中文名 | 氣動(dòng)陀螺儀 | 外文名 | Gas-Floatedand DrivenGyroscope |
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作????用 | 提高儀表的可靠性、壽命和精度 |
氣浮陀螺儀技術(shù)涉及氣體軸承技術(shù)、慣性器件的加工制造技術(shù)、陀螺儀漂移率的控制技術(shù)等內(nèi)容。氣體軸承技術(shù)方面,軸承性能的數(shù)值計(jì)算方法、軸承型式、軸承設(shè)計(jì)和工作參數(shù)、加工裝配誤差對(duì)軸承性能的影響等都是研究的重點(diǎn);而要提高陀螺儀的漂移精度,可以從提高陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、減小干擾力矩、增大極軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等方面采取措施;而陀螺器件加工制造誤差、轉(zhuǎn)子的平衡精度,也會(huì)直接影響陀螺儀的漂移精度。
氣體軸承性能的研究
軸承承載性能的好壞直接決定氣浮陀螺儀的性能。因此,對(duì)氣體軸承性能的設(shè)計(jì)和計(jì)算,是氣浮陀螺儀設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
氣體軸承型式、參數(shù)對(duì)軸承性能的影響
氣體軸承的一個(gè)主要缺點(diǎn)是承載能力差、剛度低,而陀螺儀支承需要有高的剛度,這除了可保證良好的支承性能外,載荷變化時(shí)還能使陀螺儀保持軸心位置較小的變化,以減小因軸承不同心引起的干擾力矩。所以,如何保證和提高氣體軸承的支承剛度一直是氣浮陀螺儀研究的重點(diǎn)之一。氣浮軸承的剛度和軸承的潤(rùn)滑方式、節(jié)流形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、供氣壓力等有關(guān)。
軸承結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)軸承性能的影響
合理的軸承結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)是良好性能的基礎(chǔ),對(duì)軸承性能影響較大的參數(shù)有軸承形狀、直徑尺寸、氣膜間隙大小、節(jié)流器尺寸和數(shù)目、供氣壓力等。
目前,氣浮陀螺儀的研究中急需解決以下問(wèn)題:一是開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)的氣浮陀螺儀,以提高陀螺儀的性能、降低成本和工藝難度。另一方面,需要將近年來(lái)氣體軸承的研究成果和研究方法,應(yīng)用于氣浮陀螺儀的研究中,完善潤(rùn)滑理論分析和計(jì)算,以提高氣浮陀螺儀的承載性能、剛度和穩(wěn)定性。另外,還需針對(duì)氣浮陀螺儀干擾力矩進(jìn)行理論分析和研究,以提高陀螺儀的漂移精度。具體來(lái)說(shuō):
在結(jié)構(gòu)及節(jié)流方式方面?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)有待改進(jìn)
以往的研究對(duì)球形二自由度氣浮陀螺儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)多種嘗試,但目前還存在很多問(wèn)題,如何改進(jìn)其結(jié)構(gòu)和工作原理,提高該類陀螺儀的漂移精度和工藝可行性,是亟待解決的問(wèn)題。目前應(yīng)用的球形靜壓軸承多采用小孔節(jié)流,這種節(jié)流方式在工藝上容易實(shí)現(xiàn),但氣體干擾力矩大,對(duì)陀螺儀精度影響不容忽視;另外,其支承剛度不佳。采用狹縫節(jié)流的氣體軸承,理論上即可提高支承剛度,又可較好的控制氣體干擾力矩,因此在球形氣浮陀螺儀上采用狹縫節(jié)流值得研究嘗試。
對(duì)球形氣浮軸承支承性能的研究尚存不足
伴隨著新型結(jié)構(gòu)軸承的出現(xiàn),利用發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù),用更精確的數(shù)值模型對(duì)新結(jié)構(gòu)軸承進(jìn)行精確的數(shù)值求解,一直都是一個(gè)重要的研究課題,這對(duì)保證陀螺儀良好的支承性能至關(guān)重要。
以往的研究中,針對(duì)軸頸和平面止推氣體軸承的研究開(kāi)展的很多也比較充分,但隨著球形氣浮陀螺儀、衛(wèi)星氣浮臺(tái)、靜平衡機(jī)等的發(fā)展,針對(duì)球形氣體軸承承載性能的研究成為這類設(shè)備制造的關(guān)鍵。而衛(wèi)星氣浮臺(tái)、靜平衡機(jī)中應(yīng)用的球形氣浮軸承,工作在靜態(tài)下,一般采用小孔節(jié)流局部承載靜壓軸承的型式,因此以往的研究?jī)H涉及單孔或單列孔節(jié)流、局部承載面支承、靜壓潤(rùn)滑條件。
對(duì)氣體干擾力矩的分析和求解研究欠缺
對(duì)氣體干擾力矩研究,一直是氣體潤(rùn)滑軸承研究的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于高精度氣浮臺(tái)、靜平衡機(jī)來(lái)說(shuō),氣體干擾力矩的存在和控制是其制造和應(yīng)用的難點(diǎn),而對(duì)球形氣浮陀螺儀來(lái)說(shuō),氣體干擾力矩是其最主要干擾力矩之一,是影響其漂移精度的關(guān)鍵因素,因此對(duì)氣體干擾力矩的研究無(wú)法回避,成為刻不容緩的任務(wù)。
氣浮陀螺儀驅(qū)動(dòng)技術(shù)有待改進(jìn)
