覽lan高gao性xing能neng陀tuo螺luo儀yi數shu據ju手shou冊ce時shi，多duo數shu係xi統tong設she計ji師shi關guan注zhu的de第di一yi個ge要yao素su是shi零ling偏pian穩wen定ding性xing規gui格ge。畢bi竟jing

，它ta描miao述shu的de是shi陀tuo螺luo儀yi的de分fen辨bian率lv下xia限xian
，理li所suo當dang然ran是shi反fan映ying陀tuo螺luo儀yi性xing能neng的de最zui佳jia指zhi標biao！raner，shijidetuoluoyihuiyinweiduozhongyuanyinerchuxianwucha
，shideyonghuwufahuodeshujushoucezhongxuanchengdegaolingpianwendingxing。deque，kenengzhiyouzaishiyanshineicainenghuodenamegaode 性xing能neng。傳chuan統tong方fang法fa是shi借jie助zhu補bu償chang來lai最zui大da程cheng度du地di降jiang低di這zhe些xie誤wu差cha源yuan的de影ying響xiang。本ben文wen將jiang討tao論lun多duo種zhong此ci類lei技ji術shu及ji其qi局ju限xian性xing。最zui後hou，我wo們men將jiang討tao論lun另ling一yi種zhong可ke選xuan範fan式shi——根據機械性能選擇陀螺儀，以及必要時如何提高其偏置穩定度。

 

 

所有中低價位的MEMS陀螺儀都有一定的時間-零(ling)點(dian)偏(pian)置(zhi)和(he)比(bi)例(li)因(yin)子(zi)誤(wu)差(cha)，此(ci)外(wai)還(hai)會(hui)隨(sui)溫(wen)度(du)而(er)發(fa)生(sheng)一(yi)定(ding)的(de)變(bian)化(hua)。因(yin)此(ci)，對(dui)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)是(shi)很(hen)常(chang)見(jian)的(de)做(zuo)法(fa)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)，陀(tuo)螺(luo)儀(yi)集(ji)成(cheng)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)目(mu)的(de)就(jiu)在(zai)於(yu)此(ci)。溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)絕(jue)對(dui)精(jing)度(du)並(bing)不(bu)重(zhong)要(yao)

，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)可(ke)重(zhong)複(fu)性(xing)以(yi)及(ji)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)實(shi)際(ji)溫(wen)度(du)的(de)緊(jin)密(mi)耦(ou)合(he)。現(xian)代(dai)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)的(de)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)幾(ji)乎(hu) 毫不費力就能達到這些要求。

 

許多技術可以用於溫度補償，如多項式曲線擬合、分fen段duan線xian性xing近jin似si等deng。隻zhi要yao記ji錄lu了le足zu夠gou數shu量liang的de溫wen度du點dian，並bing且qie在zai校xiao準zhun過guo程cheng中zhong采cai取qu了le充chong分fen的de措cuo施shi，那na麼me具ju體ti使shi用yong何he種zhong技ji術shu是shi無wu關guan緊jin要yao的de。例li如ru，在zai每mei個ge溫wen度du的de放fang置zhi時shi間jian不bu足zu是shi一yi個ge常chang見jian的de誤wu差cha源yuan。然ran而er，無wu論lun采cai用yong何he種zhong技ji術shu，無wu論lun有you多duo細xi心xin
，溫wen度du遲chi滯zhi——即通過冷卻與通過加熱達到某一特定溫度時的輸出 之差——都將是限製因素。

 

圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯環路。溫度從+25°C變為+130°C，再變為–45°C
，最後回到+25°C，與此同時記錄未補償陀螺儀的零點偏置測量結果。加熱周期與冷卻周期中的+25°C零點偏置輸出存在細微的差異(本例中 約為0.2°/s)，這就是溫度遲滯。此誤差無法通過補償來消除
，因為無論陀螺儀上電與否
，它都會出現。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵”量成比例。也就是說，施加於器件的溫度範圍越寬，則遲滯越大。

 

圖1. 經曆溫度循環(–45°C至+130°C)時未補償ADXRS453的零點偏置輸出

 

如果應用允許啟動時複位零點偏置(即無旋轉時啟動)
，huozhezaixianchangjianglingdianpianzhitiaoling
，zekeyihulveciwucha。fouze，zhejiukenengshilingpianwendingxingxingnengdeyigexianzhiyinsu，yinweiwomenwufakongzhiyunshuhuocunchutiaojian。

 

 

理想情況下
，陀螺儀僅測量旋轉速率
，無關其他。但實際應用中，由於機械設計不對稱和/或(huo)微(wei)加(jia)工(gong)不(bu)夠(gou)精(jing)確(que)，所(suo)有(you)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)都(dou)有(you)一(yi)定(ding)的(de)加(jia)速(su)度(du)敏(min)感(gan)度(du)。事(shi)實(shi)上(shang)

