Схема гироскоп: инструкция, схемы и примеры использования [Амперка / Вики]

Содержание

Моделирование динамики гироскопа | Блог COMSOL

Недавно, впервые столкнувшись с уравнениями движения вращающихся тел, один из моих сыновей вернулся домой с множеством интересных вопросов. Его вопросы вызвали воспоминание о том, как много лет назад, я испытал такое же чувство растерянности при изучении механики. В сегодняшнем топике, я представлю две модели COMSOL Multiphysics — гироскопа и волчка — иллюстрирующих примечательные свойства вращающихся тел.

Что такое гироскоп?

Гироскоп — термин, придуманный Леоном Фуко в середине 19-го века — был признан как очень полезный инструмент в области науки и техники приблизительно двести лет назад. Его предшественник, волчок, известен, начиная с древних времен, и используется как игрушка для азартных игр и как предмет с магическими и мистическими свойствами.

Как рабочий инструмент, гироскоп ценится за свою точность при измерении и сохранении ориентации. Такие свойства способствуют его использованию в самолетах, космических кораблях и подводных лодках, а также в датчиках инерциальных систем навигации.


Копия первого гироскопа.

Классический гироскоп основан на законе сохранения момента импульса. Тело во время вращения стремится сохранить ориентацию своей оси в отсутствие моментов внешних (сил). Устойчивость к изменению ориентации при возмущении (внешнем воздействии) зависит от момента импульса, то есть произведению угловой скорости и момента инерции (тела). Если момент (сил) воздействующих на ротор не параллелен оси вращения, эффект может быть весьма неожиданным.

Примечание: В настоящее время существует несколько типов устройств, служащих той же цели, что и классический гироскоп, но они основаны на отличных физических свойствах. Последние достижения в физике и микросистемной технике сделали это возможным.

Как показано на приведенной ниже схеме, гироскоп состоит из диска, вращающегося с большой угловой скоростью вокруг своей оси. Ось соединяется с внутренним кольцом, называемым карданной подвеской (gimbal). Внутренняя подвеска прикрепляется к внешней карданной подвеске другой парой шарниров. У этих шарниров имеется ось, расположенная под прямым углом к вращающемуся валу. Третья пара шарниров прикрепляет внешнюю карданную подвеску к рамке. В результате ротор обладает тремя вращательными степенями свободы, по одной на каждую ось. Заметим, что рамка крепится к внешнему окружению (например, к сосуду).

Если рамка вращается вокруг произвольной оси, ось ротора стремится сохранить свое направление. При этом, обе подвески вращаются.


Схема классического гироскопа.

Моделирование гироскопических эффектов в COMSOL Multiphysics

Используя модуль Динамики многотельных систем в среде COMSOL Multiphysics, мы можем смоделировать механические свойства гироскопа. Наша учебная модель «Моделирование гироскопических эффектов» ориентирована на исследования такого рода. Пример, который обсуждается далее, на самом деле включает в себя две модели: гироскоп и волчок.

Модель гироскопа

Начнем с нашей модели гироскопа. Геометрия модели включает в себя четыре твердых тела: ротор, два карданова подвеса и рамка. Ротор изготавливается из стали, а остальные части из алюминия. Из-за такого выбора материалов, момент инерции ротора больше по сравнению с поддерживающей конструкцией. Рамке задано установленное вращение вокруг оси, ориентированной под углом 90° от оси ротора и 45° от двух кардановых подвесов винтовой оси. Вращение рамки задано гармоническим с величиной 2 радиана и частотой 2 Гц. Каждый из винтов смоделирован как шарнир.

Чтобы проиллюстрировать эффект вращения ротора на его ориентацию в ходе анализа рассмотрены две различные ситуации. В первом случае, ротор не вращается. Во втором случае, начальное значение угловой скорости ротора составляет 350 рад/с (3342 об/мин).

Первая анимация ниже демонстрирует, что если ротор не вращается, то он вынужден изменять свою ориентацию. Сила тяжести не учитывается в задаче, и кинематически, для ротора имеется возможность сохранять свою ориентацию, так что изменение в ориентации ротора вызывает динамика системы твердых тел. Во второй анимации, видно, что из-за своего вращения, ротору фактически удается сохранять свою ориентацию.