以往的自由轉(zhuǎn)子氣浮陀螺儀通常采用電場(chǎng)或磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和恒速裝置,來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。而這會(huì)引入電磁干擾力矩,引起轉(zhuǎn)子的漂移。這些干擾力矩的消除,需要額外的附屬裝置,且不容易保證效果 。
自陀螺儀問(wèn)世以來(lái),因其具有不受制于任何外界信息而能測(cè)量出載體姿態(tài)信息的能力而被應(yīng)用在航空、航天、航海等領(lǐng)域中。隨著社會(huì)的進(jìn)步,慣性技術(shù)的不斷發(fā)展,以陀螺儀為核心器件的測(cè)量系統(tǒng)己從傳統(tǒng)的軍用市場(chǎng)走向廣闊的民用市場(chǎng)。發(fā)展陀螺儀及其相關(guān)技術(shù),一直是各國(guó)重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一,也成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平和軍事實(shí)力的重要標(biāo)志之一。除了不斷開(kāi)發(fā)新型陀螺儀以外,對(duì)已有的陀螺儀通過(guò)技術(shù)革新,提高精度、降低成本也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。雖然靜電陀螺儀和液浮陀螺儀具有很高的精度,但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,應(yīng)用不是廣泛;而目前在研究的固體陀螺儀技術(shù)還不成熟,存在較多的技術(shù)難點(diǎn)要突破,要想達(dá)到更高的精度、更廣泛的應(yīng)用還需要投入大量的幾力和財(cái)力進(jìn)行探索和研究。相比較而言由于氣體的粘度比液體粘度小,氣體軸承具有摩擦阻力小、功耗低、轉(zhuǎn)速高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),采用氣體潤(rùn)滑的高速軸承能夠提高儀表的可靠性、壽命和精度,氣體潤(rùn)滑軸承的這些優(yōu)點(diǎn),使得它非常適合于慣性器件的制作,而且相對(duì)于已有的氣浮陀螺儀來(lái)說(shuō)有進(jìn)一步提高精度、降低成本、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小體積的可能。
通過(guò)相容性條件統(tǒng)一了狹縫氣膜和球面潤(rùn)滑氣膜,采用三角形有限單元?jiǎng)澐纸y(tǒng)一后的氣膜,以小擾動(dòng)法為基礎(chǔ)將陀螺軸承內(nèi)的氣膜壓力分解為靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力兩部分,通過(guò)迦遼金加二階微分降為一階微分,以降低對(duì)插值函數(shù)連續(xù)性的要求,根據(jù)氣體流量守恒方程和穩(wěn)態(tài)壓力方程求解氣膜內(nèi)的穩(wěn)態(tài)壓力,進(jìn)而求得動(dòng)態(tài)壓力和陀螺軸承氣膜的動(dòng)態(tài)特性系數(shù),并分析陀螺儀軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響規(guī)律。以陀螺儀軸承轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為基礎(chǔ),根據(jù)陀螺儀轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程,得到陀螺軸承轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的臨界穩(wěn)定性方程,進(jìn)而求得用臨界質(zhì)量來(lái)表示陀螺儀轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性判據(jù)。根據(jù)此判據(jù),分析陀螺儀軸承各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響規(guī)律,結(jié)合氣體陀螺軸承的靜態(tài)承載性能,對(duì)陀螺儀轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),以其得到具有較高的靜態(tài)承載性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。為了陀螺儀能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),減小由不平衡量引起的機(jī)械漂移誤差,必須對(duì)陀螺儀轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。本文針對(duì)新型結(jié)構(gòu)的陀螺儀轉(zhuǎn)子存在球心位置難以確定,質(zhì)心不在轉(zhuǎn)子實(shí)體上的特點(diǎn),提出了輔助件初始靜平衡氣浮單擺精密靜平衡動(dòng)平衡的思路和方法,解決了該結(jié)構(gòu)類型陀螺儀轉(zhuǎn)子的平衡問(wèn)題 。
你好。三軸陀螺儀可以同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置,移動(dòng)軌跡,加速。 單軸的只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的量,也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀,而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好,是激光...
