ADXRS角速度檢測(cè)陀螺儀的原理及應(yīng)用
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一、引言
陀螺儀作為一種慣性測(cè)量器件，是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和慣性測(cè)量系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的陀螺儀體積大、功耗高、易受干擾，穩(wěn)定性較差，最近美國(guó)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性能的陀螺儀小100倍，而且功耗為30mW，重量?jī)H0.5g，能夠很好的克服傳統(tǒng)陀螺儀的缺點(diǎn)。由ADXRS芯片組成的角速度檢測(cè)陀螺儀能夠準(zhǔn)確的測(cè)量角速度，此外還可以利用該陀螺儀對(duì)角度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)取得了良好的結(jié)果。
二、陀螺儀的原理和構(gòu)造
ADXRS系列陀螺儀是由美國(guó)模擬器件公司制造，采用集成微電子機(jī)械系統(tǒng)(iMEMS)專利工藝和BIMOS工藝的角速度傳感器，內(nèi)部同時(shí)集成有角速率傳感器和信號(hào)處理電路。與任何同類功能的陀螺儀相比，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(cè)量角速度，科里奧利效應(yīng)原理如圖1所示。假設(shè)某人站在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心附近，他相對(duì)地面的速度用圖1箭頭的長(zhǎng)度所示。如果移動(dòng)到平臺(tái)外緣的某一點(diǎn)，他相對(duì)地面的速度會(huì)增加，如圖1較長(zhǎng)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(shè)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(zhuǎn)平臺(tái)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(tái)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)使用一種類似于人在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)移出或移入的諧振質(zhì)量元件，利用科里奧利效應(yīng)來(lái)測(cè)量角速度。圖2示出了ADXRS系列陀螺儀完整的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，陀螺儀通過(guò)附著在諧振體上的電容檢測(cè)元件測(cè)量諧振質(zhì)量元件及其框架由于科里奧利效應(yīng)產(chǎn)生的位移。這些電容檢測(cè)元件都是由硅材料制成的橫梁，它們與兩組附著在基片上的靜止硅橫梁互相交叉，因而形成兩個(gè)標(biāo)稱值相等的電容器。由角速度引起的位移在該系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)差分電容。如果彈簧的彈性系數(shù)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(yīng)用中非常好，其線性誤差小于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(gòu)造以及電路的實(shí)現(xiàn)
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(hào)，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(nèi)部電路結(jié)構(gòu)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(cè)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(yīng)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(nèi)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(duì)電路重新調(diào)零，調(diào)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(yùn)動(dòng)范圍不對(duì)稱時(shí)，按下式計(jì)算：到地或電源正極，對(duì)稱角運(yùn)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(diào)整角速率響應(yīng)帶寬。并聯(lián)一個(gè)電阻Rext，使得Rout=180k為
Rnull = 
(2)
(2)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(fù)值，則把電阻Rnull接地；為正值，接在
三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和測(cè)量結(jié)果
ADXRS300陀螺儀直接的用途就是做角速度測(cè)量?jī)x，此外也可以用于測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)角度—對(duì)陀螺儀的輸出結(jié)果積分，所得的數(shù)值即為角度。
本實(shí)驗(yàn)即用ADXRS300陀螺儀測(cè)量角度，通過(guò)ADXRS300角速度測(cè)量?jī)x測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（注意：陀螺儀可以以任何角度安裝在旋轉(zhuǎn)物體的任何地方，只要測(cè)量使陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸和所要測(cè)量的軸平行即可），再對(duì)角速度積分就是我們所要的角度了。根據(jù)此原理，先把陀螺儀的輸出通過(guò)數(shù)據(jù)采集器送入PC機(jī)中，再用軟件進(jìn)行積分并最終顯示結(jié)果。具體流程如圖4。
1、硬件設(shè)計(jì)
測(cè)量角度的具體方法是把ADXRS300陀螺儀固定在由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的圓盤上，由圓盤帶動(dòng)陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)，陀螺儀的輸出電壓由F-5101數(shù)據(jù)采集控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。F-5101的輸入電壓范圍為-5V～5V，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為12位，轉(zhuǎn)換速度為25ms，適用于本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集。
