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快看提升陀螺仪可靠性的有效方法
- 2019-09-18-

长久以来偏压稳定度被视为维持陀螺仪稳定度的重要指标,但在大多数的实际应用中,振动敏感度往往也是另个重要关键。因此,为提升陀螺仪稳定性,须同时考量偏压稳定度及振动敏感度。选择陀螺仪时,须要考虑将最大误差源最小化。在大多数应用中,振动敏感度是最大的误差源。

  浏览高性能陀螺仪资料手册时,多数系统设计师关注的第一个要素是偏压稳定度规格。毕竟其描述的是徐州陀螺仪的解析度下限,理所当然是反映陀螺仪性能的最佳指标。然而,实际的陀螺仪会因为多种原因而出现误差,使得使用者无法获得资料手册中宣称的高偏压稳定度。的确,可能只有在实验室内才能获得那么高的性能。传统方法是借助补偿来最大程度地降低这些误差源的影响。本文将讨论多种此类技术及其局限性。最后,我们将讨论另一种替代范例--根据机械性能选择陀螺仪,以及必要时如何提高其偏压稳定度。

  1、温度补偿克服环境误差

  所有中低价位的MEMS陀螺仪都有一定的时间,零点偏置和比例因数误差,此外还会随温度而发生一定的变化。因此,对陀螺仪进行温度补偿是很常见的做法。一般而言,陀螺仪整合温度感测器之目的就在于此。温度感测器的绝对精确度并不重要,重要的是可重复性及温度感测器与陀螺仪实际温度的紧密耦合。现代陀螺仪的温度感测器几乎毫不费力就能达到这些要求。

  许多技术可以用于温度补偿,如多项式曲线拟合、分段线性近似等。只要记录了足够数量的温度点,并且在校准过程中采取充分措施,那么具体使用何种技术是无关紧要的。例如,在每个温度的放置时间不足是一个常见的误差源。然而,不管采用何种技术,无论有多细心,温度迟滞,亦即透过冷却与加热达到某一特定温度时的输出之差,都将是限制因素。

  与此同时记录未补偿徐州陀螺仪的零偏压测量结果。加热周期与冷却周期中的+25℃零偏压输出存在细微的差异(本例中约为0.2o/s),这就是温度迟滞。此误差无法透过补偿来消除,因为无论陀螺仪上电与否,它都会出现。此外,迟滞的强度与所施加的温度「激励」量成比例。也就是说,施加于元件的温度范围越宽,则迟滞越大。

  假如应用装置允许在启动时进行零偏压重置(即无旋转时启动)或者在现场将零偏压归零,则可以忽略此误差。否则,这可能就会成为偏压稳定度的限制因素,因为我们无法控制运输或是储存的条件。

  2、设置机械式抗振动装置,改善敏感度

  理想情况下,陀螺仪仅测量旋转速率,无关其他。但实际应用中,由于机械设计不对称或微加工不够精确,所有陀螺仪都有一定的加速度敏感度。事实上,加速度敏感度有多种外在表现,其严重程度因设计而异。最显著的通常是对线性加速度的敏感度(或g敏感度)和对振动校正的敏感度(或g2敏感度)。由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1 g重力场运动或在其中旋转,因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。

  成本极低的徐州陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设计,抗振性能未经优化(它优化的是成本),因而振动可能会造成严重影响。1000o/h/g(或0.3o/s/g)以上的g敏感度也不足为奇,比高性能陀螺仪差10倍以上。对于这种陀螺仪,偏压稳定度的好坏并无多大意义,陀螺仪在地球的重力场中稍有旋转,就会因为g和g2敏感度而产生巨大的误差。一般而言,此类陀螺仪不规定振动敏感度被认为非常大。

  较高性能的MEMS陀螺仪则好得多。表1列出几款高性能MEMS陀螺仪之规格。对于这一类别中的多数陀螺仪,g敏感度为360o/h/g(或0.1o/s/g),某些低于60o/h/g,远远优于极低成本的陀螺仪。但是,对于小到150mg(相当于8.6o倾斜)的加速度变化,即使其中最好的陀螺仪也会超出其额定偏压稳定度。