Ориентация ротора при вынужденном вращении рамки, с некрутящимся ротором.

Ориентация ротора при вынужденном вращении рамки, с крутящимся ротором.

На приведенном ниже графике, показано различие в стабильности угла наклона оси ротора. Угловой погрешности порядка 1°, возникающей в случае вращения (с крутящимся ротором), может оказаться все еще недостаточно для использования в высокоточных приборах. Однако изменения в конструкции могут уменьшить это отклонение. В нашем примере, скорость вращения рамки достаточно высока. Рамка поворачивается приблизительно на 115° и обратно, за 0,25 секунды, которые охватываются процессом моделирования. Для улучшения стабильности ориентации оси при таком внешнем воздействии, требуется либо повышение скорости вращения ротора или его утяжеление.


Сравнение наклона оси ротора с вращением и без.

Модель Волчка

Теперь переключим наше внимание на модель волчка. Здесь мы используем только отдельное твердое тело — ротор из предыдущего примера. Ось ротора первоначально ориентирована на 20° от вертикальной оси, а гравитационная нагрузка увеличена. Затем, ротору сообщается начальная угловая скорость вокруг собственной оси. Вместе с силой реакции опоры, сила тяжести создает момент в плоскости вращения на оси ротора и вертикальной оси.


Пара сил, действующих на волчок.

Этот момент сил вызывает угловое ускорение в направлении перпендикулярном плоскости, и волчок начинает изменять свою ориентацию. Это изменение в ориентации волчка, совместно с вращением вокруг собственной оси, вызывает гироскопический момент, действующий на волчок. Под воздействием гироскопического момента, верхушка волчка медленно описывает круговую траекторию. Такое вращение оси ротора называется прецессией. График ниже иллюстрирует траекторию движения вершины оси.

Траектория движения вершины волчка.

Как можно заметить, на широкую круговую траекторию накладываются меньшие циклические биения — движения, известного как нутация. Нутация зависит от начальных условий. Поскольку исследование волчка начинается только с закручивания вокруг оси ротора и без скорости прецессии, то начальные условия не совместимы с чисто прецессионным движением. В реальной физической системе, амплитуда нутации затухает со временем.

Заключение

При решении задач данного типа, важно правильно выбрать временной шаг для анализа. Как правило, он не должен превышать значения, соответствующего углу вращения порядка нескольких градусов за один временной шаг. В приведенных выше примерах, для временного шага используется значение 0,1 мс. Это соответствует повороту ротора вокруг своей оси на угол приблизительно 2° при каждом шаге.

Вы можете скачать учебную модель, представленную здесь, из нашей Галереи Приложений. Если вы заинтересованы в приобретении знаний о другой технологии для проектирования МЭМС гироскопов, мы рекомендуем вам также ознакомиться с нашей учебной моделью Пьезоэлектрический гиродатчик угловой скорости (Piezoelectric Rate Gyroscope tutorial model).

Принцип работы гироскопа: описание, характеристики

Содержание

Компания Robert Bosch является известным производителем MEMS гироскопов для автомобильных электронных систем курсовой стабилизации. На рынке потребительской электроники гироскопы используются в системах навигации, стабилизации изображения и игровых приставках.

Гироскопы, наряду с компасами, широко применяются для решения задач навигации. Принцип работы гироскопов основан на эффекте ускорения Кориолиса. Устройства измеряют угловую скорость вращающихся объектов.

  • Малый дрейф параметров
  • Низкий уровень шума
  • Компактный размер
  • Быстродействие
  • Системы навигации
  • Обеспечение устойчивости и отсутствия вибраций неподвижного оборудования
  • Автомобильная электроника: бортовые записывающие устройства, счетчики пути, противоугонные системы, беспилотные средства передвижения
  • Спутниковые антенны
  • Офисная техника
  • Бытовая техника (вращение диска микроволновой печи)
  • Видеокамеры
  • Системы экстренного оповещения об опасности
  • Сборочное оборудование

Компания Robert Bosch является известным производителем MEMS гироскопов для автомобильных электронных систем курсовой стабилизации. На рынке потребительской электроники гироскопы используются в системах навигации, стабилизации изображения и игровых приставках.

