一、引言 陀螺儀作為一種慣性測量器件,是慣性導航、慣性制導和慣性測量系統的核心部件,廣泛應用于軍事和民用領(lǐng)域。傳統的陀螺儀體積大、功耗高、易受干擾,穩定性較差,最近美國模擬器件公司推出了一種新型速率陀螺芯片ADXRS,它只有7mm×7mm×3mm大小,采用BGA-32封裝技術(shù),這種封裝至少要比任何其他具有同類(lèi)性能的陀螺儀小100倍,而且功耗為30mW,重量?jì)H0.5g,能夠很好的克服傳統陀螺儀的缺點(diǎn)。由ADXRS芯片組成的角速度檢測陀螺儀能夠準確的測量角速度,此外還可以利用該陀螺儀對角度進(jìn)行測量,實(shí)驗取得了良好的結果。 二、陀螺儀的原理和構造 ADXRS系列陀螺儀是由美國模擬器件公司制造,采用集成微電子機械系統(iMEMS)專(zhuān)利工藝和BIMOS工藝的角速度傳感器,內部同時(shí)集成有角速率傳感器和信號處理電路。與任何同類(lèi)功能的陀螺儀相比,ADXRS系列陀螺儀具有尺寸小、功耗低、抗沖擊和振動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)。 1、科里奧利加速度 ADXRS系列陀螺儀利用科里奧利(Coriolis)加速度來(lái)測量角速度,科里奧利效應原理如圖1所示。假設某人站在一個(gè)旋轉平臺的中心附近,他相對地面的速度用圖1箭頭的長(cháng)度所示。如果移動(dòng)到平臺外緣的某一點(diǎn),他相對地面的速度會(huì )增加,如圖1較長(cháng)的箭頭所示。由徑向速度引起的切向速度的速率增加,這就是科里奧利加速度。設角速度為w科里奧利加速度的一半,另一般來(lái)自徑向速度的改變,二者總和為2wv旋轉平臺必須施加一個(gè)大小為2Mwv科里奧利加速度,并且該人將受到大小相等的反作用力。的力來(lái)產(chǎn)生。如果人的質(zhì)量為M,該,平臺半徑為r,則切向速度為wr,如果以速度v沿徑向r移動(dòng),將產(chǎn)生一個(gè)切向加速度wv,這僅是 陀螺儀通過(guò)使用一種類(lèi)似于人在一個(gè)旋轉平臺移出或移入的諧振質(zhì)量元件,利用科里奧利效應來(lái)測量角速度。圖2示出了ADXRS系列陀螺儀完整的微機械結構,陀螺儀通過(guò)附著(zhù)在諧振體上的電容檢測元件測量諧振質(zhì)量元件及其框架由于科里奧利效應產(chǎn)生的位移。這些電容檢測元件都是由硅材料制成的橫梁,它們與兩組附著(zhù)在基片上的靜止硅橫梁互相交叉,因而形成兩個(gè)標稱(chēng)值相等的電容器。由角速度引起的位移在該系統內產(chǎn)生一個(gè)差分電容。如果彈簧的彈性系數為K2wv M。如果總電容為C2wv,它直接與該角速度成比例。這種關(guān)系的逼真度在實(shí)際應用中非常好,其線(xiàn)性誤差小于0.1%。 MC/gK,硅橫梁的間距為g,則差分電容為/K,那么反作用力造成的位移為 2、陀螺儀的構造以及電路的實(shí)現 ADXRS系列陀螺儀的外圍尺寸為7mm×7mm×3mm,采用BGA-32封裝技術(shù),有ADXRS150和ADXRS300兩種型號,它們的功能電路完全相同,唯一不同在于前者的量程為±150°/s,后者的量程為±300°/s。圖3顯示了ADXRS300的內部電路結構和外圍電路,其中外圍電路主要是電容和電阻組成。 引腳AVCC接5V電源電壓,22nF的泵浦電容用于產(chǎn)生12V的泵浦電壓以供部分電路使用。測得的角速度以電壓形式在引腳RATEOUT輸出,0°/s時(shí)輸出電壓為2.5V,RATEOUT與引腳SUMJ之間并聯(lián)一個(gè)電阻RoutADXRS300的角速度響應帶寬,-3dB頻率由下式?jīng)Q定:和電容Cout,從而組成低通濾波器用于限制 fout = 1 / (2 π • Rout • Cout) (1) 內部電路的Rout180kΩ,可以從外部給RoutΩ//RextADXRS300的量程為±300°/s,可以在RATEOUT和SUMJ引腳之間給Rout300 kΩ的電阻可以使量程增大50%,但是這需要對電路重新調零,調零時(shí)在SUMJ引腳處外接一個(gè)電阻RnullRATEOUT的零點(diǎn)是2.5V,但角運動(dòng)范圍不對稱(chēng)時(shí),按下式計算:到地或電源正極,對稱(chēng)角運動(dòng)情況下并聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)增大量程,例如并聯(lián)一個(gè),從而調整角速率響應帶寬。