ADXRS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、惯性制导和惯性测量系统的核心部件，广泛应用于军事和民用领域。传统的陀螺仪体积大、功耗高、易受干扰，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
7mm×7mm×3mm
大小，采用
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
，重量仅
0.5g
，能够很好的克服传统陀螺仪的缺点。由
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
系列陀螺仪是由美国模拟器件公司制造，采用集成微电子机械系统
(iMEMS)
专利工艺和
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
系列陀螺仪具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点。
1
、科里奥利加速度
ADXRS
系列陀螺仪利用科里奥利
(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转平台的中心附近，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，另一般来自径向速度的改变，二者总和为
2wv
旋转平
台必须施加一个大小为
2Mwv
科里奥利加速度，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
，则切向速度为w
r，如果以速度v
沿径向r移动，将产生一个切向加速度
wv
，这仅是
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，利用科里奥利效应来测量角速度。图
2
示出了
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相交叉，因而形成两个标称值相等的电容器。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K
2wvM
。如果总电容为C
2wv
，它直接与该角速度成比例。这种关系的逼真度在实际应用中非常好，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/K，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
7mm×7mm×3mm
，采用
BGA-32
封装技术，有
ADXRS150
和
ADXRS300
两种型号，它们的功能电路完全相同，唯一不同在于前者的量程为±
150°/s
，后者的量程为±
300°/s
。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组成。
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
RATEOUT
输出，
0°/s
时输出电压为
2.5V
，
RATEOUT
与引脚
SUMJ
之间并联一个电阻
RoutADXRS300的角速度响应带宽，－3dB频率由下式决定：
和电容
Cout
，从而组成低通滤波器用于限制
fou
t
= 1 / (2 π •Rout•Cout) (1)
内部电路的Rout
180kΩ
，可以从外部给Rout
Ω//Rext
ADXRS300
的量程为±
300°/s
，可以在
RATEOUT
和
SUMJ
引脚之间给Rout
300
k
Ω
的电阻可以使量程增大
50
％，但是这需要对电路重新调零，调零时在
SUMJ
引脚处外接一个电阻Rnull
RATEOUT
的零点是
2.5V
，但角运动范围不对称时，按下式计算：到地或电源正极，对称角运动情况下并联一个电阻来增大量程，例如并联一个，从而调整角速率响应带宽。并联一个电阻Rext
，使得Rout
=180k为
Rnull
=
(2)
(2)
式中，
Vnull
0
——未校正时零角速度的输出电压，
Vnull
1
——校正后所需的零点电压。
如果求得的
Rnull5V电源上。
为负值，则把电阻
Rnull
接地；为正值，接在
三、实验过程和测量结果
ADXRS300
陀螺仪直接的用途就是做角速度测量仪，此外也可以用于测量物体旋转角度—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
陀螺仪测量角度，通过
ADXRS300
角速度测量仪测量旋转物体的转动角速度（注意：陀螺仪可以以任何角度安装在旋转物体的任何地方，只要测量使陀螺仪旋转轴和所要测量的轴平行即可），再对角速度积分就是我们所要的角度了。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
ADXRS300
陀螺仪固定在由步进电机驱动的圆盘上，由圆盘带动陀螺仪转动，陀螺仪的输出电压由
F-5101
数据采集控制器进行
A/D
转换。
F-5101
的输入电压范围为
-5V
～
5V
，
A/D
转换位数为
12
位，转换速度为
25
m
s
，适用于本实验的数据采集。
F-5101
