由于歷史發(fā)展原因，我國(guó)傳感器，尤其是中高端傳感器的發(fā)展，長(zhǎng)期滯后于國(guó)際先進(jìn)水平，存在不少被“卡”脖子的細(xì)分領(lǐng)域，高端傳感器技術(shù)的突破往往由國(guó)外企業(yè)完成，之后國(guó)內(nèi)企業(yè)才進(jìn)行仿制、跟進(jìn)，落后于人。

這里面，就包括高端慣性傳感器領(lǐng)域，中高端慣性傳感器（涵蓋加速度計(jì)、陀螺儀、IMU慣性測(cè)量單元等）是國(guó)防軍事、航天航空等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要領(lǐng)域的核心基礎(chǔ)零部件，此前，一度有傳聞早期我國(guó)通過(guò)拆解國(guó)外進(jìn)口機(jī)器中的慣性傳感器，將這些慣性傳感器再用在我國(guó)的國(guó)防設(shè)備中。

據(jù)知名咨詢(xún)機(jī)構(gòu)Yole的《High-end Inertial Sensors 2024》報(bào)告指出，全球高端慣性傳感器行業(yè)仍由三大巨頭主導(dǎo)，市場(chǎng)份額方面，美國(guó)占64%，歐洲和中東占28%，亞洲和世界其他地區(qū)占8%，顯然中國(guó)的高端慣性傳感器在這8%里面——弱小的可憐。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)傳感器的關(guān)注度提高，在高端傳感器領(lǐng)域的研發(fā)取得了一些令人振奮的成果，本文，我們將介紹一款由國(guó)產(chǎn)傳感器企業(yè)研發(fā)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，突破國(guó)外巨頭技術(shù)壟斷、全球領(lǐng)先的高端慣性傳感器產(chǎn)品——全數(shù)字輸出石英撓性加速度傳感器。

這款產(chǎn)品對(duì)國(guó)產(chǎn)高端慣性傳感器領(lǐng)域具有什么里程碑意義？

在航天航空、國(guó)防軍事、高端智能制造等對(duì)測(cè)量精度要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域，石英撓性加速度傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“石英加計(jì)”）作為核心測(cè)量器件，其性能直接決定了裝備系統(tǒng)的整體精度與可靠性。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)石英加計(jì)市場(chǎng)以傳統(tǒng)模擬輸出產(chǎn)品為主，存在信號(hào)轉(zhuǎn)換復(fù)雜、抗干擾能力弱、系統(tǒng)適配成本高等痛點(diǎn)。

近日，天羿領(lǐng)航自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首款全數(shù)字輸出石英加計(jì)正式亮相（該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字伺服閉環(huán)電路控制），不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)空白，更以軍工級(jí)品質(zhì)重新定義了石英加計(jì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為高精度慣性測(cè)量領(lǐng)域帶來(lái)里程碑式突破。

一、從“模擬”到“數(shù)字”：石英加計(jì)的技術(shù)迭代之路

要理解全數(shù)字輸出石英加計(jì)的革新價(jià)值，需先清晰傳統(tǒng)石英加計(jì)的技術(shù)局限與行業(yè)需求的矛盾點(diǎn)。

（一）傳統(tǒng)石英加計(jì)：精度可靠但適配性受限

從目前市場(chǎng)來(lái)看，傳統(tǒng)石英加計(jì)由加速度計(jì)表頭與模擬伺服回路構(gòu)成，核心優(yōu)勢(shì)在于“小體積、高精度、高可靠性”——其采用石英玻璃擺片作為敏感元件，通過(guò)差動(dòng)電容檢測(cè)擺片偏轉(zhuǎn)，再經(jīng)模擬回路輸出與加速度成正比的電流信號(hào)，因此廣泛應(yīng)用于航天導(dǎo)航、軍事裝備、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

但隨著數(shù)字化裝備的普及，傳統(tǒng)產(chǎn)品的短板逐漸凸顯：

信號(hào)需額外轉(zhuǎn)換：輸出的模擬電流信號(hào)（或電壓信號(hào)）無(wú)法直接對(duì)接數(shù)字控制系統(tǒng)，必須搭配模數(shù)轉(zhuǎn)換I/F變換設(shè)備（或ADC），增加了系統(tǒng)復(fù)雜度與硬件成本；

抗干擾能力較弱：模擬伺服回路易受溫度漂移、電磁干擾（EMI）影響，在復(fù)雜環(huán)境下（如高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)景）測(cè)量穩(wěn)定性下降；

