陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
中文名稱 | 陀螺儀 | 外文名稱 | top |
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特指 | 對稱陀螺 | 時間 | 1850 |
國家 | 法國 | 創(chuàng)始人 | 萊昂·傅科 |
陀螺儀現(xiàn)代儀器
現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器,它是現(xiàn)代航空,航海,航天和國防工業(yè)中 廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器,它的發(fā)展對一個國家的工業(yè),國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要是指機(jī)械式的陀螺儀,機(jī)械式的陀螺儀對工藝結(jié)構(gòu)的要求很高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,它的精度受到了很多方面的制約。自從上個世紀(jì)七十年代以來,現(xiàn)代陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個全新的階段。1976年 等提出了現(xiàn)代光纖陀螺儀的基本設(shè)想,到八十年代以后,現(xiàn)代光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展,與此同時激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。光纖陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊,靈敏度高,工作可靠等等優(yōu)點,關(guān)鍵部件和光纖陀螺儀同時發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外,還有現(xiàn)代集成式的振動陀螺儀,集成式的振動陀螺儀具有更高的集成度,體積更小,也是現(xiàn)代陀螺儀的一個重要的發(fā)展方向。
現(xiàn)代光纖陀螺儀包括干涉式陀螺儀和諧振式陀螺儀兩種,它們都是根據(jù)塞格尼克的理論發(fā)展起來的。塞格尼克理論的要點是這樣的:當(dāng)光束在一個環(huán)形的通道中前進(jìn)時,如果環(huán)形通道本身具有一個轉(zhuǎn)動速度,那么光線沿著通道轉(zhuǎn)動的方向前進(jìn)所需要的時間要比沿著這個通道轉(zhuǎn)動相反的方向前進(jìn)所需要的時間要多。也就是說當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時,在不同的前進(jìn)方向上,光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化。利用這種光程的變化,如果使不同方向上前進(jìn)的光之間產(chǎn)生干涉來測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度,就可以制造出干涉式光纖陀螺儀,如果利用這種環(huán)路光程的變化來實現(xiàn)在環(huán)路中不斷循環(huán)的光之間的干涉,也就是通過調(diào)整光纖環(huán)路的光的諧振頻率進(jìn)而測量環(huán)路的轉(zhuǎn)動速度,就可以制造出諧振式的光纖陀螺儀。從這個簡單的介紹可以看出,干涉式陀螺儀在實現(xiàn)干涉時的光程差小,所以它所要求的光源可以有較大的頻譜寬度,而諧振式的陀螺儀在實現(xiàn)干涉時,它的光程差較大,所以它所要求的光源必須有很好的單色性。
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控制系統(tǒng)中的一個敏感元件,即可作為信號傳感器。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,以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機(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)載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中,則直接利用這些信號完成航行體的姿態(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)相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器,陀螺儀器能夠為地面設(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,陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的,它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(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:
1.體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合,例如彈載測量等。
2.低成本。
3.高可靠性。內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件,全固態(tài)裝置,抗大過載沖擊,工作壽命長。
4.低功耗。
5.大量程。適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合。
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。
繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺,它是一個質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體,其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 與蒼蠅退化的后翅(平衡棒)原理類似。
在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下,陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時,環(huán)繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn),這就是陀螺的旋進(jìn)(precession),又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)(gyroscopic effect)。陀螺旋進(jìn)是日常生活中常見的現(xiàn)象,許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。
人們利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope),它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如:回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動等。
陀螺儀的種類很多,按用途來分,它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中,作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示,作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。
陀螺儀分為,壓電陀螺儀,微機(jī)械陀螺儀,光纖陀螺儀和激光陀螺儀,它們都是電子式的,并且它們可以和加速度計,磁阻芯片,GPS,做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。
基本上陀螺儀是一種機(jī)械裝置,其主要部分是一個對旋轉(zhuǎn)軸以極高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi);在通過轉(zhuǎn)子中心軸XX1上加一內(nèi)環(huán)架,那么陀螺儀就可環(huán)繞平面兩軸作自由運(yùn)動;然后,在內(nèi)環(huán)架外加上一外環(huán)架;這個陀螺儀有兩個平衡環(huán),可以環(huán)繞平面三軸作自由運(yùn)動,就是一個完整的太空陀螺儀(space gyro)。
1850年法國的物理學(xué)家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉(zhuǎn),首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中地的轉(zhuǎn)子(rotor),由于它具有慣性,它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向,他用希臘字 gyro(旋轉(zhuǎn))和skopein(看)兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀表。
陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器,從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀(jì),但直到現(xiàn)在,陀螺儀仍在吸引著人們對它進(jìn)行研究,這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直,這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運(yùn)動特性的理論是繞定點運(yùn)動剛體動力學(xué)的一個分支,它以物體的慣性為基礎(chǔ),研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學(xué)特性。
你好。三軸陀螺儀可以同時測定6個方向的位置,移動軌跡,加速。 單軸的只能測量兩個方向的量,也就是一個系統(tǒng)需要三個陀螺儀,而3軸的一個就能替代三個單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好,是激光...
