sensors measure the horizontal attitude utilize the pendulum characteristic of gas, solid and liquid in the earth gravity field, but there is a common problem existed in them that they can receive precise measure only in the condition with static state. If in high dynamic environment, sensors are disturbed by effect of inertial disturbing and produce a large error. The project intends to carry out basic research and applied basic research, Solve the key technical problems about how to eliminate inertial disturbing on the high dynamic environment.including (1) research in effect mechanism of tilt sensitive on the high dynamic environment with inertial disturbing, and establish mathematical model of inhibiting inertial disturbing; (2) reserch in the micro-machined airflow tilt sensor and a micro-machined gyroscope constitute the tilt sensitive system. We design the dynamic attitude solver algorithm software to eliminate the tilt sensitive signal interference from inertial disturbing, with the ability to let the inclination angle measurement reach very high accuracy in the case of high dynamic environment; (3) the micro-machined airflow tilt sensor as the main components of the tilt sensitive systemin in high dynamic environment, we carry on a thorough applied basic research on its structure, technology and signal processing technology. The research results can be widely used for detection and control of vehicles, ships, robots, aircraft, missiles and other movements, it has good scientific value and application prospect.

通常检测物体水平姿态的传感器，都是利用气体、固体和液体在地球重力场中的摆特性，它们都存在共同的问题，只有当待测物体处于静态或准静态时才可以进行精确测量，在高动态环境下由于外界惯性扰动影响会引起极大的测量误差。 本项目拟开展基础研究和应用基础研究，解决高动态环境下如何消除惯性扰动的关键技术问题。内容包括（1）研究惯性扰动对高动态环境下倾斜敏感的影响机理，建立消除惯性扰动的数学模型；（2）研究以微机械气流式倾角传感器作为主要部件，将其与微机械陀螺组合构成倾斜敏感系统，设计动态姿态解算算法软件，实现消除惯性扰动对倾斜敏感信号影响，使物体在高动态环境下倾角测量能达到很高精度；（3）微机械气流式倾角传感器作为倾斜敏感系统的主要组成部件，对其结构、工艺和信号处理技术等方面进行深入的应用基础研究。 该研究成果可广泛用于车辆、船舶、机器人，以及飞机、导弹等运动体的检测与控制，有很好的科学价值和应用前景。

高动态环境下载体的水平姿态控制已经由以往单纯的静态控制向动态控制转变，不仅在静态情况下要有很高的控制精度，而且在动态情况下，也要有很高的控制精度。目前高动态环境下倾斜敏感测量的主要问题是测量精度虽能满足要求，但价格都比较昂贵，并且结构复杂、使用不便，产品只能用于高端或少数中端市场，难于满足中、低端市场十分迫切的应用需求。.本项目“高动态环境下微机械气流式倾角传感器及倾斜敏感技术研究”，主要针对载体在高动态环境下如何消除惯性扰动、实现水平姿态的实时和准确测量，开展基础研究和应用基础研究工作，解决高动态环境下如何消除惯性扰动的关键技术问题。本项目研究的主要技术涵盖高动态环境下倾斜敏感技术和微机械（MEMS）惯性器件技术两方面的内容：.1）微机械气流式倾角传感器的研究进展.微机械气流式倾角传感器的结构原理是依据热气体自然对流所具有的“摆”特性而设计的，倾角敏感元件芯片采用硅微体加工工艺过程制作，在硅片上采用光刻、溅射金属电极、干法深刻蚀和湿法刻蚀等方法形成热源敏感铂丝和微气流腔结构。本项目开展了微机械气流式倾角传感器的结构、工艺，以及温度、灵敏度补偿等信号处理技术方面的研究，研制出的样机经第三方检测机构进行了鉴定检验，性能指标达到分辨率≤0.001°；准确度≤0.01°；非线性度≤0.1%；零点漂移≤0.007°/h。.2）高动态环境下倾斜敏感技术方面的研究进展.本项目通过将微机械气流式倾角传感器和微机械陀螺组合构成高动态环境下倾斜敏感系统，建立并利用动态姿态解算算法，通过陀螺信号实现了消除惯性扰动对水平姿态传感器信号的干扰，使载体高动态环境下的水平姿态检测达到很高精度。本项目完成了高动态环境下倾斜敏感系统的结构设计、硬件电路设计与动态姿态解算算法等软件设计，性能达到如下技术指标：动态倾角测量范围：±20°；动态倾角测量精度：≤0.01°；消除惯性扰动能力：≥90％。.本项目研究的技术可实现高动态环境下载体倾斜敏感的实时、准确测量，利用此技术研制的产品性价比与国内外其它同类产品相比有很大优势（成本约在五千元人民币以下），可广泛用于坦克、雷达车、舰船、飞机稳定平台、导弹姿态检测等军事领域，以及汽车、机器人、建筑、交通等民用及工业领域。