能耗與體積冗余：外掛的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路不僅占用空間，還導(dǎo)致整體功耗偏高，難以滿(mǎn)足小型化、低功耗裝備的需求。

▲傳統(tǒng)石英撓性加計(jì)拆解結(jié)構(gòu)示意圖

（二）天羿領(lǐng)航全數(shù)字輸出石英加計(jì)：原位升級(jí)，六大核心突破

天羿領(lǐng)航的全數(shù)字輸出石英加計(jì)，在不改變傳統(tǒng)產(chǎn)品外形尺寸與安裝接口的前提下，通過(guò)“硬件集成+算法優(yōu)化”實(shí)現(xiàn)了從“模擬”到“數(shù)字”的跨越，該特點(diǎn)使其在加計(jì)產(chǎn)品中獲得了較多關(guān)注。

1、硬件集成：內(nèi)部集成超小尺寸全數(shù)字閉環(huán)伺服電路（已獲發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)），替代部分傳統(tǒng)模擬電路，大幅提升信號(hào)處理效率與穩(wěn)定性。

2、算法優(yōu)化：搭載自研智能數(shù)字伺服控制算法，優(yōu)化信號(hào)采集、濾波與補(bǔ)償流程，進(jìn)一步提升測(cè)量精度。

據(jù)了解，此次升級(jí)帶來(lái)的六大核心提升，精準(zhǔn)解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品的痛點(diǎn)：

數(shù)字信號(hào)直發(fā)：直接輸出TTL電平數(shù)字信號(hào)，無(wú)需額外轉(zhuǎn)換模塊即可與計(jì)算單元無(wú)縫對(duì)接，顯著簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)，降低硬件搭建成本。 內(nèi)置溫度補(bǔ)償：集成專(zhuān)屬溫度處理單元，在設(shè)備內(nèi)部自主完成溫度漂移修正，復(fù)雜溫環(huán)境下測(cè)量穩(wěn)定性提升。 安裝原位替換：所有數(shù)字處理電路均嵌入原有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)可直接替換傳統(tǒng)模擬石英加計(jì)，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，降低用戶(hù)更換成本與時(shí)間成本。 體積與器件優(yōu)化：省去傳統(tǒng)方案中價(jià)格高昂、體積較大的外掛I/F轉(zhuǎn)換電路，在保持高性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化，更適應(yīng)設(shè)備緊湊空間需求。 能耗顯著降低：重構(gòu)I/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，相比“表頭+外掛I/F轉(zhuǎn)換電路” 的傳統(tǒng)模式，功耗大幅降低60%，更符合低功耗設(shè)備運(yùn)行需求。 可靠性全面提升：數(shù)字閉環(huán)反饋技術(shù)減少溫漂、電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)優(yōu)化抗沖擊、抗振動(dòng)性能，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

二、全數(shù)字輸出的技術(shù)內(nèi)涵：不止是“信號(hào)形式”的改變

在該產(chǎn)品的隨機(jī)用戶(hù)采訪中發(fā)現(xiàn)，全數(shù)字輸出看似僅是信號(hào)輸出形式的改變，實(shí)則是石英加計(jì)技術(shù)的一次全方位升級(jí)。

天羿領(lǐng)航全數(shù)字輸出石英加計(jì)，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)原位替換的基礎(chǔ)上，新增C/V轉(zhuǎn)換、數(shù)字伺服閉環(huán)控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換等核心電路，從抗干擾能力、系統(tǒng)適配性、場(chǎng)景適用性等維度實(shí)現(xiàn)突破，在高精尖裝備領(lǐng)域具有劃時(shí)代意義。

這種技術(shù)重構(gòu)的價(jià)值，體現(xiàn)在三個(gè)關(guān)鍵維度：

抗干擾能力：數(shù)字信號(hào)相比模擬信號(hào)，在傳輸過(guò)程中受電磁干擾、噪聲的影響顯著降低，尤其適合軍工裝備、航空航天等強(qiáng)干擾場(chǎng)景；

系統(tǒng)適配性：直接對(duì)接數(shù)字控制系統(tǒng)，減少了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的誤差，同時(shí)降低了系統(tǒng)集成難度，縮短了裝備研發(fā)周期；

