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| MEMS陀螺儀的工作原理、結(jié)構(gòu)及性能參數(shù) |
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| 文章來源： 更新時間：2011/4/28 14:21:00 |
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微機械陀螺儀的工作原理（科里奧利力）
MEMS陀螺儀利用科里奧利力（Coriolis force，又稱為科氏力）現(xiàn)象。科氏力是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述。
科里奧利力來自于物體運動所具有的慣性，在旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點，由于慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續(xù)運動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時間的運動之后，體系中質(zhì)點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會發(fā)生一定程度的偏離。 |
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如圖1所示，當(dāng)一個質(zhì)點相對于慣性系做直線運動時相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。
以下為科里奧利力的物理導(dǎo)出方法。
圖2所示為建立的空間動態(tài)坐標系。 |
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由以上方程計算得到加速度主要有三項組成，分別為徑向加速度、科里奧利加速度和向心加速度。 |
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其中， 為圓盤轉(zhuǎn)動的角速度矢量； 為質(zhì)點的徑向速度值； 為質(zhì)點的徑向運動方向矢量。
如果物體在圓盤上沒有徑向運動或是圓盤沒有旋轉(zhuǎn)，科里奧利力就不會產(chǎn)生。 |
微機械陀螺儀的結(jié)構(gòu)
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MEMS陀螺儀的設(shè)計和工作原理可能各種各樣，但是主要都采用振動部件傳感角速度的概念。絕大多數(shù)的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉(zhuǎn)動引起的交變科里奧利力。圖3所示為振動陀螺的動力學(xué)系統(tǒng)的簡單結(jié)構(gòu)示意圖。
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該系統(tǒng)為2-D的振動系統(tǒng)，有兩個正交的振動模態(tài)。其中一個振動模態(tài)為質(zhì)量塊在x方向振動，振動頻率為 。另一個振動模態(tài)為質(zhì)量塊在y方向振動，振動頻率為 。 與 的值比較接近。
工作時，驅(qū)動質(zhì)量塊使之在x軸上以接近于 的頻率 （驅(qū)動頻率）振動，如果振動系統(tǒng)以角速度 繞Z軸轉(zhuǎn)動，則會產(chǎn)生一個沿Y軸方向的科里奧利力，從而使得質(zhì)量塊在Y軸方向上產(chǎn)生頻率為的 振動響應(yīng)，通過測試Y軸方向的運動就能完成角速度 的檢測。 |
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| 一般的MEMS陀螺儀由梳齒結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分（圖4）和電容板形狀的傳感部分（圖5）組成，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。對于各種應(yīng)用要求有各種不同的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 |
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微機械陀螺儀的性能參數(shù)
MEMS陀螺儀的重要參數(shù)包括：分辨率（Resolution）、零角速度輸出（零位輸出）、靈敏度（Sensitivity）和測量范圍。這些參數(shù)是評判MEMS陀螺儀性能好壞的重要標志，同時也決定陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境。
分辨率是指陀螺儀能檢測的最小角速度，該參數(shù)與零角速度輸出其實是由陀螺儀的白噪聲決定。這三個參數(shù)主要說明了該陀螺儀的內(nèi)部性能和抗干擾能力。對使用者而言，靈敏度更具有實際的選擇意義。測量范圍是指陀螺儀能夠測量的最大角速度。不同的應(yīng)用場合對陀螺儀的各種性能指標有不同的要求。
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