所謂的六軸陀螺儀叫六軸動(dòng)作感應(yīng)器比較合適,是三軸陀螺儀和加速計(jì)的合稱,如果有三軸陀螺儀也有加速計(jì)那就具有六軸動(dòng)作感應(yīng)。
3軸陀螺+3軸加速度=6軸;6軸帶平穩(wěn)功能;陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
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電錘是一種常見(jiàn)的電動(dòng)工具,以其獨(dú)特且強(qiáng)大的鉆孔功能和便捷的使用方式廣泛應(yīng)用于建筑和裝飾等工程領(lǐng)域。特別是在室內(nèi)外懸掛安裝工程等方面更是不可或缺。然而,在電錘的使用過(guò)程中卻經(jīng)常發(fā)生一些傷人事故,嚴(yán)重地威脅作業(yè)人員的人身安全。例如在鋼筋混凝土鉆孔作業(yè)時(shí),一旦鉆頭遇到鋼筋突然卡住,扭矩瞬間加大,致使錘身發(fā)生反轉(zhuǎn)而扭傷作業(yè)人員的手臂,輕者會(huì)造成作業(yè)人員軟組織扭傷,重者則會(huì)讓作業(yè)人員的骨折乃至有生命危險(xiǎn)。因此,電錘的安全性就成為電錘設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
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陀螺儀是一種廣泛應(yīng)用的慣性器件,針對(duì)陀螺儀測(cè)試效率低的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于恒流源的陀螺儀測(cè)溫絲電阻測(cè)量電路;采用恒流源測(cè)量電阻,能有效消除引線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差,顯著地提高了測(cè)量精度;詳細(xì)描述了系統(tǒng)的功能和總體結(jié)構(gòu),給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法、軟件結(jié)構(gòu)圖及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析;該系統(tǒng)還包括單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集電路、液晶顯示單元、報(bào)警輸出單元;該測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于陀螺儀的溫后電阻測(cè)量中,實(shí)踐表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,具有較高的測(cè)試精度。
音叉振動(dòng)陀螺儀又稱音叉諧振陀螺儀。它利用音叉端部的振動(dòng)質(zhì)量被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏效應(yīng)來(lái)敏感角速度。從功能上看,它屬于單軸速率陀螺儀。
音叉的雙臂在激振裝置的激勵(lì)下做相向和相背交替的往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng),音叉兩端部的質(zhì)量就做相向和相背交替的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。激振裝置保證了音叉做等幅振蕩運(yùn)動(dòng),雙臂振蕩的幅值相等,而相位恰好相反。
音叉振動(dòng)陀螺儀的哥氏效應(yīng)可以用下圖來(lái)說(shuō)明,由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的相互影響,音叉端部?jī)蓚€(gè)質(zhì)點(diǎn)均具有哥氏加速度,并受到哥氏慣性力的作用。當(dāng)音叉端部的質(zhì)點(diǎn)做相向運(yùn)動(dòng)時(shí),其哥氏加速度大小為
兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的哥氏慣性力矢量在xoz平面上,由此對(duì)音叉中心軸形成轉(zhuǎn)矩,即哥氏慣性力矩,其大小為
其中s為音叉兩端質(zhì)點(diǎn)與y軸的垂直距離,方向如圖1中所示。
若音叉兩端部的質(zhì)點(diǎn)做相背運(yùn)動(dòng)時(shí),則相對(duì)速度、哥氏速度、哥氏加速度、哥氏慣性力和哥氏慣性力矩都和圖中的方向相反。
除了音叉端部?jī)少|(zhì)點(diǎn)有上述現(xiàn)象外,音叉兩臂上所有對(duì)稱位置上的質(zhì)點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)上述哥氏效應(yīng),所以整個(gè)音叉的哥氏慣性力矩應(yīng)當(dāng)通過(guò)積分來(lái)求得,通過(guò)積分輸出的結(jié)果便可以反推出角速度信息。
殼體振動(dòng)陀螺儀利用軸對(duì)稱殼的振動(dòng)質(zhì)量在角速度作用下的哥氏效應(yīng)而工作。在這種陀螺儀中,哥氏效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果是振動(dòng)波形相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)。
殼體振動(dòng)陀螺儀的核心部分是諧振殼體或稱諧振子,利用諧振子振型相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)來(lái)度量基座相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)。振型偏轉(zhuǎn)方向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,振型偏轉(zhuǎn)角度
諧振子振型的偏轉(zhuǎn)通過(guò)哥氏加速度和哥氏慣性力從得到,也即通過(guò)諧振子在角速度作用下的哥氏效應(yīng)得到相應(yīng)的諧振子振型的偏轉(zhuǎn)角度,由此便可以從殼體振動(dòng)陀螺儀輸出信息中反推出角速度信息。
微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀是固態(tài)的角速度傳感器,以壓電杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測(cè)量 coriolis 力.保證陀螺儀輸出和角速度成正比的高精度電壓信號(hào)。其一般測(cè)量范圍 為0- 1500°/s ,單極或兩極的輸出電壓可供選擇使用。