所謂的六軸陀螺儀叫六軸動作感應(yīng)器比較合適,是三軸陀螺儀和加速計的合稱,如果有三軸陀螺儀也有加速計那就具有六軸動作感應(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)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。
陀螺儀均衡陀
當(dāng)轉(zhuǎn)子對自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為I,自轉(zhuǎn)角速度為ω時,則轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)動量矩為L=Iω。假定支架軸承都絕對光滑,基座不能通過這些軸承把外力矩傳給轉(zhuǎn)子,且內(nèi)、外兩框環(huán)的質(zhì)量可忽略不計。于是,由動量矩守恒可知,均衡陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將能借慣性而在慣性空間保持不變方向。假如用某種方式給轉(zhuǎn)子以沖擊性外力矩,使動量矩L獲得橫向增量且則新動量矩矢將偏轉(zhuǎn)一個小角
沖擊還使轉(zhuǎn)子軸的方向產(chǎn)生同一數(shù)量級的改變,但新的角速度方向已和新的動量矩方向不一致。沖擊后,轉(zhuǎn)子軸將緊靠新動量矩L+△L的方向作微幅高頻的抖動(章動),其幅度與ω成反比,而頻率則與ω成正比。由于ω很大,這種抖動實際上是不易察覺的,所以可認(rèn)為沖擊并未明顯改變轉(zhuǎn)子軸的方向,即高速自轉(zhuǎn)均衡陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸具有抗沖擊的能力,這種特性稱為定軸性。但是,如果轉(zhuǎn)子沒有自轉(zhuǎn),那么任何微小沖擊將使轉(zhuǎn)子軸獲得角速度,而此后將按這個方向無限制地偏離下去。
如果沿內(nèi)環(huán)軸持久地施加外力矩M,由于存在自轉(zhuǎn)動量矩L,轉(zhuǎn)子不會沿M方向繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動,而繞十字交叉軸(即外環(huán)軸)以某一角速度Ω持久地轉(zhuǎn)動(旋進(jìn)),如圖2。由動量矩定理可以證明,旋進(jìn)角速度Ω的大小反比于自轉(zhuǎn)角速度ω的大小,即
式中θ為ω和Ω的交角。其次,由作用與反作用定律可知,轉(zhuǎn)子對外力矩M的施加者有反作用力矩K=-M。這個力矩稱為陀螺反抗力矩或陀螺力矩,其大小為:
K=ΩL sinθ=IωΩ sinθ=M,
方向與M相反。K是科里奧利(慣性)力的矩。陀螺儀轉(zhuǎn)子還有其他慣性力矩。當(dāng)旋進(jìn)非勻速時,角加速度和轉(zhuǎn)子對旋進(jìn)軸的轉(zhuǎn)動慣量的乘積冠以負(fù)號,稱為單軸轉(zhuǎn)動慣性力矩,它和陀螺力矩的大小屬同一數(shù)量級。
圖3 在外力矩作用下內(nèi)外環(huán)的運(yùn)動
陀螺運(yùn)動的近似微分方程組 用A1表示轉(zhuǎn)子連同內(nèi)、外環(huán)一起對外環(huán)軸的轉(zhuǎn)動慣量,A2表示轉(zhuǎn)子連同內(nèi)環(huán)對內(nèi)環(huán)軸的轉(zhuǎn)動慣量。α、β分別是外環(huán)和內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)角,且β由兩環(huán)相垂直的位置(標(biāo)記為N1)算起(圖3),當(dāng)外力矩引起的內(nèi)、外環(huán)旋進(jìn)角速度
都是小量,其平方項和乘積項都可忽略時,則各軸的外力矩(包括軸承中摩擦引起的力矩)和起決定性作用的慣性力矩可歸納如下表:
其他慣性力矩都是
的二階或更高階小項,因而都可以不計。
由達(dá)朗伯原理可以立即寫出陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞外環(huán)和內(nèi)環(huán)旋進(jìn)的近似微分方程組:
繞轉(zhuǎn)子軸的自轉(zhuǎn)角速度(ω+sinβ)由外力矩維持不變。
式(2)可以看成轉(zhuǎn)子-內(nèi)環(huán)紐合體相對于外環(huán)的轉(zhuǎn)動方程。如果外環(huán)不轉(zhuǎn),即
則
就是按牛頓定律形式直接寫出的轉(zhuǎn)動方程。現(xiàn)在由于環(huán)轉(zhuǎn)動而增加了修正項
此陀螺力矩對轉(zhuǎn)子的相對運(yùn)動有表觀作用??梢钥闯觯诖讼鄬\(yùn)動中,陀螺力矩有使自轉(zhuǎn)軸按最短途徑向旋進(jìn)軸轉(zhuǎn)動的趨勢。
式(1)中也出現(xiàn)了陀螺力矩
這個力矩是轉(zhuǎn)子給予內(nèi)環(huán)的慣性反抗,因此,對于轉(zhuǎn)子-內(nèi)環(huán)-外環(huán)的組合來說,就和外力矩一樣(慣性力不服從作用反作用定律,轉(zhuǎn)子本身不因這個陀螺力矩而又受到反作用)(見動靜法)。
方程(1)和(2)也可以應(yīng)用于二自由度陀螺儀,如二自由度陀螺儀是由外環(huán)固定后構(gòu)成的,則在方程組中應(yīng)
從而式(2)就和轉(zhuǎn)子無自轉(zhuǎn)時的單軸轉(zhuǎn)動微分方程一樣-式(1)可用來確定外力矩M外環(huán),它等于陀螺力矩
上述近似理論足以解釋高速自轉(zhuǎn)陀螺儀的全部動力學(xué)特性。地球作為一個陀螺,它的姿態(tài)攝動也可以由此得到說明(見剛體定點轉(zhuǎn)動解法)。
