  陀螺儀傳感器用于測試顯示每單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)量的角速度.根據(jù)測試的方向,角速度分為橫擺角速度(從汽車正上方俯視時(shí)朝左右方向的平面轉(zhuǎn)動(dòng)),俯仰角速度(從汽車正前方直視時(shí)的上下轉(zhuǎn)動(dòng))和滾轉(zhuǎn)角速度(從汽車正前方直視時(shí)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)).汽車通行的道路大多為平面,因此最常使用的是檢測平面上左右轉(zhuǎn)角的橫擺角速度.現(xiàn)在的導(dǎo)航系統(tǒng)中大多搭載了陀螺儀傳感器.在隧道,室內(nèi)停車場或高樓之間等無法正確接收GPS(Global Positioning System,全球位置測定系統(tǒng))信號的場所,使用被稱為“推算定位(DR,Dead Reckoning)”的方法彌補(bǔ)GPS 的位置信息.最近亦出現(xiàn)了很多以傳感器信號為主體,將GPS用于輔助的導(dǎo)航系統(tǒng).
  因此,推算定位根據(jù)陀螺儀傳感器檢測出的角速度求出角度信息,以及車速脈沖的距離信息推算出該車體的位置,以此實(shí)現(xiàn)更加精確的導(dǎo)航系統(tǒng).用于導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺儀傳感器尤其重要的是靜止時(shí),即未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的輸出.其理由是,角度以角速度信號的積分求出,所以靜止時(shí)的輸出變動(dòng)亦被累加,這將造成很大的角度誤差.
  而且,導(dǎo)航系統(tǒng)使用在溫度變化劇烈的環(huán)境之中,因此陀螺儀傳感器靜止時(shí)輸出信號針對溫度變化的穩(wěn)定性(溫度特性)也是重要參數(shù)之一.愛普生生產(chǎn)和銷售的數(shù)字輸出陀螺儀傳感器將以石英晶振為材料的雙 T 型結(jié)構(gòu)傳感元器件和承擔(dān)各種功能的 IC 芯片合為一體,以此實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定的溫度特性.IC芯片能夠驅(qū)動(dòng)傳感元器件,放大輸出信號,內(nèi)建AD轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以及敏感度,靜止時(shí)輸出等各種補(bǔ)償.
  【陀螺儀傳感器的原理與結(jié)構(gòu)】

  1.振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的原理(地球偏轉(zhuǎn)力)
  陀螺儀傳感器將傳感器本身的轉(zhuǎn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電氣信號后算出角速度.愛普生所應(yīng)用的是利用傳感器內(nèi)部振動(dòng)的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的原理.當(dāng)傳感器受到外部施加的轉(zhuǎn)動(dòng)力時(shí),利用傳感器內(nèi)振動(dòng)部位垂直方向所產(chǎn)生的地球偏轉(zhuǎn)力使傳感器內(nèi)產(chǎn)生新的振動(dòng),通過該振動(dòng)求出角速度.
  (地球偏轉(zhuǎn)力,又稱為“科里奧利力”,是 19世紀(jì)法國物理學(xué)家科里奧利所提倡的物理量,指在轉(zhuǎn)動(dòng)的座標(biāo)系中起作用的慣性.參照圖1.)
  2.陀螺儀傳感器的原理(結(jié)構(gòu))
  愛普生制造的陀螺儀傳感器的內(nèi)部振動(dòng)部使用石英晶體諧振器,并采用并列排放T 型石英的“雙T 型結(jié)構(gòu)”.雙T 型結(jié)構(gòu)左右對稱,由驅(qū)動(dòng)臂,檢測臂和位于中心的固定部組成.
  傳感器工作時(shí)在驅(qū)動(dòng)臂上施加交變振動(dòng)電場,使驅(qū)動(dòng)臂保持左右振動(dòng)的狀態(tài),以此抵消漏振,實(shí)現(xiàn)在中央保持靜止?fàn)顟B(tài)的檢測臂,因此可保證零點(diǎn)穩(wěn)定.
  其后從外部向傳感器施加轉(zhuǎn)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)臂持續(xù)進(jìn)行左右擺動(dòng)的同時(shí)也受地球偏轉(zhuǎn)力的影響,從而產(chǎn)生垂直方向的振動(dòng).為此,驅(qū)動(dòng)臂的兩側(cè)中的一側(cè)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)另一側(cè)向下運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)臂上下振動(dòng)使固定部也受轉(zhuǎn)動(dòng)力.固定部受力轉(zhuǎn)動(dòng)后,保持靜止的檢測臂開始左右振動(dòng).把檢測臂的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電荷變化量,就可以檢測出傳感器所受轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.
  3.陀螺儀傳感器的信號處理(模擬輸出陀螺儀傳感器的信號處理)
  這里以陀螺儀傳感器(模擬輸出)的基本信號處理為例進(jìn)行解說.
  ①在振蕩電路中流過一定電流使驅(qū)動(dòng)臂起振.
  ②受到外部施加的轉(zhuǎn)動(dòng)力(角速度ω)后產(chǎn)生地球偏轉(zhuǎn)力,檢測檢測臂的振動(dòng).
  ③放大檢測出的信號后,進(jìn)行波形補(bǔ)償.
  ④將相位移動(dòng)90度后的驅(qū)動(dòng)臂振動(dòng)波形與檢測臂的振動(dòng)波形相比較,計(jì)算出角速度.
  (檢測臂的振動(dòng)中,轉(zhuǎn)角為-30度(朝左 30度)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)角為30度(朝右30度)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出信號的相位不同,因此將輸出波形與驅(qū)動(dòng)振動(dòng)的波形相比較,即可求出正確的角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向).
  ⑤進(jìn)行輸出調(diào)整,輸出角速度相應(yīng)的電壓.