陀螺儀用途
陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航,但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表,而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件,即可作為信號(hào)傳感器。根據(jù)需要,陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào),以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行,而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中,則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器,陀螺儀器能使列車在單軌上行駛,能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺,能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器,陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見(jiàn),陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的,它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。
廣泛使用的MEMS陀螺(微機(jī)械)可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢(shì):
1.體積小、重量輕。適合于對(duì)安裝空間和重量要求苛刻的場(chǎng)合,例如彈載測(cè)量等。
2.低成本。
3.高可靠性。內(nèi)部無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件,全固態(tài)裝置,抗大過(guò)載沖擊,工作壽命長(zhǎng)。
4.低功耗。
5.大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場(chǎng)合。
6.易于數(shù)字化、智能化??蓴?shù)字輸出,溫度補(bǔ)償,零位校正等。
陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航,但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表,而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件,即可作為信號(hào)傳感器。
根據(jù)需要,陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào),以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行,而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中,則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。
作為穩(wěn)定器,陀螺儀器能使列車在單軌上行駛,能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺,能使安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星上的照相機(jī)相對(duì)地面穩(wěn)定等等。作為精密測(cè)試儀器,陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。
由此可見(jiàn),陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的,它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。此處我們重點(diǎn)介紹在電子領(lǐng)域中現(xiàn)在比較流行的MEMS陀螺儀。
廣泛使用的MEMS陀螺(微機(jī)械)可應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域。并且MEMS陀螺相比傳統(tǒng)的陀螺有明顯的優(yōu)勢(shì):
1、體積小、重量輕。適合于對(duì)安裝空間和重量要求苛刻的場(chǎng)合,例如彈載測(cè)量等;
2、低成本;
3、高可靠性、內(nèi)部無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件,全固態(tài)裝置,抗大過(guò)載沖擊,工作壽命長(zhǎng);
4、低功耗;
5、大量程,適于高轉(zhuǎn)速大g值的場(chǎng)合;
6、易于數(shù)字化、智能化,可數(shù)字輸出,溫度補(bǔ)償,零位校正等。
陀螺儀工作原理
消費(fèi)電子設(shè)備早在幾年前就開(kāi)始使用MEMS加速計(jì)。從游戲機(jī)到手機(jī),從筆記本電腦到白色家電,運(yùn)動(dòng)控制式用戶界面和增強(qiáng)的保護(hù)系統(tǒng)給所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品帶來(lái)很多好處。
現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了,消費(fèi)電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。
陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度,而MEMS加速計(jì)則能測(cè)量線性加速度,因此這兩者是一對(duì)理想的互補(bǔ)技術(shù)。
事實(shí)上,如果組合使用加速計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng),為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。
ST在EMES市場(chǎng)的份額正在快速增長(zhǎng),作為全球公認(rèn)的消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)最大的MEMS傳感器供應(yīng)商,ST最近推出了30款以低功耗和小封裝為特色的高性能陀螺儀。