陀螺儀的原理就是,一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。人們根據(jù)這個道理,用它來保持方向,制造出來的東西就叫做陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力,使它快速旋轉(zhuǎn)起來,一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn),可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。
在現(xiàn)實生活中,陀螺儀發(fā)生的進(jìn)給運(yùn)動是在重力力矩的作用下發(fā)生的。
陀螺儀被廣泛用于航空、航天和航海領(lǐng)域。這是由于它的兩個基本特性:一為定軸性(inertia or rigidity),另一是進(jìn)動性(precession),這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。
定軸性
當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時,在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時,陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變,即指向一個固定的方向;同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變:
1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大,穩(wěn)定性愈好;
2.轉(zhuǎn)子角速度愈大,穩(wěn)定性愈好。
所謂的"轉(zhuǎn)動慣量",是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時,它們所獲得的角速度一般是不一樣的,轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小,也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大;反之,轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大,也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。
進(jìn)動性
當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時,若外力矩作用于外環(huán)軸,陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動;若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸,陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性,叫做陀螺儀的進(jìn)動性。進(jìn)動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向,而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。如右圖。
這可用右手定則判定。即伸直右手,大拇指與食指垂直,手指順著自轉(zhuǎn)軸的方向,手掌朝外力矩的正方向,然后手掌與4指彎曲握拳,則大拇指的方向就是進(jìn)動角速度的方向。
進(jìn)動角速度的大小取決于轉(zhuǎn)子動量矩H的大小和外力矩M的大小,其計算式為進(jìn)動角速度ω=M/H。
進(jìn)動性的大小也有三個影響的因素:
1.外界作用力愈大,其進(jìn)動角速度也愈大;
2.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大,進(jìn)動角速度愈小;
3.轉(zhuǎn)子的角速度愈大,進(jìn)動角速度愈小。
從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運(yùn)動時,可以把它看成是一個剛體,剛體上有一個萬向支點,而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動,所以陀螺的運(yùn)動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。更確切地說,一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上,使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度,這種裝置的總體叫做陀螺儀。
陀螺儀的基本部件有:
(1) 陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)
(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán),它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu))
(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等)。
基本類型
根據(jù)框架的數(shù)目和支承的形式以及附件的性質(zhì)決定陀螺儀的類型有:
三自由度陀螺儀(具有內(nèi)、外兩個框架,使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有兩個轉(zhuǎn)動自由度。在沒有任何力矩裝置時,它就是一個自由陀螺儀)。
