陀螺儀傳感器的原理與數字輸出陀螺儀傳感器 XV4001 系列的特征

【序文】

陀螺儀傳感器用于測試顯示每單位時間轉動量的角速度。根據測試的方向， 角速度分為橫擺角速度（從汽車正上方俯視時朝左右 方向的平面轉動）、俯仰角速度（從汽車正前方直視時的上下轉動） 和滾轉角速度（從汽車正前方直視時的左右轉動）。汽車通行的 道路大多為平面， 因此最常使用的是檢測平面上左右轉角的橫擺角速度?，F在的導航系統中大多搭載了陀螺儀傳感器。在隧道、室 內停車場或高樓之間等無法正確接收 GPS（Global Positioning System，全球位置測定系統） 信號的場所， 使用被稱為“推算定位 （DR，Dead Reckoning）”的方法彌補 GPS 的位置信息。最近亦出現了很多以傳感器信號為主體、將 GPS 用于輔助的導航系統。 因此， 推算定位根據陀螺儀傳感器檢測出的角速度求出角度信息， 以及車速脈沖的距離信息推算出該車體的位置， 以此實現更加精 確的導航系統。用于導航系統的陀螺儀傳感器尤其重要的是靜止時、即未轉動時的輸出。其理由是， 角度以角速度信號的積分求出，

所以靜止時的輸出變動亦被累加，這將造成很大的角度誤差。

而且， 導航系統使用在溫度變化劇烈的環境之中， 因此陀螺儀傳感器靜止時輸出信號針對溫度變化的穩定性（溫度特性） 也是重 要參數之一。愛普生生產和銷售的數字輸出陀螺儀傳感器將以石英為材料的雙 T 型結構傳感元器件和承擔各種功能的 IC 芯片合為 一體， 以此實現高穩定的溫度特性。 IC 芯片能夠驅動傳感元器件、放大輸出信號、內建 AD 轉換器將信號轉換成數字信號以及敏感

度、靜止時輸出等各種補償。

本次解說愛普生的傳感技術與數字輸出陀螺儀傳感器的溫度特性、數字輸出接口。

【陀螺儀傳感器的原理與結構】

1.振動結構陀螺儀的原理（地球偏轉力）

陀螺儀傳感器將傳感器本身的轉動量轉換成電氣信號后算出角速度。愛普生所應用的是利用傳感器內部振動的振動結構陀螺儀的 原理。當傳感器受到外部施加的轉動力時， 利用傳感器內振動部位垂直方向所產生的地球偏轉力使傳感器內產生新的振動， 通過該

振動求出角速度。

（地球偏轉力， 又稱為“科里奧利力”，是 19 世紀法國物理學家科里奧利所提倡的物理量， 指在轉動的座標系中起作用的慣性。參照圖 1。）

2.陀螺儀傳感器的原理（結構）

愛普生制造的陀螺儀傳感器的內部振動部使用石英材料， 并采用并列排放 T 型石英的“雙 T 型結構”。雙 T 型結構左右對稱， 如

圖 2 所示，由驅動臂、檢測臂和位于中心的固定部組成。

傳感器工作時在驅動臂上施加交變振動電場， 使驅動臂保持左右振動的狀態， 以此抵消漏振， 實現在中央保持靜止狀態的檢測臂 （圖 2 的（1），驅動臂的一方向左側運動時， 另一方朝右側運動， 左右驅動臂的運動相對稱， 所以位于中心的固定部不受力， 檢測

臂保持靜止），因此可保證零點穩定。

其后從外部向傳感器施加轉動力， 驅動臂持續進行左右擺動的同時也受地球偏轉力的影響， 從而產生垂直方向的振動。為此， 驅 動臂的兩側中的一側向上運動時另一側向下運動， 驅動臂上下振動使固定部也受轉動力。固定部受力轉動后， 保持靜止的檢測臂開