場(chǎng)景擴(kuò)展性：低功耗、小型化的特性，使其可適配智能駕駛（高精度姿態(tài)感知）、高端智能制造（設(shè)備精準(zhǔn)定位）等新興領(lǐng)域，打破了傳統(tǒng)石英加計(jì)“僅用于高端裝備”的應(yīng)用局限。

三、全數(shù)字與傳統(tǒng)產(chǎn)品的核心參數(shù)對(duì)比

為直觀展現(xiàn)全數(shù)字輸出石英加計(jì)的優(yōu)勢(shì)，我們結(jié)合天羿領(lǐng)航公布的產(chǎn)品參數(shù)與行業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)，從輸出形式、性能、可靠性等維度進(jìn)行對(duì)比：

（一）輸出信號(hào)形式與電路結(jié)構(gòu)對(duì)比

（二）核心性能與可靠性對(duì)比

四、天羿領(lǐng)航產(chǎn)品測(cè)試信息

經(jīng)天羿領(lǐng)航公司授權(quán)，傳感器專(zhuān)家網(wǎng)首次發(fā)布全數(shù)字伺服控制電路型數(shù)字輸出石英撓性加速度傳感器部分測(cè)試信息，樣品為封蓋后的成品（見(jiàn)下圖），輸出線(xiàn)直接焊接在針腳上，大小表頭均用工業(yè)AB膠封蓋。

▲天羿領(lǐng)航研制的兩款數(shù)字石英加計(jì)測(cè)試圖

▲左為小表頭型號(hào)（TYAMG-XAQ-2035），右為大表頭型號(hào)（TYAMG-XAQ-1035）

據(jù)業(yè)內(nèi)某所測(cè)試報(bào)告顯示，天羿領(lǐng)航所產(chǎn)的數(shù)字石英加計(jì)產(chǎn)品，其某批次的大、小表頭主要性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如下：

TYAMG-XAQ-1035（大表頭）性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果（未加溫補(bǔ)數(shù)據(jù)）

TYAMG-XAQ-2035（小表頭）性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果（未加溫補(bǔ)數(shù)據(jù)）

從測(cè)試數(shù)據(jù)表現(xiàn)來(lái)看，天羿領(lǐng)航全數(shù)字輸出石英加計(jì)整體性能較高。

主要性能指標(biāo)：零偏月穩(wěn)定性、零偏月重復(fù)性均控制在20μg以?xún)?nèi)。

相關(guān)行業(yè)專(zhuān)家認(rèn)證：天羿領(lǐng)航的數(shù)字石英加計(jì)產(chǎn)品相比于傳統(tǒng)外掛轉(zhuǎn)換電路的加速度計(jì)，在性能表現(xiàn)上相當(dāng)。體積更小，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的原位替換。

該產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，或許會(huì)為行業(yè)提供新的發(fā)展思路，隨著MEMS工藝與數(shù)字補(bǔ)償算法的深度融合，全數(shù)字石英加計(jì)將迎來(lái)兩大發(fā)展方向：

1、成本優(yōu)化：核心器件集成度提升與工藝成熟，將推動(dòng)產(chǎn)品成本進(jìn)一步降低，為向領(lǐng)域拓展奠定基礎(chǔ)。

2、場(chǎng)景延伸：逐步應(yīng)用于智能駕駛（高精度姿態(tài)感知）、高端智能制造（設(shè)備精準(zhǔn)定位）、精密儀器（微加速度測(cè)量）等領(lǐng)域，推動(dòng)更多行業(yè)實(shí)現(xiàn)精度升級(jí)與技術(shù)革新，最終開(kāi)啟慣性測(cè)量技術(shù)的“全數(shù)字時(shí)代”。

結(jié)語(yǔ)

天羿領(lǐng)航全數(shù)字輸出石英加計(jì)的推出，不僅是一家企業(yè)的技術(shù)突破，更是我國(guó)高精度慣性測(cè)量產(chǎn)業(yè)從“技術(shù)跟隨”到“技術(shù)引領(lǐng)”的縮影。

在航天強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的推動(dòng)下，以全數(shù)字石英加計(jì)為代表的核心器件，將持續(xù)為我國(guó)高端裝備發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，同時(shí)也為全球高精度測(cè)量領(lǐng)域貢獻(xiàn)“中國(guó)方案”。

傳感器專(zhuān)家網(wǎng)將持續(xù)關(guān)注該產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用與技術(shù)迭代，為行業(yè)提供更多深度解讀與數(shù)據(jù)支撐。