二自由度陀螺儀(只有一個框架,使轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸具有一個轉(zhuǎn)動自由度)。
根據(jù)二自由度陀螺儀中所使用的反作用力矩的性質(zhì),可以把這種陀螺儀分成三種類型:
速率陀螺儀(它使用的反作力矩是彈性力矩)
積分陀螺儀(它使用的反作用力矩是阻尼力矩)
無約束陀螺(它僅有慣性反作用力矩)
除了機(jī)、電框架式陀螺儀以外,還出現(xiàn)了某些新型陀螺儀,如靜電式自由轉(zhuǎn)子陀螺儀,撓性陀螺儀,激光陀螺儀等。
二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子支承在一個框架內(nèi),沒有外框架,因而轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)有一個進(jìn)動自由度,即少了垂直于內(nèi)框架軸和自轉(zhuǎn)軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。因此二自由度陀螺儀與三自由度陀螺儀的特性也有所不同。
進(jìn)動性是三自由度陀螺儀的基本特性之-,當(dāng)繞內(nèi)框架軸作用外力矩時,將使高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生繞外框架軸的進(jìn)動,而繞外框架軸作用外力矩時,將使轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動。
定軸性是三自由度陀螺儀的另一基本特性。無論基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,還是繞內(nèi)框架軸或外框架軸方向轉(zhuǎn)動,都不會直接帶動陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(指轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)之外的轉(zhuǎn)動)。由內(nèi)、外框架所組成的框架裝置,將基座的轉(zhuǎn)動與陀螺轉(zhuǎn)子隔離開來。這樣,如果陀螺儀自轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定在慣性空間的某個方位上,當(dāng)基座轉(zhuǎn)動時,它仍然穩(wěn)定在原來的方位上。
對于二自由度陀螺儀,當(dāng)基座繞陀螺儀自轉(zhuǎn)軸或內(nèi)框架軸方向轉(zhuǎn)動時,仍然不會帶動轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動,即內(nèi)框架仍然起隔離運(yùn)動的作用。但是,當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的x軸方向以角速度ωx轉(zhuǎn)動時,由于陀螺儀繞該軸沒有轉(zhuǎn)動自由度,所以基座轉(zhuǎn)動時,就通過內(nèi)框架軸上的一對支承帶動陀螺轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動。但陀螺儀自轉(zhuǎn)軸仍盡力保持其原來的空間方位不變。因此,基座轉(zhuǎn)動時,內(nèi)框架軸上的一對支承就有推力F作用在內(nèi)框架軸的兩端,而形成作用在陀螺儀上的推力矩mx, 其方向垂直于動量矩H,并沿x鈾正向。由于陀螺儀繞內(nèi)框架軸有轉(zhuǎn)動的自由度,所以這個推力矩就使陀螺儀產(chǎn)生繞內(nèi)框架軸的進(jìn)動,進(jìn)動角速度β指向內(nèi)框架軸y的正向,使轉(zhuǎn)子軸趨向與x軸重合。
因此,當(dāng)基座繞陀螺儀缺少自由度的方向轉(zhuǎn)動時,將強(qiáng)迫陀螺儀跟隨基座轉(zhuǎn)動,同時陀螺儀轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸進(jìn)動。結(jié)果使轉(zhuǎn)子軸趨向與基座轉(zhuǎn)動角速度的方向重合。即二自由度陀螺儀具有敏感繞其缺少轉(zhuǎn)動自由度方向旋轉(zhuǎn)角速度的特性。
二自由度陀螺儀受到沿內(nèi)框架軸向外力矩作用時,轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框軸運(yùn)動。
沿內(nèi)框架軸向作用力矩時轉(zhuǎn)子軸的運(yùn)動。設(shè)沿內(nèi)框架鈾y的正向有外力矩My作用,則二自由度陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸將力圖以角速度My/H繞x軸的負(fù)向進(jìn)動,如圖3所示。由于陀螺轉(zhuǎn)子軸繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動,這個進(jìn)動是不可能實現(xiàn)的。但其進(jìn)動趨勢仍然存在,并對內(nèi)框架軸兩端的支承施加壓力,這樣,支承就產(chǎn)生約束反力F作用在內(nèi)框架軸兩端,而形成作用在陀螺儀上的約束反力矩mx,其方向垂直于動量矩H并沿x軸的正向。由于轉(zhuǎn)子軸繞內(nèi)框架軸存在轉(zhuǎn)動自由度,所以在這個約束反力矩mx的作用下,陀螺儀轉(zhuǎn)子軸就繞內(nèi)框架軸以β的角速度沿y軸正向進(jìn)動。簡單地說,如果陀螺繞x軸方向不能轉(zhuǎn)動,那么在繞內(nèi)框架軸向的外力矩作用下,陀螺儀的轉(zhuǎn)子軸也繞內(nèi)框架軸轉(zhuǎn)動。
陀螺繞主軸轉(zhuǎn)動的角動量以H表示,H=JsΩ,式中Js為陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。
