无驱动结构硅微机械陀螺及其应用技术
项目属传感器技术领域,用于导弹、火箭弹测控系统。研究工作得到国家自然科学基金会和总装备部先后11次资助,历时9年多,总投资692万元。
当今高速旋转弹迅速发展,但相应的姿态测控技术未见报导。课题组开展了无驱动结构微机械陀螺及其应用技术的创新性研究,实现了无驱动结构微机械陀螺在高速旋转弹单通道和三通道测控系统中的应用。主要创新点:
1.提出利用旋转弹的旋转角速度作为驱动力的新思想,建立了无驱动结构的新型微机械陀螺理论基础,该陀螺结构简单,可靠性高,特别是其单路输出载波-包络包含了自旋、偏航和俯仰角速度信息,可直接用于旋转弹测控系统。
2.建立了利用无驱动结构陀螺的载波-包络输出信号分离解算出自旋、偏航和俯仰角速度,以及偏航和俯仰角度的数学模型,发明了信号分离、解算软件,使无驱动结构的微机械陀螺能同时敏感旋转弹的自旋、偏航和俯仰角速度,以及偏航和俯仰角度,具有3个互相垂直安装的一般角速度陀螺的功能。
3.提出利用固体摆特性和微机械密闭腔中热气流的自然对流特性敏感加速度的新思想,发明了微机械加速度计,将其用于旋转弹姿态测控系统能获得地理坐标基准。
4.发明了利用高速旋转弹自旋作为驱动力的电容式硅摆。摆片通过梁挂在框上,摆片中心开有方形通孔,通孔的两侧翼有3~6个长条形通孔。调整方形孔和长条孔的尺寸即可调整陀螺的阻尼、分辨率等参数。
5.提出载波-包络输出信号分别通过极坐标变换和笛卡尔坐标变换,将无驱动结构陀螺的载波-包路输出信号分别用于高速旋转弹单通道和多通道控制的方法,实现了无驱动结构陀螺成功用于旋转弹单通道和多通道控制。
6.在硅摆芯片的上下面对称设置一对冲击止档垫,当受冲击时止档垫与电极板接触,冲击过后脱离接触,使陀螺抗冲击强度达30000g以上。
该项目由北京信息科技大学和北京沃尔康科技有限责任公司合作研发,建立生产工艺条件,并通过军标质保体系GJB9001A和军标生产线认证。产品已批量生产用于国防重点工程×××,×××末控子弹系统和×××、×××测控系统。近3年产品合同款978万元。
该项目国家自然科学基金会结题评估定为特优。中国电子学会、信息产业部和北京市组织的2005年技术鉴定、2006年设计定型鉴定,以及2007年、2008年和2009年技术成果鉴定,鉴定评价均为国际领先水平。
项目申报中、美、英、法、德等国发明专利16项(国外9项),已授权发明专利8项(国外3项),获计算机软件著作权1项,以及省部级科技进步奖2项。该项目是已授权发明专利的具体应用。
该项目一个微机械陀螺能同时给出14400°/s以上高速旋转飞行体自身旋转、偏航和俯仰的角速度,以及偏航和俯仰角度。大大降低了使用成本,对炮弹、低成本导弹和火箭弹智能化具有重要意义。
该项目无驱动结构微机械陀螺的出现,使长期以来陀螺仅有一种有驱动结构的一类陀螺,增加为各具特色的两类陀螺,大大促进了惯性技术的发展。