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陀螺仪相关知识大汇集

2016-07-01 14:36
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  陀螺仪是什么?

  陀螺仪器最早是用于航海导航,但随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。由此可见,陀螺仪器的应用范围是相当广泛的,它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。此处我们重点介绍在电子领域中现在比较流行的MEMS陀螺仪。

  广泛使用的MEMS陀螺(微机械)可应用于航空、航天、航海、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域。并且MEMS陀螺相比传统的陀螺有明显的优势:1、体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合,例如弹载测量等;2、低成本;3、高可靠性、内部无转动部件,全固态装置,抗大过载冲击,工作寿命长;4、低功耗;5、大量程,适于高转速大g值的场合;6、易于数字化、智能化,可数字输出,温度补偿,零位校正等。

  陀螺仪工作原理

  消费电子设备早在几年前就开始使用MEMS加速计。 从游戏机到手机,从笔记本电脑到白色家电,运动控制式用户界面和增强的保护系统给所有的消费电子产品带来很多好处。

  现在轮到MEMS陀螺仪大显神威了,消费电子集成MEMS陀螺仪的浪潮刚刚掀起。

  陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度,而MEMS加速计则能测量线性加速度,因此这两者是一对理想的互补技术。

  事实上,如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器,系统设计人员可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动,为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。

  ST在EMES市场的份额正在快速增长,作为全球公认的消费电子和手机市场最大的MEMS传感器供应商,ST最近推出了30款以低功耗和小封装为特色的高性能陀螺仪。

  ST研制的微机械陀螺仪传感器沿用了ST成功的制造技术,ST利用这项技术已经制造了6亿多颗加速传感器, 选择成功的技术可为客户提供最先进的质量可靠的产品,而且可直接用于最终应用。

  ST陀螺仪的核心元件是一个微加工机械单元,按照一个音叉机制运转,利用Coriolis原理把角速率转换成一个特定感应结构的位移。

  我们以一个单轴偏航陀螺仪为例,探讨最简单的工作原理(图1)。两个正在运动的质点向相反方向做连续运动,如蓝色箭头所示。只要从外部施加一个角速率,就会产生一个与质点运动方向垂直的科里奥利力,如图中黄色箭头所示。产生的科里奥利力使感应质点发生位移,位移大小与所施加的角速率大小成正比。因为传感器感应部分的运动电极(转子)位于固定电极(定子)的侧边,上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化,因此,在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电参数。

  因为ST选用了音叉方法设计陀螺仪,其差分特性使系统本身对作用在传感器上的无用线性加速度和杂乱振动的敏感度低于市场上现有的其它类型陀螺仪。当这些无用的信号被施加到陀螺仪,两个质点就会沿相同方向位移,在一个差分测量后,最终的电容变化将视为无效。

  在系统方面,陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分(图2): - 电机驱动部分通过静电激励方法,使驱动电路前后振荡,为机械元件提供励磁;

  感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移,这是一个稳健、可靠的技术,被成功地用于ST的MEMS产品线,能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。

  图2:一个单轴偏航MEMS陀螺仪的结构简图

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