  如上所述,模擬輸出陀螺儀傳感器從微弱的檢測信號中分離出地球偏轉(zhuǎn)力信號并將其放大后,輸出與角速度成比例的電壓.
  【數(shù)字輸出陀螺儀傳感器的功能與特征】
  功能
  角速度輸出:以16bit,2 的補(bǔ)數(shù)的形式輸出角速度數(shù)據(jù).
  數(shù)字濾波器:內(nèi)建fc=10Hz的數(shù)字式聲表面濾波器.
  溫度傳感器:以11bit,2 的補(bǔ)數(shù)的形式輸出溫度數(shù)據(jù).
上電復(fù)位(POR):內(nèi)建上電復(fù)位電路,輸出啟動(dòng)電源時(shí)邏輯電路初期化所需的上電復(fù)位信號.
自我檢測:內(nèi)建自我檢測電路,用通信響應(yīng)(DIAG)傳送自我檢測結(jié)果.
  數(shù)字輸出接口
SPI(四線式,三線式)
  可應(yīng)對最大10MHz的通信頻率,并設(shè)有命令錯(cuò)誤判斷及校驗(yàn)和功能,以此確保通信質(zhì)量.而且,陀螺儀傳感器自身也具有檢
  測異常的自我檢測功能,將判定結(jié)果附加在角速度或溫度傳感器的輸出幀之上發(fā)送.根據(jù)判定結(jié)果,可判斷傳感器有無異常.
  I2C
  應(yīng)對最大為 400kbit/s 的快速模式.從機(jī)地址設(shè)定為 1101000,子地址為 1101001(子地址在工廠產(chǎn)品出貨時(shí)設(shè)定).可通過發(fā)出的自我檢測判定結(jié)果輸出命令來判斷自我檢測的結(jié)果.
  以前的模擬輸出陀螺儀傳感器通過 AD 轉(zhuǎn)換器收集信號時(shí),為防止產(chǎn)生混疊(折疊失真),需要在陀螺儀傳感器和 AD 轉(zhuǎn)換器之間插入所需的濾波器電路.而本次所述的XV4001系列則采用了數(shù)字輸出接口,因此,從陀螺儀傳感器輸出的信號無需通過AD轉(zhuǎn)換器而可直接傳送到微機(jī)等處理器.還可進(jìn)行總線連接,在同一信號線上連接多件設(shè)備,與原來的模擬輸出陀螺儀傳感器相比更便于布線.
  【XV4001 系列陀螺儀傳感器的特征(溫度特性)】
  用戶當(dāng)然希望陀螺儀傳感器在未轉(zhuǎn)動(dòng)(靜止?fàn)顟B(tài))下的輸出保持不變.尤其是導(dǎo)航系統(tǒng),因?yàn)閷ν勇輧x傳感器輸出的角速度進(jìn)行積分,所以角速度的輸出變化將對位置精度推算產(chǎn)生很大的影響.致使角速度輸出出現(xiàn)離差的因素繁多,其中溫度變化所造成的影響最為顯著.
  愛普生生產(chǎn)的陀螺儀傳感器使用石英晶振的傳感器元器件.因此,可以看出在未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)臈l件下其角速度輸出變化亦很小.
  但同時(shí)也表明每件產(chǎn)品在溫度特性的斜率和變化量方面存在差異.
  在導(dǎo)航系統(tǒng)中,可以在處理系統(tǒng)中對陀螺儀傳感器的角速度輸出溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償后使用.但是,從技術(shù)和成本雙方來看,這種方法難以對每件產(chǎn)品在全體工作溫度范圍內(nèi)的溫度特性傾斜方向及數(shù)量大小的離差進(jìn)行溫度補(bǔ)償.因此,用戶日益要求陀螺儀傳感器本身具有高穩(wěn)定的角速度輸出溫度特性.愛普生為回應(yīng)市場需求,使用數(shù)字補(bǔ)償電路對靜止時(shí)的輸出進(jìn)行了高次溫度補(bǔ)償.
  使用數(shù)字補(bǔ)償電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的愛普生陀螺儀傳感器靜止時(shí)輸出的溫度特性.
  愛普生的陀螺儀傳感器經(jīng)過溫補(bǔ)振蕩器進(jìn)行溫度補(bǔ)償之后,在-40℃至+85℃的大范圍溫度條件下,大幅度改善了離差,實(shí)現(xiàn)了靜止?fàn)顟B(tài)下角速度輸出保持穩(wěn)定的溫度特性.

最后,在表1中表示 XV4001系列的特征與概要.
XV4001系列數(shù)字輸出陀螺儀傳感器具備最適于導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定特性,在與微機(jī)的連接,所應(yīng)對的輸出接口以及針對多種安裝角度的外形陣容等方面有著突出的優(yōu)勢,能大力支援顧客優(yōu)化設(shè)計(jì)化及產(chǎn)品質(zhì)量.

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