并聯(lián)一個(gè)電阻Rext,使得Rout=180k為 Rnull = 式中,Vnull0——未校正時(shí)零角速度的輸出電壓,Vnull1——校正后所需的零點(diǎn)電壓。 如果求得的Rnull5V電源上。為負值,則把電阻Rnull接地;為正值,接在 三、實(shí)驗過(guò)程和測量結果 ADXRS300陀螺儀直接的用途就是做角速度測量?jì)x,此外也可以用于測量物體旋轉角度—對陀螺儀的輸出結果積分,所得的數值即為角度。 本實(shí)驗即用ADXRS300陀螺儀測量角度,通過(guò)ADXRS300角速度測量?jì)x測量旋轉物體的轉動(dòng)角速度(注意:陀螺儀可以以任何角度安裝在旋轉物體的任何地方,只要測量使陀螺儀旋轉軸和所要測量的軸平行即可),再對角速度積分就是我們所要的角度了。根據此原理,先把陀螺儀的輸出通過(guò)數據采集器送入PC機中,再用軟件進(jìn)行積分并最終顯示結果。具體流程如圖4。 1、硬件設計 測量角度的具體方法是把ADXRS300陀螺儀固定在由步進(jìn)電機驅動(dòng)的圓盤(pán)上,由圓盤(pán)帶動(dòng)陀螺儀轉動(dòng),陀螺儀的輸出電壓由F-5101數據采集控制器進(jìn)行A/D轉換。F-5101的輸入電壓范圍為-5V~5V,A/D轉換位數為12位,轉換速度為25ms,適用于本實(shí)驗的數據采集。 F-5101通過(guò)打印口與計算機相連,占用主機378H和379H兩個(gè)I/O端口。主機通過(guò)寫(xiě)378H向F-5101送入操作狀態(tài),讀379H得到A/D轉換的數據。 系統的供電電壓為220V,需要通過(guò)AC220B05-1W5型電源模塊把220V交流電轉換為5V直流電供ADXRS300陀螺儀使用。 2、軟件設計 讀取陀螺儀的輸出電壓值,換算成角速度并進(jìn)行積分,最終顯示結果這一步驟通過(guò)Visual Basic程序來(lái)實(shí)現。從計算機379H端口讀取的數值為12位2進(jìn)制數,利用公式 Vout10× (A×16 + B + C / 16)×4096 – 5 (3)= 可以把12位二進(jìn)制數轉換為十進(jìn)制數,從而求得陀螺儀的實(shí)際輸出電壓。其中Vout12位二進(jìn)制數的高4位、中4位和低4位。電壓值換算成角速度由下式?jīng)Q定:設角速度為w,則:為輸出電壓,A,B,C分別為 w = (Vout -V0) / 5mV /°/s (4) 其中5mV/°/s為ADXRS300陀螺儀的靈敏度,V2.5V。0為陀螺儀靜止時(shí)的輸出電壓,一般為積分的主要步驟是用角速度w5。乘以程序運行一次所用的時(shí)間△t,循環(huán)運行程序,對每次的乘積進(jìn)行累加,并實(shí)時(shí)送出累加結果,該結果即為測得的物體轉過(guò)的角度,程序流程如圖 3、實(shí)驗結果 表1列出了陀螺儀轉動(dòng)±90°和±180°這四種情況的輸出結果。 實(shí)驗結果表明:角度相對誤差小于0.5%,有較高的精度。其中誤差來(lái)源主要包括: 程序運行一次所用的時(shí)間△t過(guò)長(cháng),造成對角速度的積分不精確,這是產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源。解決的方法是盡量避免冗長(cháng)的程序語(yǔ)句,使用運行速度較快的計算機或者采用更精確的算法。 數據采集A/D轉換時(shí)可能產(chǎn)生的誤差,造成所積分的角速度不準確。 四、結論 隨著(zhù)微機械加工工藝和陀螺儀的設計技術(shù)水平不斷提高,角速度傳感器正朝著(zhù)微型化、集成化的方向發(fā)展,外形更小巧,測量更精確,功能更強大,價(jià)格更低廉的陀螺儀已經(jīng)成為可能。本文介紹的ADXRS角速度檢測陀螺儀體現了這方面的特點(diǎn),它尺寸小,功耗低,抗沖擊和振動(dòng)性好,電路結構簡(jiǎn)單,能精確測量轉動(dòng)物體的偏航角速度,適用于各種慣性測量系統,是陀螺儀技術(shù)的一個(gè)飛躍。 |