ST研制的微機(jī)械陀螺儀傳感器沿用了ST成功的制造技術(shù),ST利用這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)制造了6億多顆加速傳感器, 選擇成功的技術(shù)可為客戶提供最先進(jìn)的質(zhì)量可靠的產(chǎn)品,而且可直接用于最終應(yīng)用。
ST陀螺儀的核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元,按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn),利用Coriolis原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。
我們以一個(gè)單軸偏航陀螺儀為例,探討最簡(jiǎn)單的工作原理(圖1)。兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng),如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個(gè)角速率,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向垂直的科里奧利力,如圖中黃色箭頭所示。
產(chǎn)生的科里奧利力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移,位移大小與所施加的角速率大小成正比。因?yàn)閭鞲衅鞲袘?yīng)部分的運(yùn)動(dòng)電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊,上面的位移將會(huì)在定子和轉(zhuǎn)子之間引起電容變化,因此,在陀螺儀輸入部分施加的角速率被轉(zhuǎn)化成一個(gè)專用電路可以檢測(cè)的電參數(shù)。
因?yàn)镾T選用了音叉方法設(shè)計(jì)陀螺儀,其差分特性使系統(tǒng)本身對(duì)作用在傳感器上的無(wú)用線性加速度和雜亂振動(dòng)的敏感度低于市場(chǎng)上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無(wú)用的信號(hào)被施加到陀螺儀,兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)沿相同方向位移,在一個(gè)差分測(cè)量后,最終的電容變化將視為無(wú)效。
在系統(tǒng)方面,陀螺儀的信號(hào)調(diào)節(jié)電路可簡(jiǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2): - 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)靜電激勵(lì)方法,使驅(qū)動(dòng)電路前后振蕩,為機(jī)械元件提供勵(lì)磁;
感應(yīng)部分通過(guò)測(cè)量電容變化來(lái)測(cè)量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生的位移,這是一個(gè)穩(wěn)健、可靠的技術(shù),被成功地用于ST的MEMS產(chǎn)品線,能夠提供強(qiáng)度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號(hào)。
圖2:一個(gè)單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
在控制電路內(nèi)部有先進(jìn)的電源關(guān)斷功能,當(dāng)不需要傳感器功能時(shí),可關(guān)閉整個(gè)傳感器,或讓其進(jìn)入深度睡眠模式,以大幅降低陀螺儀的總功耗,當(dāng)需要檢測(cè)傳感器上施加的角速率時(shí),在接到用戶的命令后,傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。
與ST的MEMS加速計(jì)類似,MEMS陀螺儀也沿用一個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)方法,機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個(gè)封裝內(nèi)。
智能設(shè)計(jì)方法結(jié)合先進(jìn)的封裝解決方案使得該系列產(chǎn)品的封裝尺寸大幅縮減,多軸陀螺儀的系統(tǒng)封裝面積僅為3x5 mm2 ,最大厚度僅為1mm (圖3)。
意法半導(dǎo)體為客戶提供多軸感應(yīng)、30dps到6000dps量程的各種陀螺儀傳感器,讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠解決不同的應(yīng)用需求,從圖像穩(wěn)定器到游戲,從指向裝置到機(jī)器人控制。
除上述傳統(tǒng)應(yīng)用外,整合加速計(jì)和陀螺儀可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解決方案的慣性測(cè)量單元。換句話說(shuō),平臺(tái)開(kāi)發(fā)商可利用最新的MEMS技術(shù),將慣性傳感器與較傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)配合使用,能夠在衛(wèi)星信號(hào)很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒(méi)有信號(hào)的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導(dǎo)航服務(wù)。
在不久的將來(lái),準(zhǔn)確的方位信息與服務(wù)廠商提供的附加中間數(shù)據(jù)將會(huì)整合在一起,并顯示在用戶的手機(jī)顯示屏幕上,這種定位關(guān)聯(lián)服務(wù)將會(huì)為手機(jī)用戶帶來(lái)好處,例如,手機(jī)用戶可以獲得位于某一個(gè)購(gòu)物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息,找到想要購(gòu)買的產(chǎn)品的方位提示,接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價(jià)和打折信息。