Благодаря сохранению углового момента, угловая скорость в плоскости кристалла вызывает ударные ускорения в полимерной массе, которые находятся уже в другой плоскости. Встроенные электроды определяют емкостные параметры этих внеплоскостных ускорений.

Датчик крена SMG061 с аналоговым выходом

Чем больше масса ротора и скорость его вращения, тем выше способность такого гироскопа сохранять заданное положение главной оси. Так, установка успокоения качки для 10-метровой лодки в сборе весит около 350 кг и имеет ротор, вращающийся со скоростью от 6000 до 10 000 об/мин.

Для успокоения морской качки, передвижении на гироскутере и ориентации картинки в телефоне служат совершенно разные устройства с общим названием — гироскопы. Подборка видеороликов поможет вам разобраться в принципах работы современных систем стабилизации.

Механические гироскопы

Вращение придает объекту стабильность в пространстве, этот принцип используют детский волчок, тарелочка-фрисби и пуля нарезного оружия. Любой из этих предметов можно назвать гироскопом, противодействующим отклонению от оси вращения.

Если вращающийся объект будет закреплен на оси с несколькими степенями свободы, то получится роторный гироскоп. Как только ротор будет раскручен, его ось приобретает устойчивость в пространстве и старается сохранить ориентацию, заданную в начальный момент.

  • Карибский вулкан начал извергать лаву из вновь сформированного вулканического купола
  • Транспортная компания показала, как перевозят огромные лопасти ветрогенераторов
  • Приложение «Моя Планета» представляет новый выпуск проекта «Царство грибов»

Чем больше масса ротора и скорость его вращения, тем выше способность такого гироскопа сохранять заданное положение главной оси. Так, установка успокоения качки для 10-метровой лодки в сборе весит около 350 кг и имеет ротор, вращающийся со скоростью от 6000 до 10 000 об/мин.

Такие стабилизаторы требуют очень высокой точности изготовления, потребляют значительное количество энергии и издают шум при работе. Все это сказывается на цене и ограничивает их применение в быту. Зато они незаменимы в случаях, когда стабилизируемый объект не имеет возможности опираться на какую-либо поверхность — в воде, воздухе и космическом пространстве.

Электромеханические гироскопы

Моноколеса, стабилизаторы для камер и даже смартфоны также оснащены гироскопами, но их системы работают по совершенно иному принципу. В их основе лежат микроэлектромеханические системы — это микросхемы со встроенным датчиком инерции, которые способны переводить его механические перемещения в электрические импульсы. Общий принцип действия можно понять из следующего ролика.

Управляющие системы по показаниям таких датчиков вычисляют текущее положение объекта и стабилизируют его при помощи электромоторов. Принцип работы хорошо виден на примере стабилизатора для видеосъемки.

При просмотре ролика можно включить субтитры с переводом на русский.

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.

Разновидности гироскопов по принципу действия
Конструкцию гироскопа принято разделять на две группы по принципу действия:
  1. Механические.
  2. Оптические.

Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.

Механические

Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. По данному принципу изготовляется спортивный кистевой гироскопический тренажер. Такой прибор представляет собой шар, внутри которого располагается гироскопический элемент со своей осью вращения.

Оптические

Сфера использования гироскопов
Гироскоп широко используется в:
  • Авиации.
  • Автомобилестроении.
  • Мобильных устройствах и прочая подобная техника.
  • Системах стабилизации видеокамер.
  • Навигации.

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси. Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

Гироскоп является не только полезным, но и интересным устройством, принцип работы которого был внедрен в производство нескольких видов детских игрушек. Примером этого является йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажер. В данном случае ценится качество устройства удерживаться в определенном положении благодаря вращению по главной оси. Что касается свойства гироскопа выступать в качестве датчика, то оно применяется при изготовлении вертолетов на радиоуправлении, квадрокоптеров.

