陀螺儀傳感器的原理與數(shù)字輸出陀螺儀傳感器 XV4001 系列的特征

【序文】

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?，F(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(wú)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。

本次解說(shuō)愛普生的傳感技術(shù)與數(shù)字輸出陀螺儀傳感器的溫度特性、數(shù)字輸出接口。

【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(guó)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)D 1。）

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)部使用石英材料， 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， 如

圖 2 所示，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 （圖 2 的（1），驅(qū)動(dòng)臂的一方向左側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 另一方朝右側(cè)運(yùn)動(dòng)， 左右驅(qū)動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)相對(duì)稱， 所以位于中心的固定部不受力， 檢測(cè)

臂保持靜止），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(shuō)。

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】

圖 4 表示 XV4001 系列數(shù)字輸出陀螺儀傳感器的框圖，以下說(shuō)明其功能以及所應(yīng)對(duì)的兩種數(shù)字輸出接口（三線式、四線式 SPI與 I2C）。

圖 4：XV4001 系列數(shù)字輸出陀螺儀傳感器的框圖

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)字式低通濾波器。

·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(wú)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）?？赏ㄟ^

發(fā)出的自我檢測(cè)判定結(jié)果輸出命令來(lái)判斷自我檢測(cè)的結(jié)果。

圖 5 表示陀螺儀傳感器與微機(jī)的連接例。

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(wú)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(lái)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。圖 6 表示未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)耐勇輧x傳感器靜止?fàn)顟B(tài)下輸出時(shí)的溫度特性。

愛普生生產(chǎn)的陀螺儀傳感器使用石英材料的傳感器元器件。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(lái)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。

圖 7 表示使用數(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)過高次溫度補(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。

表 1：XV4001 系列概要