通过打印口与计算机相连，占用主机
378H
和
379H
两个
I/O
端口。主机通过写
378H
向
F-5101
送入操作状态，读
379H
得到
A/D
转换的数据。
系统的供电电压为
220V
，需要通过
AC220B05-1W5
型电源模块把
220V
交流电转换为
5V
直流电供
ADXRS300
陀螺仪使用。
2
、软件设计
读取陀螺仪的输出电压值，换算成角速度并进行积分，最终显示结果这一步骤通过
Visual Basic
程序来实现。从计算机
379H
端口读取的数值为
12
位
2
进制数，利用公式
Vout10×(A×16 +B+C/ 16)×4096 – 5 (3)
＝
可以把
12
位二进制数转换为十进制数，从而求得陀螺仪的实际输出电压。其中
Vout12位二进制数的高4位、中4位和低4位。电压值换算成角速度由下式决定：设角速度为w，则：
为输出电压，
A
，
B
，
C
分别为
w
= (Vout-V0) / 5mV /°/s (4)
其中
5mV/°/s
为
ADXRS300
陀螺仪的灵敏度，
V2.5V。
0
为陀螺仪静止时的输出电压，一般为
积分的主要步骤是用角速度
w5。
乘以程序运行一次所用的时间△
t
，循环运行程序，对每次的乘积进行累加，并实时送出累加结果，该结果即为测得的物体转过的角度，程序流程如图
3
、实验结果
表
1
列出了陀螺仪转动±
90
°和±
180
°这四种情况的输出结果。
实验结果表明：角度相对误差小于
0.5
％，有较高的精度。其中误差来源主要包括：
程序运行一次所用的时间△t过长，造成对角速度的积分不精确，这是产生误差的主要来源。解决的方法是尽量避免冗长的程序语句，使用运行速度较快的计算机或者采用更精确的算法。
数据采集
A/D
转换时可能产生的误差，造成所积分的角速度不准确。
四、结论
随着微机械加工工艺和陀螺仪的设计技术水平不断提高，角速度传感器正朝着微型化、集成化的方向发展，外形更小巧，测量更精确，功能更强大，价格更低廉的陀螺仪已经成为可能。本文介绍的
ADXRS
角速度检测陀螺仪体现了这方面的特点，它尺寸小，功耗低，抗冲击和振动性好，电路结构简单，能精确测量转动物体的偏航角速度，适用于各种惯性测量系统，是陀螺仪技术的一个飞跃。
参考文献：
[1]Dan Sheingold, David Krakauer. New iMEMS angular-rate-sensing gyroscope[R]. Analog Dialogue, 2003: 37-03.
[2] Analog Devices Inc. ± 300 ° Ps single chip yaw rate gyro with signal condi2tioning ADXRS300[Z]. 29973351 ADXRS300-a, 2003.
[3] M.Elwenspoke, R.wiegerink, 陶家渠等译 . 硅微机械传感器 [ M ]. 北京 : 中国宇航出版社 2003.
[4] 王成强、马轲 . 新概念 Visual Basic6.0 教程 [M]. 北京 : 北京科海电子出版社 2003.
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[4] 王成强、马轲 . 新概念 Visual Basic6.0 教程 [M]. 北京 : 北京科海电子出版社 2003.
The Principle And Applications Of ADXRS Angular Rate Sensing Gyroscope
Abstract:
The principle and the block diagram of ADXRS angular rate sensing gyroscope are introduced, and the external circuit of this gyro is described in detail. In order to measure angle with ADXRS gyroscope, a method of angular rate integral is designed. The design of hardware and software in this experiment is expatiated. The result reveals that this method of experiment can measure angle accurately.
Keywords:
gyroscope; coriolis acceleration; data collection; integral
作者简介：
应科炜，厦门大学机电工程系级研究生，研究方向为精密仪器及机械
地址：
厦门大学机电工程系
2004
级研究生
邮编：
361005
电邮：
incol666@126.com
吴文贡，厦门大学机电工程系级研究生，研究方向为精密仪器及机械
汤达斌，胡洪平，厦门大学机电工程系级研究生，研究方向为测试测量技术
冯勇建，厦门大学机电工程系副教授 , 研究方向 MEMS 以及 IC 设计
冯勇建，厦门大学机电工程系副教授 , 研究方向 MEMS 以及 IC 设计
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