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電錘是一種常見的電動工具,以其獨特且強(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,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,輕者會造成作業(yè)人員軟組織扭傷,重者則會讓作業(yè)人員的骨折乃至有生命危險。因此,電錘的安全性就成為電錘設(shè)計的重要內(nèi)容。
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陀螺儀是一種廣泛應(yīng)用的慣性器件,針對陀螺儀測試效率低的現(xiàn)狀,設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于恒流源的陀螺儀測溫絲電阻測量電路;采用恒流源測量電阻,能有效消除引線電阻帶來的測量誤差,顯著地提高了測量精度;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)計方法、軟件結(jié)構(gòu)圖及實驗數(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、報警輸出單元;該測試系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于陀螺儀的溫后電阻測量中,實踐表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,具有較高的測試精度。
音叉振動陀螺儀又稱音叉諧振陀螺儀。它利用音叉端部的振動質(zhì)量被基座帶動旋轉(zhuǎn)時的哥氏效應(yīng)來敏感角速度。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下做相向和相背交替的往復(fù)彎曲運(yùn)動,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。激振裝置保證了音叉做等幅振蕩運(yùn)動,雙臂振蕩的幅值相等,而相位恰好相反。
音叉振動陀螺儀的哥氏效應(yīng)可以用下圖來說明,由于相對運(yùn)動和牽連運(yùn)動的相互影響,音叉端部兩個質(zhì)點均具有哥氏加速度,并受到哥氏慣性力的作用。當(dāng)音叉端部的質(zhì)點做相向運(yùn)動時,其哥氏加速度大小為
兩個質(zhì)點的哥氏慣性力矢量在xoz平面上,由此對音叉中心軸形成轉(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)點做相背運(yùn)動時,則相對速度、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。
除了音叉端部兩質(zhì)點有上述現(xiàn)象外,音叉兩臂上所有對稱位置上的質(zhì)點都會出現(xiàn)上述哥氏效應(yīng),所以整個音叉的哥氏慣性力矩應(yīng)當(dāng)通過積分來求得,通過積分輸出的結(jié)果便可以反推出角速度信息。
殼體振動陀螺儀利用軸對稱殼的振動質(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)果是振動波形相對基座的偏轉(zhuǎn)。
殼體振動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基座的偏轉(zhuǎn)來度量基座相對慣性空間的旋轉(zhuǎn)。振型偏轉(zhuǎn)方向與基座轉(zhuǎn)動方向相反,振型偏轉(zhuǎn)角度
諧振子振型的偏轉(zhuǎn)通過哥氏加速度和哥氏慣性力從得到,也即通過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陀螺儀輸出信息中反推出角速度信息。
微機(jī)械振動陀螺儀是固態(tài)的角速度傳感器,以壓電杯結(jié)構(gòu)設(shè)計測量 coriolis 力.保證陀螺儀輸出和角速度成正比的高精度電壓信號。其一般測量范圍 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控制系統(tǒng)中的一個敏感元件,即可作為信號傳感器。
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,以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機(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)載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中,則直接利用這些信號完成航行體的姿態(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)相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器,陀螺儀器能夠為地面設(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,陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的,它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。此處我們重點介紹在電子領(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:
1、體積小、重量輕。適合于對安裝空間和重量要求苛刻的場合,例如彈載測量等;