整合MEMS加速計(jì)和陀螺儀地磁的模塊正在進(jìn)入廉價(jià)的電子玩具市場(chǎng),傳感器模塊提供的動(dòng)作感應(yīng)功能可實(shí)現(xiàn)互動(dòng)的游戲體驗(yàn),還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂(lè):孩子們很快就能夠創(chuàng)造自己的虛擬娃娃和人物,用自然的動(dòng)作玩這些玩具,不再使用按鈕或鍵盤一類的東西,甚至可以在網(wǎng)上與全球的小朋友一起分享游戲。
結(jié)論:就像幾年前加速計(jì)的成功故事一樣,意法半導(dǎo)體最近掀起了MEMS陀螺儀消費(fèi)浪潮,為市場(chǎng)提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀,增強(qiáng)多種消費(fèi)電子產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)跟蹤功能,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶體驗(yàn)。
憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計(jì)和更智能的封裝技術(shù)上不斷取得的進(jìn)步,結(jié)合最先進(jìn)的生產(chǎn)線和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系,意法半導(dǎo)體進(jìn)一步加強(qiáng)了其MEMS傳感器在消費(fèi)電子和手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。
陀螺儀的作用
這陀螺儀和重力傳感器有什么區(qū)別呢?區(qū)別很多,但最大的區(qū)別就是重力傳感對(duì)于空間上的位移感受維較少,能做到6個(gè)方向的感應(yīng)就已經(jīng)很不錯(cuò)了,而陀螺儀則是全方位的。這很重要,毫不夸張的說(shuō),這兩者不是一個(gè)級(jí)別上的產(chǎn)品。
可能看到這里,大家還是會(huì)覺(jué)得有些迷惑,既然陀螺儀很厲害,那么它在手機(jī)上到底有什么用呢?我們不妨來(lái)看看。
第一大用途,導(dǎo)航。陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始,就用于導(dǎo)航,先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上,因此,如果配合GPS,手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。實(shí)際上,目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀,如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件,其導(dǎo)航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。
第二大用途,可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用,比如防抖,這會(huì)讓手機(jī)的拍照攝像能力得到很大的提升。
第三大用途,各類游戲的傳感器,比如飛行游戲,體育類游戲,甚至包括一些第一視角類射擊游戲,陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移,從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點(diǎn),想必用過(guò)任天堂WII的兄弟會(huì)有很深的感受。
第四大用途,可以用作輸入設(shè)備,陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo),這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似,甚至可以認(rèn)為是一種類型。
第五大用途,也是未來(lái)最有前景和應(yīng)用范圍的用途。下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)。那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是近期才冒出的概念,和虛擬現(xiàn)實(shí)一樣,是計(jì)算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過(guò)手機(jī)或者電腦的處理能力,讓人們對(duì)現(xiàn)實(shí)中的一些物體有跟深入的了解。
如果大家不理解,舉個(gè)例子,前面有一個(gè)大樓,用手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)它,馬上就可以在屏幕上得到這座大樓的相關(guān)參數(shù),比如樓的高度,寬度,海拔,如果連接到數(shù)據(jù)庫(kù),甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時(shí)間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。
這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可不是用來(lái)滿足大家的好奇心,在實(shí)際生產(chǎn)上,其用途非常廣泛,比如蓋房子,用手機(jī)一照,就知道墻是否砌歪了?歪了多少? 再比如,假如您是一位伊拉克抵抗美軍的戰(zhàn)士,平時(shí)只需要揣著一部此類手機(jī),去基地那里轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),出來(lái)什么坦克,裝甲車或者直升機(jī),用手機(jī)對(duì)準(zhǔn)拍下,馬上就能判斷出武器的型號(hào),速度、運(yùn)動(dòng)方向。
陀螺儀產(chǎn)品
意法半導(dǎo)體(ST)推出全球首款雙核陀螺儀
意法半導(dǎo)體推出全球首款能夠同時(shí)處理用戶動(dòng)作識(shí)別與相機(jī)圖像穩(wěn)定兩大功能的雙核陀螺儀L3G4IS,創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)讓設(shè)備廠商只需一個(gè)陀螺儀即可執(zhí)行兩個(gè)不同功能,從而優(yōu)化手機(jī)、平板電腦等智能消費(fèi)電子產(chǎn)品的尺寸、系統(tǒng)復(fù)雜性及成本。
