慣性敏感器(Inertial Sensors)又稱慣性器件或慣性儀表，主要是指各種陀螺儀和加速度計，分別用來測量載體的角運動和線運動。其中，陀螺儀測量角運動，加速度計測量線運動加速度。

“慣性”的含義為：陀螺儀和加速度計的基本工作原理是動量矩定理和牛頓第二定律，即慣性原理；陀螺儀和加速度計的輸出是相對慣性空間的測量值。慣性導航系統的精度在很大程度上取決于陀螺儀和加速度計的精度。

陀螺儀

陀螺儀是敏感角運動的一種測量裝置。這種儀表常用來測量運載體的角位移或角速率。陀螺儀不僅是運載體航行駕駛的重要儀表，而且是運載體控制系統、慣性導航系統和慣性制導系統的核心元件。

當陀螺儀在平臺式慣導系統中應用時，陀螺儀安裝在平臺上，用來敏感平臺的角偏移。當陀螺儀在捷聯式慣導系統中應用時，陀螺儀直接與運載體固連，用來敏感運載體的角速率或角位移。

最早問世的陀螺儀是由高速旋轉的剛體轉子支撐在框架上而構成的，后來又研制出多種采用特殊支撐方法的無框架的剛體轉子陀螺儀。因此，傳統上把陀螺儀定義為利用動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或兩個軸的角運動的裝置。

隨著科學技術的發展，還相繼發現數十種物理現象并研制出可以被用來感測載體相對慣性空間的角運動的測量裝置，人們亦把陀螺儀這一名稱擴展到這些沒有剛體轉子而功能與經典陀螺儀等同的敏感器上。

根據陀螺儀工作原理的不同，可將陀螺儀分為機械式陀螺儀﹑振動式陀螺儀﹑光學陀螺儀等

1）機械式陀螺儀括撓性陀螺儀，液浮陀螺儀﹑氣浮陀螺儀等；

2）振動陀螺儀：包括酒杯式振動陀螺儀，諧振陀螺儀﹑硅陀螺儀﹑振動弦陀螺儀，音叉陀螺儀等；

3）光學陀螺儀：包括激光陀螺儀﹑光纖陀螺儀等。

1.機械式陀螺儀

機械式陀螺儀是一種利用高速旋轉的質量來敏感其自旋軸在慣性空間定向變化的裝置。機械式陀螺儀具有兩大特性：定軸性與進動性。

定軸性就是當陀螺儀不受外力矩作用時，陀螺儀自轉軸相對于慣性空間保持方向不變；

進動性就是當陀螺儀受到外力矩作用時，陀螺儀自轉軸將沿最短路徑趨向于外力矩矢量，進動角速率正比于外力矩。

2.激光陀螺儀

光學陀螺儀的工作原理主要是基于Sagnac效應。所謂Sagnac效應是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一觀察點出發的一對光波沿相反方向運行一周后又回到該觀察點時，這對光波的光程將由于該閉合光路相對于慣性空間的旋轉而不同，光程差的大小與閉合光路的轉動速率成正比。利用Sagnac效應，通過測量反向傳輸的兩束光之間的物理差別來測量角度或角速率。