2、低成本;
3、高可靠性、內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件,全固態(tài)裝置,抗大過載沖擊,工作壽命長;
4、低功耗;
5、大量程,適于高轉(zhuǎn)速大g值的場合;
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
消費電子設(shè)備早在幾年前就開始使用MEMS加速計。從游戲機(jī)到手機(jī),從筆記本電腦到白色家電,運(yùn)動控制式用戶界面和增強(qiáng)的保護(hù)系統(tǒng)給所有的消費電子產(chǎn)品帶來很多好處。
現(xiàn)在輪到MEMS陀螺儀大顯神威了,消費電子集成MEMS陀螺儀的浪潮剛剛掀起。
陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運(yùn)動的角速度,而MEMS加速計則能測量線性加速度,因此這兩者是一對理想的互補(bǔ)技術(shù)。
事實上,如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器,系統(tǒng)設(shè)計人員可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動,為最終用戶提供現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶使用體驗、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。
ST在EMES市場的份額正在快速增長,作為全球公認(rèn)的消費電子和手機(jī)市場最大的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微加工機(jī)械單元,按照一個音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn),利用Coriolis原理把角速率轉(zhuǎn)換成一個特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移。
我們以一個單軸偏航陀螺儀為例,探討最簡單的工作原理(圖1)。兩個正在運(yùn)動的質(zhì)點向相反方向做連續(xù)運(yùn)動,如藍(lán)色箭頭所示。只要從外部施加一個角速率,就會產(chǎn)生一個與質(zhì)點運(yùn)動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)點發(fā)生位移,位移大小與所施加的角速率大小成正比。因為傳感器感應(yīng)部分的運(yùn)動電極(轉(zhuǎn)子)位于固定電極(定子)的側(cè)邊,上面的位移將會在定子和轉(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)化成一個專用電路可以檢測的電參數(shù)。
因為ST選用了音叉方法設(shè)計陀螺儀,其差分特性使系統(tǒng)本身對作用在傳感器上的無用線性加速度和雜亂振動的敏感度低于市場上現(xiàn)有的其它類型陀螺儀。當(dāng)這些無用的信號被施加到陀螺儀,兩個質(zhì)點就會沿相同方向位移,在一個差分測量后,最終的電容變化將視為無效。
在系統(tǒng)方面,陀螺儀的信號調(diào)節(jié)電路可簡化為電機(jī)驅(qū)動部分和加速傳感器感應(yīng)電路兩部分(圖2): - 電機(jī)驅(qū)動部分通過靜電激勵方法,使驅(qū)動電路前后振蕩,為機(jī)械元件提供勵磁;
感應(yīng)部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應(yīng)質(zhì)點上產(chǎn)生的位移,這是一個穩(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。
圖2:一個單軸偏航MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡圖
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,可關(guān)閉整個傳感器,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)需要檢測傳感器上施加的角速率時,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加速計類似,MEMS陀螺儀也沿用一個系統(tǒng)級封裝(SIP)方法,機(jī)械感應(yīng)元器件與其調(diào)節(jié)ASIC電路放在同一個封裝內(nèi)。
智能設(shè)計方法結(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,整合加速計和陀螺儀可以實現(xiàn)導(dǎo)航解決方案的慣性測量單元。換句話說,平臺開發(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)星信號很弱的高樓林立的市區(qū)或根本沒有信號的室內(nèi)或地鐵環(huán)境中提供導(dǎo)航服務(wù)。
在不久的將來,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)將會為手機(jī)用戶帶來好處,例如,手機(jī)用戶可以獲得位于某一個購物中心內(nèi)的所有商鋪的準(zhǔn)確信息,找到想要購買的產(chǎn)品的方位提示,接收根據(jù)用戶興趣訂制的商品特價和打折信息。
