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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，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，重量僅0.5g，能夠很好的克服傳統陀螺儀的缺點。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行測量，實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)專利工藝和BIMOS工藝的角速度傳感器，內部同時集成有角速率傳感器和信號處理電路。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、抗沖擊和振動性好的優點。 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。假設某人站在一個旋轉平臺的中心附近，他相對地面的速度用圖1箭頭的長度所示。如果移動到平臺外緣的某一點，他相對地面的速度會增加，如圖1較長的箭頭所示。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，另一般來自徑向速度的改變，二者總和為2wv旋轉平臺必須施加一個大小為2Mwv科里奧利加速度，并且該人將受到大小相等的反作用力。的力來產生。如果人的質量為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，將產生一個切向加速度wv，這僅是 陀螺儀通過使用一種類似于人在一個旋轉平臺移出或移入的諧振質量元件，利用科里奧利效應來測量角速度。圖2示出了ADXRS系列陀螺儀完整的微機械結構，陀螺儀通過附著在諧振體上的電容檢測元件測量諧振質量元件及其框架由于科里奧利效應產生的位移。這些電容檢測元件都是由硅材料制成的橫梁，它們與兩組附著在基片上的靜止硅橫梁互相交叉，因而形成兩個標稱值相等的電容器。由角速度引起的位移在該系統內產生一個差分電容。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。這種關系的逼真度在實際應用中非常好，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、陀螺儀的構造以及電路的實現 ADXRS系列陀螺儀的外圍尺寸為7mm×7mm×3mm，采用BGA-32封裝技術，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時輸出電壓為2.5V，RATEOUT與引腳SUMJ之間并聯一個電阻RoutADXRS300的角速度響應帶寬，－3dB頻率由下式決定：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，調零時在SUMJ引腳處外接一個電阻RnullRATEOUT的零點是2.5V，但角運動范圍不對稱時，按下式計算：到地或電源正極，對稱角運動情況下并聯一個電阻來增大量程，例如并聯一個，從而調整角速率響應帶寬。并聯一個電阻Rext，使得Rout=180k為 Rnull = 式中，Vnull0——未校正時零角速度的輸出電壓，Vnull1——校正后所需的零點電壓。 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、實驗過程和測量結果 ADXRS300陀螺儀直接的用途就是做角速度測量儀，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。 本實驗即用ADXRS300陀螺儀測量角度，通過ADXRS300角速度測量儀測量旋轉物體的轉動角速度（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數據采集器送入PC機中，再用軟件進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電機驅動的圓盤上，由圓盤帶動陀螺儀轉動，陀螺儀的輸出電壓由F-5101數據采集控制器進行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，適用于本實驗的數據采集。 F-5101通過打印口與計算機相連，占用主機378H和379H兩個I/O端口。主機通過寫378H向F-5101送入操作狀態，讀379H得到A/D轉換的數據。 系統的供電電壓為220V，需要通過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，換算成角速度并進行積分，最終顯示結果這一步驟通過Visual Basic程序來實現。從計算機379H端口讀取的數值為12位2進制數，利用公式 Vout10× (A×16 + B + C / 16)×4096 – 5 (3)＝ 可以把12位二進制數轉換為十進制數，從而求得陀螺儀的實際輸出電壓。其中Vout12位二進制數的高4位、中4位和低4位。電壓值換算成角速度由下式決定：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間△t，循環運行程序，對每次的乘積進行累加，并實時送出累加結果，該結果即為測得的物體轉過的角度，程序流程如圖 3、實驗結果 表1列出了陀螺儀轉動±90°和±180°這四種情況的輸出結果。 實驗結果表明：角度相對誤差小于0.5％，有較高的精度。其中誤差來源主要包括： 程序運行一次所用的時間△t過長，造成對角速度的積分不精確，這是產生誤差的主要來源。解決的方法是盡量避免冗長的程序語句，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轉換時可能產生的誤差，造成所積分的角速度不準確。 四、結論 隨著微機械加工工藝和陀螺儀的設計技術水平不斷提高，角速度傳感器正朝著微型化、集成化的方向發展，外形更小巧，測量更精確，功能更強大，價格更低廉的陀螺儀已經成為可能。本文介紹的ADXRS角速度檢測陀螺儀體現了這方面的特點，它尺寸小，功耗低，抗沖擊和振動性好，電路結構簡單，能精確測量轉動物體的偏航角速度，適用于各種慣性測量系統，是陀螺儀技術的一個飛躍。 |