激光陀螺儀是以感測諧振腔環形光路中正、反兩路光的光程差來獲得被測角速率的敏感器。在實際的應用中，激光陀螺儀的諧振腔通常由三面或四面高質量的反射鏡構成。

與傳統機電陀螺儀相比，激光陀螺儀具有以下優點：

1）結構簡單，一般只由十幾個零件組成。

2）可靠性高，壽命長。激光陀螺儀由于沒有運動部件和磨損件，為全固態儀表，因而堅固可靠，抗加速度性能好。

3）啟動時間短。

4）無交叉耦合效應。激光陀螺儀的敏感軸垂直于環形腔平面，對其他正交軸方向的轉動角速率﹑角加速度及線加速度不敏感，沒有常規機電陀螺儀的交叉耦合效應誤差。

5）易于和計算機接口。激光陀螺儀的輸出信號是脈沖形式，對脈沖進行計數就得到對應轉動角度的數字量，便于計算機處理，不需要高精度的A/D電路。

6）功耗低，體積小，質量輕。

7）角速率測量的動態范圍寬，可達到士1500°/s。

8）性能穩定，它的腔體由高穩定性的材料制成，保證了標度因數的極高穩定性。

3.光纖陀螺儀

光纖陀螺儀采用多匝光纖線圈代替環形激光器，通過多次循環可增強Sagnac效應。即在同一閉合光路中從同一光源發出兩束特征相同的光，沿相反方向進行傳播，匯合到同一探測點，產生干涉；若存在繞垂直于閉合光路所在平面的軸線相對慣性空間轉動的角速率，則沿正、反方向傳播的光束產生光程差，該值與角速率成正比；通過光程差與相應的相位差的關系，可通過檢測相位差來計算角速率。光纖陀螺儀一般由光纖傳感線圈，集成光學芯片、寬帶光源和光電探測器組成。

與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀不需要光學鏡的高精度加工，易于制造。

按光纖陀螺儀的工作原理，可以將光纖陀螺儀分為干涉式光纖陀螺儀(I-FOG)、諧振式光纖陀螺儀(R-FOG)和布里淵型光纖陀螺儀(B-FOG)。I-FOG是第一代光纖陀螺儀，技術上已經成熟；R-FOG是第二代光纖陀螺儀；B-FOG是第三代光纖陀螺儀。其基本原理相同，但是各自所采用的相位解調方式不同，即對光纖陀螺儀的噪聲補償方法不同而已。

加速度計

加速度計用來測量載體的平移運動加速度，通過對加速度的積分，可求得載體運動的速度和位置。加速度計是依據牛頓力學定律而工作的，它通過測量檢測質量所受的慣性力來間接測量載體的加速度。通常，加速度計包含一個經由彈簧約束的在儀表殼體內的檢測質量塊，通過檢測質量塊的位移變化來測量運載體的加速度。加速度計是慣性導航和慣性制導的基本測量元件之一，其性能和精度直接影響導航和制導系統的精度。

有很多不同的慣性敏感器可以用于檢測加速度的大小。這些敏感器有不同的類型和設計形式。根據檢測加速度的器件的構造形式可以分為機械式的和固態的。常用的機械式加速度計有石英撓性擺式加速度計，兩軸力反饋加速度計等。固態加速度計如硅加速度計、光纖加速度計等。目前，機械式加速度計已經非常成熟，精度和分辨率較高，檢測范圍也很寬。

下面簡單介紹目前常用的石英撓性加速度計的結構、工作原理等。

石英撓性加速度計

石英撓性加速度計主要由上下力矩器、擺組件以及伺服回路組成。其中石英玻璃經化學方法加工形成撓性擺片，線圈與石英擺片固連，連同線圈骨架與擺片構成擺組件，實現檢測質量的功能，用以敏感外界輸入加速度。

力矩器由軛鐵、磁鋼、磁極片與補償環組成，其中磁鋼選用合適的永磁材料構成永磁體以建立磁場，軛鐵與磁極片使磁場沿軛鐵形成磁回路，補償環對漏磁進行補償，上下力矩器在結構上強行磁極對頂并固定，互為對方的反向磁極，在間隙間形成均勻磁場。

當外界有加速度輸入時，擺組件受慣性力作用將離開平衡位置。此時由擺組件上下表面與上下力矩器端面組成的差動電容容值將發生改變，這一電信號通過接線柱輸出至伺服回路。經過放大的電流信號輸出至線圈，產生與輸入加速度力矩相平衡的反饋力矩，使擺組件回到平衡位置。在擺組件偏轉角度很小的情況下，該電流近似與輸入加速度呈線性關系。此時檢測該電流就能得到輸入加速度大小。

審核編輯 黃宇