ADXRS角速度檢測陀螺儀的原理和構(gòu)造及電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

一、引言

陀螺儀作為一種慣性測量器件，是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和慣性測量系統(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，重量僅0.5g，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陀螺儀能夠準(zhǔn)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(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(yōu)點(diǎn)。

1、科里奧利加速度

ADXRS系列陀螺儀利用科里奧利（Coriolis）加速度來測量角速度，科里奧利效應(yīng)原理如圖1所示。假設(shè)某人站在一個旋轉(zhuǎn)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(diǎn)，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(shè)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(zhuǎn)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(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，將產(chǎn)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(zhuǎn)平臺移出或移入的諧振質(zhì)量元件，利用科里奧利效應(yīng)來測量角速度。圖2示出了ADXRS系列陀螺儀完整的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，陀螺儀通過附著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(yīng)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，它們與兩組附著在基片上的靜止硅橫梁互相交叉，因而形成兩個標(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，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(lián)一個電阻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％，但是這需要對電路重新調(diào)零，調(diào)零時在SUMJ引腳處外接一個電阻RnullRATEOUT的零點(diǎn)是2.5V，但角運(yùn)動范圍不對稱時，按下式計(jì)算：到地或電源正極，對稱角運(yùn)動情況下并聯(lián)一個電阻來增大量程，例如并聯(lián)一個，從而調(diào)整角速率響應(yīng)帶寬。并聯(lián)一個電阻Rext，使得Rout=180k為

三、實(shí)驗(yàn)過程和測量結(jié)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(zhuǎn)角度—對陀螺儀的輸出結(jié)果積分，所得的數(shù)值即為角度。

本實(shí)驗(yàn)即用ADXRS300陀螺儀測量角度，通過ADXRS300角速度測量儀測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動角速度（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，只要測量使陀螺儀旋轉(zhuǎn)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(jù)此原理，先把陀螺儀的輸出通過數(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)動的圓盤上，由圓盤帶動陀螺儀轉(zhuǎn)動，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通過打印口與計(jì)算機(jī)相連，占用主機(jī)378H和379H兩個I/O端口。主機(jī)通過寫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Visual Basic程序來實(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)行一次所用的時間△t，循環(huán)運(yùn)行程序，對每次的乘積進(jìn)行累加，并實(shí)時送出累加結(jié)果，該結(jié)果即為測得的物體轉(zhuǎn)過的角度，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±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(yùn)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(chǎn)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(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，測量更精確，功能更強(qiáng)大，價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(xiàn)了這方面的特點(diǎn)，它尺寸小，功耗低，抗沖擊和振動性好，電路結(jié)構(gòu)簡單，能精確測量轉(zhuǎn)動物體的偏航角速度，適用于各種慣性測量系統(tǒng)，是陀螺儀技術(shù)的一個飛躍。