陀螺儀原理是怎樣整合到芯片裡面的?

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陀螺儀芯片它只能輸出X、Y、Z軸的加速度數據、傾角數據,它不能直接的調節平衡,不同於機械陀螺儀。

機械陀螺儀

採用白轉轉子轉動或載體的振動產生陀螺力矩來測量角運動的陀螺儀。

機械陀螺儀以經典力學為基礎,具有高速轉動的轉子或振動的部件。常見的機械陀螺儀有剛體轉動陀螺儀、振動陀螺儀和半球諧振陀螺儀等。剛體轉動陀螺儀是把高速旋轉的剛體轉子支承起來,使之獲得轉動自由度的一種裝置,它可用來測量角位移或角速度;振動陀螺儀是利用振動叉旋轉時的哥氏角加速度效應做成的測量角速度的裝置;半球諧振陀螺儀則利用振動杯旋轉時的哥氏加速度效應做成的測量角位移的裝置。

陀螺儀芯片

陀螺儀芯片技術是建立在/納米技術基礎上的 21世紀前沿技術,是指對微米/納米材料進行設計、加工、製造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統集成為一個整體單元的微型系統。

這種微電子機械系統不僅能夠採集、處理與發送信息或指令,還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令採取行動。它用微電子技術和微加工技術相結合的製造工藝,製造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統。是一種新型多學科交叉的技術,該技術將對未來人類生活產生革命性的影響。它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科。

陀螺儀芯片原理整合

陀螺儀芯片的工作原理 傳統的陀螺儀主要是利用角動量守恆原理,因此它主要是一個不停轉動的物體,它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。但是陀螺儀芯片的工作原理不是這樣的,因為要用微機械技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的結構可不是一件容易的事。微機械陀螺儀利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。下面是導出科里奧利力的方法。有力學知識的讀者應該不難理解。

在空間設立動態座標系如圖。用方程計算加速度可以得到三項,分別來自徑向加速、科里奧利加速度和切向加速度。如果物體在圓盤上沒有徑向運動,科里奧利力就不會產生。因此,在陀螺儀芯片的設計上,這個物體被驅動,不停地來回做徑向運動或者震盪,與此對應的科里奧利力就是不停地在橫向來回變化,並有可能使物體在橫向作微小震盪,相位正好與驅動力差90度。陀螺儀芯片通常有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震盪電壓迫使物體作徑向運動(有點像加速度計中的自測試模式),橫向的電容板測量由於橫向科里奧利運動帶來的電容變化(就像加速度計測量加速度)。因為科里奧利力正比於角速度,所以由電容的變化可以計算出角速度。

陀螺儀芯片結構

陀螺儀芯片的設計和工作原理可能各種各樣,但是公開的陀螺儀芯片均採用振動物體傳感角速度的概念。利用振動來誘導和探測科里奧利力而設計的陀螺儀芯片沒有旋轉部件、不需要軸承,已被證明可以用微機械加工技術大批量生產。

絕大多數陀螺儀芯片依賴於由相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力。振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整體動力學系統是二維彈性阻尼系統,在這個系統中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。

通過改進設計和靜電調試使得驅動和傳感的共振頻率一致,以實現最大可能的能量轉移,從而獲得最大靈敏度。大多數陀螺儀芯片驅動和傳感模式完全匹配或接近匹配,它對系統的振動參數變化極其敏感,而這些系統參數會改變振動的固有頻率,因此需要一個好的控制架構來做修正。如果需要高的品質因子,驅動和感應的頻寬必須很窄。增加1%的頻寬可能降低20%的信號輸出。還有阻尼大小也會影響信號輸出。


Qi朱哥說


陀螺儀,是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角動量不滅的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉,由於輪子的角動量,陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用於導航、定位等系統。

一、陀螺儀的發明

現在手機裡面的陀螺儀傳感器已經進化成一塊小小的芯片了,但是在陀螺儀出現的時候,它確是一個機械裝置。

目前,人們普遍認為是1850年法國的物理學家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉,發明了陀螺儀。那個時代的陀螺儀可以理解成把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上面,這樣因為陀螺在高速旋轉時保持穩定,人們就可以通過陀螺的方向來辨認方向,確定姿態,計算角速度。

萬向支架可以保證無論怎麼轉動,陀螺都不會倒,萬向支架這個東西最早可以追溯到中國幾千年前的香爐。

陀螺儀發明以後,首先被用在航海上(當年還沒有發明飛機),後來被用在航空上。因為飛機飛在空中,是無法像地面一樣靠肉眼辨認方向的,而飛行中方向都看不清楚危險性極高,所以陀螺儀迅速得到了應用,成為飛行儀表的核心。

到了第二次世界大戰,各個國家都玩命的製造新式武器,德國人搞了飛彈去炸英國,這是今天導彈的雛形。從德國飛到英國,千里迢迢怎麼讓飛彈能飛到,還能落到目標呢?

