  陀螺儀傳感器用于測(cè)試顯示每單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)量的角速度.根據(jù)測(cè)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(cè)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(chǎng)或高樓之間等無法正確接收GPS(Global Positioning System,全球位置測(cè)定系統(tǒng))信號(hào)的場(chǎng)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(hào)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(cè)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(hào)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(hào)針對(duì)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(hào),內(nèi)建AD轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(hào)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?qǐng)D1.)
  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(duì)稱,由驅(qū)動(dòng)臂,檢測(cè)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(chǎng),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(cè)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(cè)臂開始左右振動(dòng).把檢測(cè)臂的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電荷變化量,就可以檢測(cè)出傳感器所受轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度.
  3.陀螺儀傳感器的信號(hào)處理(模擬輸出陀螺儀傳感器的信號(hào)處理)
  這里以陀螺儀傳感器(模擬輸出)的基本信號(hào)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(cè)檢測(cè)臂的振動(dòng).
  ③放大檢測(cè)出的信號(hào)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(cè)臂的振動(dòng)波形相比較,計(jì)算出角速度.
  (檢測(cè)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(hào)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(cè)信號(hào)中分離出地球偏轉(zhuǎn)力信號(hào)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(hào).
自我檢測(cè):內(nèi)建自我檢測(cè)電路,用通信響應(yīng)(DIAG)傳送自我檢測(cè)結(jié)果.
  數(shù)字輸出接口
SPI(四線式,三線式)
  可應(yīng)對(duì)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(cè)異常的自我檢測(cè)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(duì)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(cè)判定結(jié)果輸出命令來判斷自我檢測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)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?duì)陀螺儀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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)需求,使用數(shù)字補(bǔ)償電路對(duì)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(duì)的輸出接口以及針對(duì)多種安裝角度的外形陣容等方面有著突出的優(yōu)勢(shì),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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