摘要：本文介绍了微机械（MEMS）陀螺仪ADXRS300，它采用iMEMS技术，单片集成设计，并将所需要的信号调理电路集成在芯片中。并设计了三轴姿态稳定单元，应用在某机载光电平台中，实验数据表明，它的精度达到了中低精度场合的需求，而且大大减少了体积、功耗、重量，价格等。

关键词：MEMS   ADXRS300   微机械陀螺   

The Application of MEMS Gyroscope in Electro-Optical Platform on Aircraft

Chen Yongqi   Zhang Chunxi

(School of Instrument Science&opt_electronic Engineering ,BeiHang University, Beijing 100083)

 

Abstract: ADXRS300 is one kind of micro-electro-mechanical gyroscope. By using iMEMS technology, it is a complete angular rate sensor integrated with all of the required electronics on one chip. The application of ADXRS300 in electro-optical platform on aircraft indicated it meet the need on some middle or low precision occasion, especially on the aspect of volume, power consumption, weight and price etc.

 

Keywords: MEMS  ADXRS300  micro-electro-mechanical Gyroscope  

 

引言

    微机电技术是近年来发展起来的一项新兴技术，它将微型机械技术和微电子技术相结合，产生了以微型化、集成化和电子化为主要特征的微机电系统（micro-electro-mechanical system，简称MEMS）。微机械陀螺就是一种典型的微机电系统，即MEMS陀螺。和传统的机械，激光以及光纤陀螺相比，它具有体积小，重量轻，价格低，抗振动能力强，可靠性高，可集成化等优点。目前，微机械陀螺还属于中，低精度陀螺的范围。本文利用ADI（ANALOG DEVICE INSTRUMENT）公司的微机械陀螺ADXRS300组成惯性测量单元，应用于某机载光电平台的姿态控制。

1工作原理及特性

ADXRS300是基于谐振理论的陀螺，两个多晶硅检测结构包含振动框架，设计成电驱动的谐振子，在静电的作用下产生谐振。它的动力学原理是哥氏加速度，即对角速率施加到力转换结构上会引起哥氏力产生敏感。角速率作用到谐振音叉的轴上时，音叉受到哥氏力作用会产生绕音叉轴的扭矩。当外框架以一个小角度振动时，内框架就能敏感绕框架平面法线的加速度，并以与外框架振动频率相等的振动频率来振动。振动的测量是由电极电容来实现的，内外框架的感应指针作为电容的两个电极，通过测量内框架振动的振幅，从而测出外界输入角速率的大小。输出信号经过解调，放大等处理，变成电压信号输出。

它的机械结构原理图如图1所示：主要包括内置块，谐振质量块，谐振弹簧和哥氏力感应指针等。

  

图1 机械结构原理图

    ADXRS300是一种偏航角速率单芯片陀螺仪，量程为300 /S（可调），精度为0.03 /S，非线性是1000ppm，动态范围可以通过改变外围电路进行调整。在全频带范围内都具有很强的抗干扰能力，能承受2000g的振动冲击。具有基于数字命令的自检功能，内部集成温度传感器，测量输出提供温度补偿信号，连续的模拟输出方便精确的应用。它采用了iMEMS（integrated micro electro-mechanical system）技术，ADI公司的陀螺仪ADXRS300与其它同类角速度传感器相比，封装更小（BGA封装），精度更高，性价比高。采用全集成、单片设计，将独创的专利横梁结构与所需要的信号调理电路结合在单片集成电路中，这种检测结构的独特设计使得陀螺仪具有极好的抗冲击和振动性。     

2.稳定平台设计

基于ADXRS300陀螺仪和C8051F005处理器设计了一个三轴姿态稳定测量装置，实现了把角速度信号，温度信号进行信号调理，A/D自校零与自校增益补偿，高速采样，数据处理，温度补偿，信号输出的功能。并且对测试数据进行整理分析，得出了ADXRS300陀螺仪的实际应用中能够达到的精度。

在硬件电路中，选用的处理器是C8051F005。它是CYGNAL公司的一款高性能单片机，速度高达25MIPS，内有64K flash，不需要外扩RAM即可完成所有功能，集成有8路12位AD，采样速度为100KHz。

设计方案如图2所示：  

图2 硬件设计方案

在结构设计中，三路陀螺仪正交放置，各自敏感不同的轴向角速率。每路陀螺都输出角速度信号和温度信号，根据机载光电平台要求，信号经过一个截止频率为50HZ的低通滤波器，经过前放滤波之后，进行A/D转换，剔除野值，平滑滤波，温度补偿后，经过串口输出。

其中，有几个问题需要注意：1，可根据系统实际需求，通过设置输出电容大小，改变陀螺输出信号带宽。2，ADXRS300默认的测量范围是300 /S，可以通过改变外接电阻大小，设置量程。3，ADXRS300具有零位调节功能，通过给一固定引脚注入合适电流可以调节陀螺的输出零位。

    4测试数据

在室温条件下，对此测量装置进行了静态测试并进行了标度因数的标定，X轴静态测试数据分布曲线如图3：

  

图3  X轴静态测试曲线