這款擁有創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙核陀螺儀L3G4IS在4x4x1 mm封裝內(nèi)整合為兩個(gè)針對(duì)不同功能優(yōu)化的獨(dú)立輸出通道,同時(shí)可處理動(dòng)作手勢(shì)識(shí)別和光學(xué)圖像穩(wěn)定功能,為手機(jī)相機(jī)實(shí)現(xiàn)更加銳利清晰的照片畫質(zhì)。
意法半導(dǎo)體公司副總裁兼模擬產(chǎn)品、MEMS及傳感器產(chǎn)品部總經(jīng)理Benedetto Vigna表示:“通過(guò)意法半導(dǎo)體全新雙核陀螺儀的創(chuàng)新系統(tǒng)架構(gòu),設(shè)備廠商只需簡(jiǎn)單整合一個(gè)陀螺儀即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)作識(shí)別和圖像穩(wěn)定兩大功能,而無(wú)需再使用兩個(gè)不同技術(shù)規(guī)格的專用傳感器,終端產(chǎn)品進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)更可靠的性能,更纖薄時(shí)尚的外觀設(shè)計(jì)以及更低的制造成本?!?/p>
意法半導(dǎo)體的全新陀螺儀L3G4IS針對(duì)解決電池供電的便攜式設(shè)備電源限制問(wèn)題所設(shè)計(jì),整合關(guān)機(jī)和睡眠兩個(gè)省電模式,內(nèi)置高級(jí)智能電源管理所需的先入先出(FIFO)存儲(chǔ)模塊。新傳感器通過(guò)I2C和SPI兩個(gè)獨(dú)立通信接口輸出數(shù)據(jù),還提供多個(gè)數(shù)字嵌入式功能,如可配置低通/高通濾波器。新款陀螺儀內(nèi)置溫度傳感器,電源電壓范圍為2.4V至3.6V。
ST推出全新"陀螺儀"角速度傳感器
意法半導(dǎo)體(ST)推出新款MEMS單軸航向陀螺儀LISY300AL,這款產(chǎn)品采用7 x 7 x 1.5mm的表面貼裝封裝,角速度測(cè)量性能高達(dá)每秒300度(全量程)。新產(chǎn)品的主要特性包括:高靈敏度,電源電壓范圍擴(kuò)大,從2.7V到3.6V,省電模式可選。新產(chǎn)品還有助于降低游戲控制器、直觀指向設(shè)備、車用或個(gè)人用導(dǎo)航儀等設(shè)備的待機(jī)功耗,并具備圖像穩(wěn)定功能。
利用意法半導(dǎo)體市場(chǎng)領(lǐng)先的MEMS技術(shù),結(jié)合MEMS技術(shù)出色的強(qiáng)健性能,在溫度變化的條件下和整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi),LISY300AL的靈敏度表現(xiàn)非常穩(wěn)定。這個(gè)特性可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),提高傳感器的可靠性。
LISY300AL還在封裝內(nèi)整合一個(gè)低通濾波器及專用芯片接口,設(shè)計(jì)人員使用很少的外部組件即可開(kāi)發(fā)一個(gè)緊湊、低噪的解決方案。此外,高抗震性使新產(chǎn)品可用于對(duì)環(huán)境要求非常高的應(yīng)用中,如工業(yè)控制和汽車電子系統(tǒng)。內(nèi)置的自檢系統(tǒng)為目標(biāo)應(yīng)用帶來(lái)額外的精確度和可靠性保證。
除游戲和先進(jìn)指向設(shè)備用戶界面等消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用外,LISY300AL還可用于機(jī)器人和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中的傾斜運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能。
LISY300AL的絕對(duì)速率輸出是模擬電壓信號(hào)。28引腳的LGA封裝采用ST的ECOPACK封裝技術(shù),符合RoHS法令要求的“綠色節(jié)能”標(biāo)準(zhǔn)。
意法半導(dǎo)體推出世界首款3軸汽車陀螺儀
意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics,簡(jiǎn)稱ST)推出市場(chǎng)上首款符合汽車集成電路標(biāo)準(zhǔn)(AEC-Q100)的3軸數(shù)字輸出陀螺儀。意法半導(dǎo)體最新的角速度傳感器旨在于提高汽車設(shè)備的精度和穩(wěn)定性,包括儀表板內(nèi)置導(dǎo)航儀、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)和路橋收費(fèi)系統(tǒng)。
意法半導(dǎo)體的汽車級(jí)陀螺儀能夠提供精確的測(cè)量結(jié)果,可大幅提升汽車導(dǎo)航儀和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)的航位推算和/或地圖匹配功能。在GSP衛(wèi)星信號(hào)很差的室內(nèi)和高樓林立的城區(qū),航位推算系統(tǒng)可彌補(bǔ)信號(hào)丟失的影響,代替衛(wèi)星檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)和高度。
陀螺儀的精確測(cè)量數(shù)據(jù)還能提高地圖匹配精度。地圖匹配是在數(shù)字地圖的公路網(wǎng)絡(luò)上描述衛(wèi)星或傳感器觀測(cè)的用戶位置的運(yùn)動(dòng)軌跡的過(guò)程,地圖匹配被用于各種導(dǎo)航定位系統(tǒng),包括交通流量分析和車輛行駛方向。
運(yùn)用一個(gè)檢測(cè)結(jié)構(gòu)測(cè)量沿三個(gè)正交軸[1]的運(yùn)動(dòng)是意法半導(dǎo)體的業(yè)內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的陀螺儀設(shè)計(jì)概念,可實(shí)現(xiàn)新的航位推算和地圖匹配功能,能夠徹底解決三軸之間的信號(hào)干擾問(wèn)題,從而大幅提升測(cè)量精度,具有出色的長(zhǎng)時(shí)間和寬溫度范圍輸出穩(wěn)定性。
意法半導(dǎo)體的A3G4250D可測(cè)量最高+/-250dps(度/秒)的角速率。陀螺儀的片上接口把角速率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16位碼流,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SPI或I2C通信協(xié)議,安全可靠地傳送到一個(gè)專用微控制器。新產(chǎn)品提供兩個(gè)輸出引腳(中斷和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備)和4個(gè)用戶可選的輸出數(shù)據(jù)速率。