整合MEMS加速計和陀螺儀地磁的模塊正在進(jìn)入廉價的電子玩具市場,傳感器模塊提供的動作感應(yīng)功能可實現(xiàn)互動的游戲體驗,還能讓更小的兒童上網(wǎng)分享快樂: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:就像幾年前加速計的成功故事一樣,意法半導(dǎo)體最近掀起了MEMS陀螺儀消費浪潮,為市場提供一系列可靠的低廉的微型陀螺儀,增強(qiáng)多種消費電子產(chǎn)品運(yùn)動跟蹤功能,實現(xiàn)現(xiàn)場感更強(qiáng)的用戶體驗。
憑借在MEMS技術(shù)、ASIC設(shè)計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傳感器在消費電子和手機(jī)市場的領(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)別就是重力傳感對于空間上的位移感受維較少,能做到6個方向的感應(yīng)就已經(jīng)很不錯了,而陀螺儀則是全方位的。這很重要,毫不夸張的說,這兩者不是一個級別上的產(chǎn)品。
可能看到這里,大家還是會覺得有些迷惑,既然陀螺儀很厲害,那么它在手機(jī)上到底有什么用呢?我們不妨來看看。
第一大用途,導(dǎo)航。陀螺儀自被發(fā)明開始,就用于導(dǎo)航,先是德國人將其應(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)測游戲者手的位移,從而實現(xiàn)各種游戲操作效果。有關(guān)這點,想必用過任天堂WII的兄弟會有很深的感受。
第四大用途,可以用作輸入設(shè)備,陀螺儀相當(dāng)于一個立體的鼠標(biāo),這個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,也是未來最有前景和應(yīng)用范圍的用途。下面重點說說。那就是可以幫助手機(jī)實現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實的功能。增強(qiáng)現(xiàn)實是近期才冒出的概念,和虛擬現(xiàn)實一樣,是計算機(jī)的一種應(yīng)用。大意是可以通過手機(jī)或者電腦的處理能力,讓人們對現(xiàn)實中的一些物體有跟深入的了解。
如果大家不理解,舉個例子,前面有一個大樓,用手機(jī)攝像頭對準(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,甚至可以得到這座大廈的物主、建設(shè)時間、現(xiàn)在的用途、可容納的人數(shù)等等。
這種增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可不是用來滿足大家的好奇心,在實際生產(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,平時只需要揣著一部此類手機(jī),去基地那里轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),出來什么坦克,裝甲車或者直升機(jī),用手機(jī)對準(zhǔn)拍下,馬上就能判斷出武器的型號,速度、運(yùn)動方向。
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處理用戶動作識別與相機(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)備廠商只需一個陀螺儀即可執(zhí)行兩個不同功能,從而優(yōu)化手機(jī)、平板電腦等智能消費電子產(chǎn)品的尺寸、系統(tǒng)復(fù)雜性及成本。
這款擁有創(chuàng)新設(shè)計的雙核陀螺儀L3G4IS在4x4x1 mm封裝內(nèi)整合為兩個針對不同功能優(yōu)化的獨立輸出通道,同時可處理動作手勢識別和光學(xué)圖像穩(wěn)定功能,為手機(jī)相機(jī)實現(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)備廠商只需簡單整合一個陀螺儀即可實現(xiàn)動作識別和圖像穩(wěn)定兩大功能,而無需再使用兩個不同技術(shù)規(guī)格的專用傳感器,終端產(chǎn)品進(jìn)而可實現(xiàn)更可靠的性能,更纖薄時尚的外觀設(shè)計以及更低的制造成本。”
意法半導(dǎo)體的全新陀螺儀L3G4IS針對解決電池供電的便攜式設(shè)備電源限制問題所設(shè)計,整合關(guān)機(jī)和睡眠兩個省電模式,內(nèi)置高級智能電源管理所需的先入先出(FIFO)存儲模塊。新傳感器通過I2C和SPI兩個獨立通信接口輸出數(shù)據(jù),還提供多個數(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產(chǎn)品生命周期內(nèi),LISY300AL的靈敏度表現(xiàn)非常穩(wěn)定。這個特性可以簡化設(shè)計,提高傳感器的可靠性。
LISY300AL還在封裝內(nèi)整合一個低通濾波器及專用芯片接口,設(shè)計人員使用很少的外部組件即可開發(fā)一個緊湊、低噪的解決方案。此外,高抗震性使新產(chǎn)品可用于對環(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)動和角運(yùn)動檢測功能。
LISY300AL的絕對速率輸出是模擬電壓信號。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,簡稱ST)推出市場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)和路橋收費系統(tǒng)。