始左右振動。把檢測臂的振動轉換成電荷變化量，就可以檢測出傳感器所受轉動的角速度。

3.陀螺儀傳感器的信號處理（模擬輸出陀螺儀傳感器的信號處理）

這里以陀螺儀傳感器（模擬輸出）的基本信號處理為例進行解說。

①在振蕩電路中流過一定電流使驅動臂起振。

②受到外部施加的轉動力（角速度 ω )后產生地球偏轉力，檢測檢測臂的振動。

③放大檢測出的信號后，進行波形補償。

④將相位移動 90 度后的驅動臂振動波形與檢測臂的振動波形相比較，計算出角速度。

（檢測臂的振動中， 轉角為-30 度（朝左 30 度） 的轉動與轉角為 30 度（朝右 30 度） 的轉動時輸出信號的相位不同， 因此將

輸出波形與驅動振動的波形相比較，即可求出正確的角速度和轉動方向）。

⑤進行輸出調整，輸出角速度相應的電壓。

如上所述，模擬輸出陀螺儀傳感器從微弱的檢測信號中分離出地球偏轉力信號并將其放大后，輸出與角速度成比例的電壓。

【數字輸出陀螺儀傳感器的功能與特征】

圖 4 表示 XV4001 系列數字輸出陀螺儀傳感器的框圖，以下說明其功能以及所應對的兩種數字輸出接口（三線式、四線式 SPI與 I2C）。

圖 4：XV4001 系列數字輸出陀螺儀傳感器的框圖

功能

·角速度輸出：以 16bit 、2 的補數的形式輸出角速度數據。

·數字濾波器：內建 fc=10Hz 的數字式低通濾波器。

·溫度傳感器：以 11bit 、2 的補數的形式輸出溫度數據。

·上電復位（POR）：內建上電復位電路，輸出啟動電源時邏輯電路初期化所需的上電復位信號。

·自我檢測：內建自我檢測電路，用通信響應（DIAG）傳送自我檢測結果。

數字輸出接口

·SPI（四線式、三線式）

可應對最大 10MHz 的通信頻率， 并設有命令錯誤判斷及校驗和功能， 以此確保通信質量。而且， 陀螺儀傳感器自身也具有檢

測異常的自我檢測功能， 將判定結果附加在角速度或溫度傳感器的輸出幀之上發送。根據判定結果， 可判斷傳感器有無異常。

·I2C

應對最大為 400kbit/s 的快速模式。從機地址設定為 1101000，子地址為 1101001（子地址在工廠產品出貨時設定）。可通過

發出的自我檢測判定結果輸出命令來判斷自我檢測的結果。

圖 5 表示陀螺儀傳感器與微機的連接例。

以前的模擬輸出陀螺儀傳感器通過 AD 轉換器收集信號時，為防止產生混疊（折疊失真），需要在陀螺儀傳感器和 AD 轉換器之 間插入所需的濾波器電路。而本次所述的 XV4001 系列則采用了數字輸出接口， 因此， 從陀螺儀傳感器輸出的信號無需通過 AD 轉 換器而可直接傳送到微機等處理器。還可進行總線連接， 在同一信號線上連接多件設備， 與原來的模擬輸出陀螺儀傳感器相比更便

于布線。

【XV4001 系列陀螺儀傳感器的特征（溫度特性）】

用戶當然希望陀螺儀傳感器在未轉動（靜止狀態） 下的輸出保持不變。尤其是導航系統， 因為將對陀螺儀傳感器輸出的角速度進 行積分， 所以角速度的輸出變化將對位置精度推算產生很大的影響。致使角速度輸出出現離差的因素繁多， 其中溫度變化所造成的

影響最為顯著。圖 6 表示未進行溫度補償的陀螺儀傳感器靜止狀態下輸出時的溫度特性。

愛普生生產的陀螺儀傳感器使用石英材料的傳感器元器件。因此， 可以看出在未進行溫度補償的條件下其角速度輸出變化亦很小。

但同時也表明每件產品在溫度特性的斜率和變化量方面存在差異。

在導航系統中， 可以在處理系統中對陀螺儀傳感器的角速度輸出溫度特性進行補償后使用。但是， 從技術和成本雙方來看， 這種 方法難以對每件產品在全體工作溫度范圍內的溫度特性傾斜方向及數量大小的離差進行溫度補償。因此， 用戶日益要求陀螺儀傳感

器本身具有高穩定的角速度輸出溫度特性。愛普生為回應市場需求，使用數字補償電路對靜止時的輸出進行了高次溫度補償。

圖 7 表示使用數字補償電路進行溫度補償后的愛普生陀螺儀傳感器靜止時輸出的溫度特性。

愛普生的陀螺儀傳感器經過高次溫度補償之后， 在-40℃至+85℃的大范圍溫度條件下， 大幅度改善了離差， 實現了靜止狀態下角

速度輸出保持穩定的溫度特性。

最后，在表 1 中表示 XV4001 系列的特征與概要。

XV4001 系列數字輸出陀螺儀傳感器具備最適于導航系統的穩定特性， 在與微機的連接、所應對的輸出接口以及針對多種安裝角

度的外形陣容等方面有著突出的優勢，能大力支援顧客優化設計化及產品質量。

表 1：XV4001 系列概要