這款3V單電源傳感器整合了關(guān)斷和深度睡眠兩種省電模式,并集成一個(gè)智能電源管理功能用FIFO(先入先出)存儲(chǔ)器模塊。A3G4250D內(nèi)置一個(gè)8位溫度傳感器,工作范圍擴(kuò)大至-40到85°C。這款產(chǎn)品具有很強(qiáng)抗電磁干擾性能,可承擔(dān)最高10,000g的撞擊。
意法半導(dǎo)體的汽車3軸數(shù)字陀螺儀的設(shè)計(jì)和制造采用了與ST目前銷售量超過(guò)20億支的運(yùn)動(dòng)傳感器相同的制造工藝。意法半導(dǎo)體擁有最先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力,8英寸MEMS專用生產(chǎn)線具備大規(guī)模制造能力,尖端設(shè)計(jì)結(jié)合巨大產(chǎn)能,這一業(yè)內(nèi)獨(dú)有的雙重優(yōu)勢(shì)使公司能夠滿足好整個(gè)供應(yīng)鏈的需求。
深迪發(fā)布中國(guó)首款消費(fèi)級(jí)商用三軸MEMS陀螺儀
深迪半導(dǎo)體(上海)有限公司(Senodia Technologies (Shanghai) Co., Ltd )正式發(fā)布其首款三軸微機(jī)電(MEMS)陀螺儀產(chǎn)品,ST200G。這是中國(guó)首款完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的消費(fèi)級(jí)商用三軸MEMS陀螺儀。
它繼深迪2009年底發(fā)布中國(guó)首款消費(fèi)級(jí)商用單軸MEMS陀螺儀SSZ0304CN打破國(guó)內(nèi)消費(fèi)電子廠商100%依賴進(jìn)口陀螺儀芯片之后,又一款里程碑的產(chǎn)品,并宣告中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的消費(fèi)級(jí)MEMS陀螺儀進(jìn)入三軸時(shí)代。
ST200G是一款小體積、低功耗、高性能、低成本的三軸陀螺儀。它采用QFN封裝,體積僅為4mm×4mm×0.9mm,工作溫度范圍為-40攝氏度~+85攝氏度,角速度滿量程為+/-250度/秒到+/-2000度/秒。另外,ST200G集成了全部的陀螺信號(hào)處理電路,芯片可以設(shè)置Burst Mode及不同的中斷形式,其性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
三軸MEMS陀螺儀能夠同時(shí)偵測(cè)三個(gè)軸向(X, Y, Z)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(傾斜、滾動(dòng)或旋轉(zhuǎn))。作為姿態(tài)識(shí)別、遙控、專業(yè)游戲、室內(nèi)導(dǎo)航和實(shí)景增強(qiáng)不可或缺的裝置,三軸MEMS陀螺儀在消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域有如下廣泛而理想的應(yīng)用:
-- 智能手機(jī)
-- 平板電腦
-- 游戲手柄
-- 遙控器便
-- 模型玩具
-- 便攜式攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)
-- GPS
ST推出全球最小3軸陀螺儀使占板空間縮減40%
意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics,簡(jiǎn)稱ST)進(jìn)一步擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)傳感器產(chǎn)品組合,推出全球最小的高性能三軸模擬陀螺儀。
L3G3250A整合意法半導(dǎo)體已生產(chǎn)近15.4億顆運(yùn)動(dòng)傳感器所采用的穩(wěn)健可靠、經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證的微機(jī)械加工技術(shù)以及公司積極的封裝縮減藍(lán)圖,能夠滿足下一代應(yīng)(游戲機(jī)、虛擬實(shí)境輸入設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制人機(jī)界面(MMI)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、家電以及機(jī)器人)對(duì)更小占板空間的要求。新款傳感器是高性能的三軸模擬輸出陀螺儀,封裝僅為3.5x3x1mm,占板空間從現(xiàn)有產(chǎn)品的17.6 mm3 縮減至10.5 mm3,縮減幅度近40%。
由于諧振頻率在音頻帶寬之外,L3G3250A能夠完全抵抗如安裝在傳感器附近的揚(yáng)聲器產(chǎn)生的音頻噪聲,以及通過(guò)印刷電路板傳遞的耦合機(jī)械振動(dòng),新產(chǎn)品進(jìn)而擁有更高的檢測(cè)精度和可靠性。
此外,其先進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)合三軸一體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)結(jié)構(gòu) 可進(jìn)一步提高精度和可靠性,確保傳感器輸出在時(shí)間和溫度特性方面具有業(yè)界最高的穩(wěn)定性。L3G3250A集高檢測(cè)分辨率和出色的抗音頻噪聲和機(jī)械振動(dòng)噪聲于一身,讓手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)等智能消費(fèi)電子產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)用戶界面變得更趨真實(shí)。
L3G3250A提供兩個(gè)用戶可選量程 – 625或2500 dps (度/秒) – 檢測(cè)分辨率分別為2mV/dps和0.5mV/dps。高量程讓陀螺儀能夠檢測(cè)速度非??斓氖謩?shì)和運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)品其它特性包括嵌入式自測(cè)功能、寬壓電源(2.4V至3.6V)、能夠優(yōu)化電池供電設(shè)備電源管理功能的嵌入式關(guān)閉和睡眠兩種節(jié)能模式、嵌入式低通濾波器和高通濾波器復(fù)位功能以及出色的防碰撞功能。