於是,德國人搞出來慣性制導系統。慣性制導系統採用用陀螺儀確定方向和角速度,用加速度計測試加速度,然後通過數學計算,就可以算出飛彈飛行的距離和路線,然後控制飛行姿態,爭取讓飛彈落到想去的地方。

二戰時候,計算機也好,儀器也好,精度都是不太夠的,所以德國的飛彈偏差很大,想要炸倫敦,結果炸得到處都是,頗讓英國人恐慌了一陣。

不過,從此以後,以陀螺儀為核心的慣性制導系統就被廣泛應用於航空航天,今天的導彈裡面依然有這套東西,而隨著需求的刺激,陀螺儀也在不斷進化。

二、陀螺儀的進化

最早的陀螺儀都是機械式的,裡面真有高速旋轉的陀螺,而機械的東西對加工精度有很高的要求,還怕震動,因此機械陀螺儀為基礎的導航系統精度一直都不太高。

於是,人們開始尋找更好的辦法,利用物理學上的進步,發展出激光陀螺儀,光纖陀螺儀,以及微機電陀螺儀(MEMS)。

這些東西雖然還叫陀螺儀,但是它們的原理和傳統的機械陀螺儀已經完全是兩碼事了。

光纖陀螺儀利用的是薩格納克(Sagnac)效應,通過光傳播的特性,測量光程差計算出旋轉的角速度,起到陀螺儀的作用,替代陀螺儀的功能。

激光陀螺儀也是通過算光程差計算角速度,替代陀螺儀。

微機電陀螺儀則是利用物理學的科里奧利力,在內部產生微小的電容變化,然後測量電容,計算出角速度,替代陀螺儀。

iPhone和我們的智能手機裡面所用的陀螺儀,就是微機電陀螺儀(MEMS)。

目前,傳統上的機械陀螺儀正在被淘汰,有高精度需求的地方用的是激光陀螺儀,而普及方面則是微機電陀螺儀。

因為微機電陀螺儀(MEMS)屬於微電子產品,發展迅速,而且成本越來越低,所以用途越來越廣。我們的智能手機因為有檢測動態的需求,於是就用上了微機電陀螺儀(MEMS)。

三、無處不在的陀螺儀

本來陀螺儀是高大上的存在,但是因為微機電陀螺儀(MEMS)的出現,低成本的陀螺儀可以用在很多領域。

除了我們熟悉的智能手機以外,汽車上也用了很多微機電陀螺儀,在高檔汽車中,大約採用25至40只MEMS傳感器,用來檢測汽車不同部位的工作狀態,給行車電腦提供信息,讓用戶更好的控制汽車。

而在遊戲機裡面,各種體感操作功能的背後都是微機電陀螺儀(MEMS)。


科技世家


這就牽涉到一種叫mems技術,它只通過硅工藝集成電路工藝而製成的一些微機械運動部件,同時通過電荷採集和電容採集等方式,採集器件之間的運動關係。詹姆斯陀螺儀的音叉體質,折線體質等都可以帶來較高的採樣率和較大的耐衝擊性。也算這些相對運動關係就能得出整個運動物體的在不同軸線和角度上的加速度。從而計算出物體的橫滾俯仰橫向。


黑暗的左手


陀螺儀傳感器是一個簡單易用的基於自由空間移動和手勢的定位和控制系統,被廣泛運用於手機等移動便攜設備。

一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的,這是陀螺儀的理論基礎。就好比騎自行車,輪子轉得越快越不容易倒,因為車軸有一股保持水平的力量。

陀螺儀其實就是角速度傳感器,怎麼結合芯片的?這個既然是傳感器當然是獲取各種數據的,就是基於基本原理,用多種方法讀取軸所指示的方向,並自動將數據信號傳給控制系統,既cpu芯片,然後芯片在反饋或是指令別的子系統工作。以前陀螺儀可能是一個單獨的設備,現在已經進化一塊小小的芯片,當然這個芯片不是cpu,本質上還是一個傳感器,只是工藝進步了,不是原來的樣子,功能還是一樣。整合到芯片裡不如說工藝進步做成了芯片的樣子。


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