F-5101通過(guò)打印口與計(jì)算機(jī)相連，占用主機(jī)378H和379H兩個(gè)I/O端口。主機(jī)通過(guò)寫378H向F-5101送入操作狀態(tài)，讀379H得到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)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(zhuǎn)換為5V直流電供ADXRS300陀螺儀使用。
2、軟件設(shè)計(jì)
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(jié)果這一步驟通過(guò)Visual Basic程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。從計(jì)算機(jī)379H端口讀取的數(shù)值為12位2進(jìn)制數(shù)，利用公式
Vout10× (A×16 + B + C / 16)×4096 – 5 (3)＝
可以把12位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，從而求得陀螺儀的實(shí)際輸出電壓。其中Vout12位二進(jìn)制數(shù)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(shè)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(yùn)行一次所用的時(shí)間△t，循環(huán)運(yùn)行程序，對(duì)每次的乘積進(jìn)行累加，并實(shí)時(shí)送出累加結(jié)果，該結(jié)果即為測(cè)得的物體轉(zhuǎn)過(guò)的角度，程序流程如圖
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表1列出了陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)±90°和±180°這四種情況的輸出結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：角度相對(duì)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(yùn)行一次所用的時(shí)間△t過(guò)長(zhǎng)，造成對(duì)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(zhǎng)的程序語(yǔ)句，使用運(yùn)行速度較快的計(jì)算機(jī)或者采用更精確的算法。
數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換時(shí)可能產(chǎn)生的誤差，造成所積分的角速度不準(zhǔn)確。
四、結(jié)論
隨著微機(jī)械加工工藝和陀螺儀的設(shè)計(jì)技術(shù)水平不斷提高，角速度傳感器正朝著微型化、集成化的方向發(fā)展，外形更小巧，測(cè)量更精確，功能更強(qiáng)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(cè)陀螺儀體現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能精確測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的偏航角速度，適用于各種慣性測(cè)量系統(tǒng)，是陀螺儀技術(shù)的一個(gè)飛躍。
參考文獻(xiàn)：
[1]Dan Sheingold, David Krakauer. New iMEMS angular-rate-sensing gyroscope[R]. Analog Dialogue, 2003: 37-03.
[2]Analog Devices Inc. ±300°Ps single chip yaw rate gyro with signal condi2tioning ADXRS300[Z]. 29973351 ADXRS300-a, 2003.
[3] M.Elwenspoke, R.wiegerink, 陶家渠等譯. 硅微機(jī)械傳感器[M]. 北京:中國(guó)宇航出版社 2003.
[4]王成強(qiáng)、馬軻.新概念 Visual Basic6.0教程[M]. 北京:北京科海電子出版社 2003.
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The Principle And Applications Of ADXRS Angular Rate Sensing Gyroscope
Abstract: The principle and the block diagram of ADXRS angular rate sensing gyroscope are introduced, and the external circuit of this gyro is described in detail. In order to measure angle with ADXRS gyroscope, a method of angular rate integral is designed. The design of hardware and software in this experiment is expatiated. The result reveals that this method of experiment can measure angle accurately.
Keywords: gyroscope; coriolis acceleration; data collection; integral
作者簡(jiǎn)介：
應(yīng)科煒，廈門大學(xué)機(jī)電工程系級(jí)研究生，研究方向?yàn)榫軆x器及機(jī)械
地址：廈門大學(xué)機(jī)電工程系2004級(jí)研究生 郵編：361005
電郵：incol666@126.com
吳文貢，廈門大學(xué)機(jī)電工程系級(jí)研究生，研究方向?yàn)榫軆x器及機(jī)械
湯達(dá)斌，胡洪平，廈門大學(xué)機(jī)電工程系級(jí)研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)試測(cè)量技術(shù)
馮勇建，廈門大學(xué)機(jī)電工程系副教授, 研究方向MEMS以及IC設(shè)計(jì)
馮勇建，廈門大學(xué)機(jī)電工程系副教授, 研究方向MEMS以及IC設(shè)計(jì)
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