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快包工程师分享陀螺仪设计开发的一些心得

  工业电子  

jackding 2016-12-29

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陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置,现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。


自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段,据快包资深数据分析师统计,上个月平台与陀螺仪技术相关项目多达十多个,增长趋势明显,其中一个单片机+无线模块+陀螺仪项目已经完成,在工作人员的说服下,服务商愿意给大家分享陀螺仪开发的经验,共享知识,共同学习进步。



“这是一个陀螺仪测量其载体的角度状态,通过无线模块(WIFI或蓝牙或红外均可)传输到50米之内的接受器,再由单片机读取角度状态数据”服务商对笔者介绍道。在与之聊天的过程中,他分享了陀螺仪设计开发的一些心得,供大家参考。

技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式MEMS加速度计运用的是压电效应,在其内部有一个刚体支撑的质量块,有运动的情况下质量块会产生压力,刚体产生应变,把加速度转变成电信号输出。

容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块,从单个单元来看,它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积,通过测量电容变化量来计算加速度。Freescale的MMA7660FC这一款加速度计(3-Axis Orientation/Motion Detection Sensor),这一款芯片也是利用这一原理设计的。datasheet的第9页介绍了其工作原理:当芯片有向右的加速度时,中间的活动质量快相对于另外两块电容板向左移动,这两平行板电容器的电容就发生了变化,从而测量出芯片运动的加速度。



热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块,它的中央有一个加热体,周边是温度传感器,里面是密闭的气腔,工作时在加热体的作用下,气体在内部形成一个热气团,热气团的比重和周围的冷气是有差异的,通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。

由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在,通常情况下,压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度,而不能感应到“静态”加速度,也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度,又能感应“静态”加速度。



从上面的分析中,我们可以看到利用容感式和热感式加速度计进行定向时,加速度计测得的加速度里面包括重力加速度在各个轴上的重力分量和动态运动引起的加速度分量。因而,我觉得我们在利用这一类加速度计进行定向时,必须将动态加速度去掉(较为困难);在进行检测芯片的运动时,必须将重力加速度的去掉。

我觉得如果我们选择用加速度计来进行定向的话,我们可以考虑ST的LSM303DLH(5*5*1mm,0.83mA)这一款芯片。这一款芯片集成了测加速度和磁场的功能,完全可以满足我们定向的需求

MEMS陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。假设旋转物体有径向速度Vr,那么将会产生切向科里奥利加速度。


从上面的公式中,我们可以看到科里奥利加速度的大小是正比于物体旋转的角速度。如果我们在切向安装一个加速度计测出科里奥利加速度,那么我们就可以间接得到物体旋转的角速度。

实际的MEMS陀螺仪的设计如下图。如果物体在圆盘上没有径向运动,科里奥利力就不会产生。因此,在MEMS陀螺仪的设计上,这个物体被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡,与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动(有点象加速度计中的自测试模式),横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化(就象加速度计测量加速度)。因为科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以计算出角速度。



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