，加(jia)速(su)度(du)敏(min)感(gan)度(du)有(you)多(duo)種(zhong)外(wai)在(zai)表(biao)現(xian)，其(qi)嚴(yan)重(zhong)程(cheng)度(du)因(yin)設(she)計(ji)而(er)異(yi)。最(zui)顯(xian)著(zhu)的(de)通(tong)常(chang)是(shi)對(dui)線(xian)性(xing)加(jia)速(su)度(du)的(de)敏(min)感(gan)度(du)(或g敏感度)和對振動校正的敏感度(或g2 敏感度)。由於多數陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1 g重力場運動和/或在其中旋轉，因此對加速度的敏感度常常是最大的誤差源。

 

成本極低的陀螺儀一般采用極其簡單緊湊的機械係統設計，抗振性能未經優化(它優化的是成本)，因而振動可能會造成嚴重影響。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上！ 對於這種陀螺儀
，零偏穩定性的好壞並無多大意義，陀螺儀在地球的重力場中稍有旋轉，就會因為g和g2敏感度而產生巨大的誤差。一般而言，此類陀螺儀不規定振動敏感度——默認為非常大。較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出了幾款高性能MEMS陀螺儀的數據手冊所列規格。對於這一類別中的多數陀螺儀
，g敏感度為360°/h/g(或0.1°/s/g)
，某些低於60°/h/g，遠遠優於極低成本的陀螺儀。但是
，對於小到150 mg(相當於8.6°傾斜)的加速度變化
，即使其中最好的陀螺儀也會超出其額定零偏穩定性。

 

表1.

 

有些設計師試圖利用外部加速度計來補償g敏感度(通常是在IMU應用中，因為所需的加速度計已經存在)
，這在某些情況下確實可以改善性能。然而，由於多種原因，g敏感度補償無法獲得完全的成功。大多數陀螺儀的g敏感度會隨振動頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01 陀螺儀對振動的響應。注意，雖然陀螺儀的敏感度在額定規格範圍內(在一些特定頻率處略有超出
，但這些可能不重要)
，但從DC到100 Hz，其變化率為12:1，因此無法簡單地通過測量DC時的敏感度來執行校準。確實，補償方案將非常複雜，要求根據頻率改變敏感度。

 

圖2. Silicon Sensing CRG20-01對不同正弦音的g敏感度響應

 

作為對比
，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應。事實上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進行g敏感度補償。不過遺憾的是，數據手冊幾乎從不提供此類信息，必須由用戶去探索
，而且可能極耗精力，但在係統設 計過程中
，常常沒有時間等待驚喜出現。

 

圖3. Analog Devices ADXRS646對隨機振動(15 g rms, 0.11 g2/Hz)的g敏感度響應，1600 Hz濾波

 

另(ling)一(yi)個(ge)困(kun)難(nan)是(shi)將(jiang)補(bu)償(chang)加(jia)速(su)度(du)計(ji)和(he)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)的(de)相(xiang)位(wei)響(xiang)應(ying)相(xiang)匹(pi)配(pei)。如(ru)果(guo)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)和(he)補(bu)償(chang)加(jia)速(su)度(du)計(ji)的(de)相(xiang)位(wei)響(xiang)應(ying)匹(pi)配(pei)不(bu)佳(jia)，高(gao)頻(pin)振(zhen)動(dong)誤(wu)差(cha)實(shi)際(ji)上(shang)可(ke)能(neng)會(hui)被(bei)放(fang)大(da)！由此便可得出另一個結論：對於大多數陀螺儀，g敏感度補償僅在低頻時有效。

 

振動校正常常不作規定
，原因可能是差得令人難堪，或者不同器件差異巨大。也有可能隻是因為陀螺儀製造商不願意測試或規定(公平地說，測試可能比較困難)。無論如何，振動校正必須引起注意，因為它無法通過加速度計進行補償。與加速度計的響應不同

，陀螺儀的輸出誤差會被校正。

 

改善g2敏感度的最常見策略是增加一個機械抗振件，如圖4所示。圖中顯示的是一個從金屬帽殼封裝中部分移出的Panasonic汽車陀螺儀。該陀螺儀組件通過一個橡膠抗振件與金屬帽殼隔離。抗振件非常難以設計

，因為它在寬頻率範圍內的響應並不是平坦的(低頻時尤其差)，而且其減振 特性會隨著溫度和使用時間而變化。與gminganduyiyang，tuoluoyidezhendongxiaozhengxiangyingkenenghuisuipinlvbianhuaerbianhua。jishinenggouchenggongshejichukangzhenjianyishuaijianyizhipinpuxiadezhaidaizhendong，cileikangzhenjianyebushihekenengcunzaikuanpinzhendongdetongyongyingyong。

 

圖4. 典型抗振件

 

 

許多應用中會發生常規性短期濫用事件
，這些濫用雖然不致於損傷陀螺儀，但會產生較大誤差。下麵列舉幾個例子。

 

有些陀螺儀可以承受速率過載而不會表現異常。圖5顯示了Silicon Sensing CRG20陀螺儀對超出額定範圍大約70%的速率輸入的響應。左邊的曲線顯示的是旋轉速率從0°/s變為500°/s再保持不變時CRS20的響應情況。右邊的曲線則顯示的是輸入速率從500°/s降為0°/s時該器件的響應情況。當 輸入速率超出額定測量範圍時，輸出在軌到軌之間紊亂地擺動。

