陀螺仪的基础知识和结构图_陀螺仪的基础知识和结构

陀螺仪是一种测量物体转速的传感器。陀螺仪的工作原理对很多工程师来说可能很神秘。

有鉴于此，受ADI公司一篇文章的启发，本文试图更详细地解释MEMS振动陀螺仪的原理。由于综合分析可能涉及数学密集型，我们将尝试考虑传感器的特殊方向，以尽可能简化讨论。

使用极坐标系统定位旋转物体。

使用极坐标系统可以更容易地描述旋转物体的位置。假设物体总是在XY平面上，如下图1所示。

图一。XYZ平面上的样本对象。

随着的变化，A点绕z轴旋转。您可能还记得，在数学课上，单位向量^rr^和 是针对极坐标系统定义的，如图2所示，用于唯一指定坐标系中XY平面上的一个点。

图二。极坐标系统示例。

第一项考虑了一个显而易见的点：如果我们保持不变，我们仍然可以通过改变物体到原点的距离 r来改变物体的位置，如图3所示。在这种情况下，速度应该有一个径向分量，即在$$\hat{r}$$的方向。^rr^.

图3。通过改变距离来改变物体的位置。

等式2中的第二项考虑了即使离原点的距离不变，物体的位置也会因旋转而改变。记住，虽然$$\hat{r}$$的长度是1，但是它的方向取决于，可以随时间变化。图4(a)显示，如果我们保持r不变，并将角度增加，位置会如何变化。^rr^的长度为1，方向取决于，可以随时间变化。图4(a)显示，如果我们保持r不变，并将角度增加，位置会如何变化。

图4。如果r不变，角度增加(a)和变化(b ),则位置如何变化的示例已找到。

VA=drdtr^ rddt^

洞察力方程

等式8中的正切项是振动陀螺仪操作的关键。让我们仔细看看这个术语是如何产生的。图5示出了珠子沿着旋转辐条移动的轨迹。

图5。显示珠子沿旋转轮辐轨迹的示例。

V=rdd ton=rv=rddt=r。

图5显示了位置A5、A6和A7处的这些速度分量。在我们的例子中，径向分量是常数，但是切向分量呢？

因为是常数，所以速度的切向分量随着r增加，换句话说，当我们远离原点时，在给定的时间间隔和 内，珠子必须移动更长的距离。通过比较连续位置向量之间的距离，可以清楚地看到这一点。

另一个问题是，由于这种现象，切向速度变化有多快。

对于给定的，给出加速度切向分量的切向速度变化率等于r的变化率，因此，切向加速度分量由下式给出：

MEMS陀螺仪的基本结构

图6示出了振动陀螺仪的基本结构。

图6。振动陀螺仪的示例结构。

质量(m)通过阻尼弹簧结构连接到“内部框架”。此外，由正反馈系统(上面未示出)控制的致动器用于驱动质量体进行谐振。如图所示，反馈系统确保质量保持在沿X轴可调的连续振荡状态。此外，内部框架通过第二阻尼弹簧结构连接到“传感器框架”,该第二阻尼弹簧结构相对于质量振荡方向成90度。当在Y轴方向上有力时，这种配置允许内部框架在该方向上移动。

我们将在下一部分看到，当传感器绕垂直于图中所示XY平面的轴旋转时，图6所示的结构可以检测角速度。

振动陀螺仪是如何工作的？

如图7所示，假设陀螺仪固定在逆时针旋转的平台上。

图7。在固定平台上逆时针旋转的陀螺仪。

该图示出了两个不同时间的传感器。虽然传感器封装与平台中心之间的距离是固定的，但我们知道，由于其在传感器框架的X方向上的振荡，质量距离从r 1变为r 2。在这个例子中，质量距离增加了R2"R1。

类似于图5中描述的磁珠的例子，检测质量在传感器的Y轴的正方向上经历切向加速度。在y方向上，质量刚性连接到内部框架。因此，同样的加速度也适用于内部框架。内部框架；然而，最初的趋势是保持静止，这将改变内部框架相对于传感器框架的相对位置。

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