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1、ADXRS角速度检测陀螺仪的原理及应用2009年06月08日16:53ADXRS角速度检测陀螺仪的原理及应用一、引言陀螺仪作为一种惯性测量器件，是惯性导航、惯性制导和惯性测暈系统的核心部件，广泛应用于军事和民用领域。传统的陀螺仪体枳人、功耗高、易受T扰，稳定性较差，最近美国模拟器件公司推出了一种新型速率陀螺芯片ADXRS,它只有7nimX7mmX3mm大小，采川BGA-32封装技术，这种封装至少要比任何其他具有同类性能的陀螺仪小100倍，而且功耗为30mW,重最仅0.5g,能够很好的克服传统陀螺仪的缺点。山ADXRS芯片组成的角速度检测陀螺仪能够准确的测量角速度，此外还
2、可以利用该陀螺仪对•角度进行测量，实验取得了良好的结果。二、陀螺仪的原理和构造ADXRS系列陀螺仪是III美国模拟器件公司制造，采用集成微电子机械系统(iMEMS)V利丁•艺和BIMOS工艺的角速度传感器，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路。与任何同类功能的陀螺仪相比，ADXRS系列陀螺仪具冇尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点。1、科里奥利加速度ADXRS系列陀螺仪利川科里奥利(Coriolis)加速度来测量角速度，科里奥利效应原理如图1所示。假设某人站在一个旋传平台的中心附近，他相对地面的速度用图1箭头的长度所示。如果移动到平台外缘的某一点，他相对地面的速度
3、会增加，如图1较长的箭头所示。由径向速度引起的切向速度的速率增加，这就是科里奥利加速度。设角速度为W科里奥利加速度的一半，另一般来口径向速度的改变，二者总和为2wv旋转平台必须施加一个大小为2Mwv奥利加速度，并且该人将受到大小相等的反作用力。的力来产生。如果人的质量为M,该，平台半径为r,贝IJ切向速度为wr,如果以速度V沿径向r移动，将产生一个切向加速度阳这仅是團3ADXR5300连有外部元件的电路框81陀螺仪通过使用一种类似于人在一个旋转平台移出或移入的谐振质量元件，利用科里奥利效应來测量角速度。图2示岀了ADXRS系列陀螺仪完整的微机械结构，陀螺仪通过附着在谐振
4、体上的电容检测元件测量谐振质量元件及其框架由于科里奥利效应产生的位移。这些电容检测元件都是由硅材料制成的横梁，它们与两组附着在基片上的静止硅横梁互和交叉，因而形成两个标称值和等的电容器。由角速度引起的位移在该系统内产生一个差分电容。如果弹簧的弹性系数为K2wvMo如果总电容为C2wv,它直接与该角速度成比例。这种关系的逼真度在实际应川中非常好，其线性误差小于0.1%。MC/gK,硅横梁的间距为g,则差分电容为％那么反作用力造成的位移为2、陀螺仪的构造以及电路的实现ADXRS系列陀螺仪的外围尺寸为7mmX7mmX3mm,釆用BGA-32封装技术，有ADXRS150和ADX
5、RS300两种型号，它们的功能电路完全相同，唯一不同在于前者的最程为±150。/s,后者的量程为±300。/so图3显示了ADXRS300的内部电路结构和外围电路,其中外围电路主要是电容和电阻纽成。引脚AVCC接5V电源电压，22nF的泵浦电容用于产生12V的泵浦电压以供部分电路使用。测得的角速度以电压形式在引脚RATEOIT输出，0°/s时输出电压为2.5V,RATEOUT与引脚SUMJZ间并联-个电阻R创ADXRS300的角速度响应带宽,—3dB频率由下式决定:和电容磕，从而组成低通滤波器用丁-限制(1)内部电路的%180kQ,可以从外部给Rout//RextADX
6、RS300_的量程为土300。/s,可以在RATE0UT和SUMJ引脚之,间给&旅300kQ的电阻可以使疑程增大50%,但是这需要对电路雨新调零，调零时在SUMJ引脚处外接一个电阻RnunRATEOLT的零点是2.5V,但角运动范围不对称时,按下式计算：到地或电源止极，对称角运动情况下并联一个电阻來增大量程，例如并联-个，从而调整角速率响应带宽。并联-个电阻R“t,使得R肿180k为25m[MOWSJ⑵式中，S——未校正时零角速度的输出电压,%*——校正后所盂的零点电压。如果求得的R剛5V电源上。为负值,则把电阻AU接地;为正值,接在三、实验过程和测量结果ADXRS30
7、0陀螺仪宜接的用途就是做角速度测彊仪,此外也可以用于测量物体旋转角度一对陀螺仪的输出结果积分，所得的数值即为角度。本实验即用ADXRS300陀螺仪测屋角度,通过ADXRS300f(］速度测虽仪测星旋转物体的转动角速度(注盘：陀螺仪可以以仟何角度安装在旋转物体的任何地方，只要测暈使陀螺仪旋转轴和所要测暈的轴平行即可)，再对角速度积分就是我们所耍的角度了。根据此原理，先把陀螺仪的输出通过数据采集器送入PC机中，再用软件进行积分并最终显示结果。具体流程如图4。1、硬件设计测量角度的具体方法是把也世沁陀螺仪固定在由步进电机张动的圆盘上，由圆盘带动
