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MEMS 陀螺儀

簡介：

旋轉運動傳感對汽車和航空領域、GPS 導航和健康監測系統都具有重要意義。如今，基于微機電系統 (MEMS) 技術的陀螺儀可以縮小至適合裝入智能手機的尺寸，功耗也極小。這樣的陀螺儀系統通常是通過檢測一個質量塊，在所有空間方向上的，振動來進行傳感，質量塊經過類似于彈簧的 MEMS 結構固定到安裝架上。MEMS 陀螺儀通常與加速度計組合在一起，這樣單臺設備即可提供六維測量。

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應用說明測量策略相關產品的優勢相關產品

應用說明

相關產品：HF2LI, HF2LI-MF, HF2LI-MOD, HF2LI-PID, HF2LI-PLL, UHFLI, UHF-PID, HF2TA

通常會利用驅動電極（其可確定驅動模態）迫使質量塊沿著一個方向進行周期性振動。一旦裝置進行旋轉運動，質量塊會在其旋轉參考面內受到科氏力：這表現為質量塊沿垂直于驅動模態定義的方向輕微位移，如圖所示。（通過所謂的傳感模態）傳感這種位移的幅度，可以得出旋轉的角速度。這種旋轉運動傳感裝置通常被稱為科氏振動陀螺儀 (CVG)。

測量策略

要想利用 CVG 進行準確的旋轉測量，需要對驅動和傳感模態進行高水平控制。為此，通常要開發額外的專用集成電路 (ASIC)。

驅動模態控制

第一步是利用鎖相環 (PLL) 迫使質量塊沿驅動模態方向進行諧振振動。利用一個 PID 控制器可通過實現自動增益控制 (AGC)，來確保驅動模態的幅度保持不變。與此同時，兩個反饋回路可保證旋轉運動不會影響驅動模態。在幅度或頻率上的載波調制有助于抑制背景噪聲，而且可以降低寄生效應對陀螺測量的影響。另外，可以使用多個同步的解調器和一個參數掃描儀進行參量諧振。

開環傳感模態配置

在開環配置中，解調器的輸出變量之一用來監測傳感模態；要達到角速度與振幅成正比，需要手動調整傳感器模態相位。然而，傳感模態的幅度衰減時間常數，由品質因數和諧振頻率所決定，限制了陀螺儀對于輸入旋轉的響應時間。

閉環傳感模態配置

對傳感模態進行閉環控制可以縮短裝置的響應時間，提高 CVG 的帶寬和動態范圍。閉環系統會產生一個反饋力，對傳感模態下的運動進行抑制。這種強制平衡式方法通過施加的反饋力的幅度可以直接獲取輸入角速度。閉環傳感模態配置需要四個控制環路，其中的三個環路依賴于 PID 控制器來構建反饋信號。

相關產品的優勢

━ 通過使用蘇黎世儀器的鎖相放大器，可在您的裝置上無縫實施和測試上述所有陀螺儀控制方案，而無需進行頗為耗時且成本高昂的 ASIC 開發。例如，HF2LI ?鎖相放大器提供 50 kHz 的 PLL 帶寬，因此可以顯著降低 CVG 操作的復雜性，特別是在閉環傳感配置中。對于需要更快操作速度和更高控制帶寬的傳感應用，UHFLI ?鎖相放大器可將 HF2LI 的能力擴展到最高 600 MHz 的頻率（300 kHz 的 PLL 帶寬）。

━ 得益于 LabOne 軟件所提供的時域和頻域工具，可以對驅動和傳感模態行為進行表征，包括所有關鍵測試。

━ 蘇黎世儀器的模擬電子產品可進行差分電壓或電流測量（通過結合使用 HF2LI 與?HF2TA?電流放大器）；并且提供多個輸入級，以最大限度減少輸入噪聲并提高周期性信號的信噪比。

━ 得益于 USB 或 GbE 連接所實現的快速數字數據傳輸，可以輕松記錄測量結果，而無需額外的數據采集卡。

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