意法半導(dǎo)體的汽車級陀螺儀能夠提供精確的測量結(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)信號丟失的影響,代替衛(wèi)星檢測物體的運(yùn)動和高度。
陀螺儀的精確測量數(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)星或傳感器觀測的用戶位置的運(yùn)動軌跡的過程,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)用一個檢測結(jié)構(gòu)測量沿三個正交軸[1]的運(yùn)動是意法半導(dǎo)體的業(yè)內(nèi)獨一無二的陀螺儀設(shè)計概念,可實現(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干擾問題,從而大幅提升測量精度,具有出色的長時間和寬溫度范圍輸出穩(wěn)定性。
意法半導(dǎo)體的A3G4250D可測量最高+/-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,通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI或I2C通信協(xié)議,安全可靠地傳送到一個專用微控制器。新產(chǎn)品提供兩個輸出引腳(中斷和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備)和4個用戶可選的輸出數(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,并集成一個智能電源管理功能用FIFO(先入先出)存儲器模塊。A3G4250D內(nèi)置一個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)計和制造采用了與ST目前銷售量超過20億支的運(yùn)動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)計結(jié)合巨大產(chǎn)能,這一業(yè)內(nèi)獨有的雙重優(yōu)勢使公司能夠滿足好整個供應(yīng)鏈的需求。
深迪發(fā)布中國首款消費級商用三軸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。這是中國首款完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的消費級商用三軸MEMS陀螺儀。
它繼深迪2009年底發(fā)布中國首款消費級商用單軸MEMS陀螺儀SSZ0304CN打破國內(nèi)消費電子廠商100%依賴進(jìn)口陀螺儀芯片之后,又一款里程碑的產(chǎn)品,并宣告中國自主知識產(chǎn)權(quán)的消費級MEMS陀螺儀進(jìn)入三軸時代。
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)到國際先進(jìn)水平。
三軸MEMS陀螺儀能夠同時偵測三個軸向(X, Y, Z)的轉(zhuǎn)動角速度(傾斜、滾動或旋轉(zhuǎn))。作為姿態(tài)識別、遙控、專業(yè)游戲、室內(nèi)導(dǎo)航和實景增強(qiáng)不可或缺的裝置,三軸MEMS陀螺儀在消費級領(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,簡稱ST)進(jìn)一步擴(kuò)大運(yùn)動傳感器產(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)動傳感器所采用的穩(wěn)健可靠、經(jīng)市場驗證的微機(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)、虛擬實境輸入設(shè)備、運(yùn)動控制人機(jī)界面(MMI)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、家電以及機(jī)器人)對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,以及通過印刷電路板傳遞的耦合機(jī)械振動,新產(chǎn)品進(jìn)而擁有更高的檢測精度和可靠性。
此外,其先進(jìn)的設(shè)計結(jié)合三軸一體運(yùn)動感應(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集高檢測分辨率和出色的抗音頻噪聲和機(jī)械振動噪聲于一身,讓手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)等智能消費電子產(chǎn)品的運(yùn)動用戶界面變得更趨真實。
L3G3250A提供兩個用戶可選量程 – 625或2500 dps (度/秒) – 檢測分辨率分別為2mV/dps和0.5mV/dps。高量程讓陀螺儀能夠檢測速度非常快的手勢和運(yùn)動。產(chǎn)品其它特性包括嵌入式自測功能、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。
自由陀螺儀,泛指工作于測角狀態(tài)的兩自由度陀螺儀。因為陀螺轉(zhuǎn)子不隨殼體作角運(yùn)動而得名,包括以框架(也稱常平架或環(huán))結(jié)構(gòu)支撐的機(jī)械式自由陀螺儀。無框架的由靜電支承的靜電陀螺儀、由氣體動壓效應(yīng)支承的動壓氣浮陀螺儀,以及由撓性元件支承的動力調(diào)諧陀螺儀。工程上自由陀螺儀特指機(jī)械式兩自由度陀螺儀,無框架的靜電陀螺儀和動壓氣浮陀螺儀稱為自由轉(zhuǎn)子陀螺儀,撓性支承的稱為動力調(diào)諧陀螺儀或撓性陀螺儀。 這里介紹機(jī)械式自由陀螺儀。