 

圖5. Silicon Sensing CRG-20對500°/s速率輸入的響應

 

有些陀螺儀在經受哪怕隻有數百g的衝擊時，也會表現出“鎖定”的傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在經受250 g 0.5 ms衝擊時的響應情況(產生衝擊的方法是讓一個5 mm鋼球從40 cm的高度落在陀螺儀旁邊的PCB上)。陀螺儀未因衝擊而損壞，但它不再響應速率輸入，需要關斷 再上電以重新啟動。這並非罕見現象，多種陀螺儀都存在類似的行為。檢查擬用的陀螺儀是否能承受應用中的衝擊是明智的。

 

圖6. VTI SCR1100-D04對250 g、0.5 ms衝擊的響應

 

顯然
，此類誤差將大得驚人。因此，必須仔細找出給定應用中可能存在哪些濫用情況，並且驗證陀螺儀是否能經受得住。

 

 

如上所述，多數陀螺儀應用中都存在運動或振動情況。利用上文所示的數據手冊所列規格(如果沒有規定振動校正特性，則使用保守的估計值)，表2列出了表1所示陀螺儀在不同應用中的典型誤差預算。從表3可以看出，增加g敏感度補償方案後
，雖然抗振性能提高了半個數量級(絕非易事)，但振動敏感度仍然是一個遠大於零偏穩定性的誤差來源。

 

表2. 多種陀螺儀(未經補償)在不同振動情況下的估計誤差(°/s)

 

表3. 采用g敏感度補償的多種陀螺儀(g敏感度改善5倍)在不同振動情況下的估計誤差(°/s)

 

 

在(zai)誤(wu)差(cha)預(yu)算(suan)中(zhong)，零(ling)偏(pian)穩(wen)定(ding)性(xing)是(shi)最(zui)小(xiao)的(de)分(fen)量(liang)之(zhi)一(yi)
，因(yin)此(ci)選(xuan)擇(ze)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)時(shi)，更(geng)為(wei)合(he)理(li)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)考(kao)慮(lv)將(jiang)最(zui)大(da)誤(wu)差(cha)源(yuan)最(zui)小(xiao)化(hua)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)中(zhong)，振(zhen)動(dong)敏(min)感(gan)度(du)是(shi)最(zui)大(da)的(de)誤(wu)差(cha)源(yuan)。然(ran)而(er)，有(you)時(shi)用(yong)戶(hu)可(ke)能(neng)仍(reng)然(ran)希(xi)望(wang)獲(huo)得(de)比(bi)所(suo)選(xuan)陀(tuo)螺(luo)儀(yi)更(geng)低(di)的(de)噪(zao)聲(sheng)或(huo)更(geng)好(hao)的(de)零(ling)偏(pian)穩(wen)定(ding)性(xing)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，我(wo)們(men)有(you)辦(ban)法(fa)來(lai)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)
，那(na)就(jiu)是(shi)求(qiu)平(ping)均(jun)值(zhi)。

 

不bu同tong於yu設she計ji相xiang關guan的de環huan境jing或huo振zhen動dong誤wu差cha，多duo數shu陀tuo螺luo儀yi的de零ling偏pian穩wen定ding性xing誤wu差cha具ju有you噪zao聲sheng特te性xing。也ye就jiu是shi說shuo，不bu同tong器qi件jian的de零ling偏pian穩wen定ding性xing是shi不bu相xiang關guan的de。因yin此ci，我wo們men可ke以yi通tong過guo求qiu取qu多duo個ge器qi件jian的de平ping均jun值zhi來lai改gai善shan零ling偏pian穩wen定ding性xing性xing能neng。如ru果guo對duin個器件求平均值
，則期望的改善幅度為√n。寬帶噪聲也可以通過類似的求平均 值方法予以改善。

 

 

長chang久jiu以yi來lai，零ling偏pian穩wen定ding性xing被bei視shi為wei陀tuo螺luo儀yi規gui格ge的de絕jue對dui標biao準zhun，但dan在zai實shi際ji應ying用yong中zhong
，振zhen動dong敏min感gan度du常chang常chang是shi限xian製zhi性xing能neng的de更geng嚴yan重zhong因yin素su。根gen據ju抗kang振zhen能neng力li選xuan擇ze陀tuo螺luo儀yi是shi合he理li的de，因yin為wei其qi它ta參can數shu可ke以yi輕qing鬆song地di通tong過guo校xiao準zhun或huo對dui多duo個ge傳chuan感gan器qi求qiu平ping均jun值zhi來lai改gai善shan。

 

 

為了計算給定應用中振動引起的誤差

，需要了解加速度的預計幅度，以及此種加速度可能發生的頻率。表2和表3所示的應用說明如下：

 

 

計算振動引起的誤差時，必須考慮g敏感度和g2敏感度。以直升機應用為例
，計算如下：

 

 

如果通過加速度計補償g敏感度，則僅g敏感度降低，降幅為補償係數。

 

 


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