Применение гироскопа в мобильных устройствах, планшетах и прочей портативной техники

В мобильной технике гироскоп применяется благодаря его свойству реагировать на изменение углов ориентации тела. Прибор выступает в качестве датчика, позволяющего определить, что мобильный телефон или планшет был повернут в ту или иную сторону. Наличие устройства позволяет получить информацию об изменении положения тела в 3 плоскостях. Внедренные в гаджеты гироскопы внешне напоминают миниатюрную микросхему.

Благодаря присутствию гироскопа в мобильном телефоне, в том удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным датчик является для реализации управления в играх, в частности гонках. При повороте экрана девайса осуществляется управление автотранспортом без необходимости нажатия на кнопки.

Отличие между гироскопом и акселерометром

Весьма похожим устройством на гироскоп является акселерометр. Последний позволяет определять повороты тела относительно его оси. При этом функционал гороскопа гораздо обширнее.

Он позволяет:
  • Определить перемещение в пространстве.
  • Указывать стороны света как компас.
  • Дает информацию для расчета скорости движения.

Наличие гироскопа позволяет решать те задачи, которые мог бы выполнять акселерометр. При этом использование акселерометра никогда не позволит сделать все то, что возможно с помощью гироскопа. Несмотря на схожесть датчиков, они часто используются в паре, особенно в мобильной технике, смарт-часах, планшетах и т.д. Работая вместе, они позволяют значительно быстрее получать различную информацию по перемещению устройств, что увеличивает скорость ее обработки. Это важно для мобильных игр, квадрокоптеров, гироскутеров.

— В оружии. Пуля при стрельбе закручивается, что придает ей гораздо большую устойчивость, это сильно повышает точность стрельбы.

Игорь Гладкобородов

Если волчок раскрутить, то он не упадет, пока не остановится.

Это происходит благодаря закону сохранения момента импульса. Не понятное объяснение.

Когда пытаешься повернуть крутящееся тело, возникает сила, которая действует перпендикулярно силе, которую прикладываешь к нему. На втором рисунке видно, что, когда части колеса, обозначенные точками A и B, поворачиваются на 90 градусов, они стремятся повернуть колесо в плоскости экрана по часовой стрелке. Это называется прецессия. Из-за этой силы ось волчка всегда ходит по кругу, если запустить его не ровно, very non-intuitive.

Помечтаем о лете, представим себе, что мы едем на велике. Переднее колесо нам хорошо видно, почти сверху. Если мы пытаемся повернуть, например, налево, то мы прилагаем усилие к оси колеса. Тем частям колеса, которые в данный момент впереди, передается импульс, направленный влево, а задним частям колеса идет импульс вправо.

Но, поскольку мы быстро едем, и колесо крутится, то та часть, которая только что была впереди, оказывается сзади, и небольшой импульс, который мы успели придать этой части колеса работает уже в противоположном направлении, и поворачивает его в обратную сторону.

Получается, что из-за вращения колеса мы сами себе мешаем повернуть его. То есть, то усилие, которое мы прилагаем, чтобы повернуть колесо, нам же возвращается через колеса.

Любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом. Он противодействует отклонению оси вращения, а люди этим активно пользуются:

В контроллерах современных игровых консолей и в iPhone 4 есть гироскопы, но они устроены по совсем другому принципу.

— В приборах навигации в самолетах и космических аппаратах. Хорошо сбалансированный гироскоп на специальных шарнирах, установленный на самолет, всегда сохраняет свое положение в пространстве, никакие фигуры высшего пилотажа не собьют его. Это позволяет приборам самолета всегда знать, где низ.

— В оружии. Пуля при стрельбе закручивается, что придает ей гораздо большую устойчивость, это сильно повышает точность стрельбы.

— Колеса велосипеда или мотоцикла работают как гироскопы, и это не дает ездоку упасть. На велосипеде сложнее ехать медленно, чем быстро, потому что на большой скорости колеса крутятся быстрее и делают его устойчивее.

— Есть много игрушек, где главная деталь — гироскоп: всевозможные волчки и , с которыми можно делать вот такие трюки:

Принцип действия системы гироскопа

Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Данный кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он способен измерять угловую скорость до ± 1,0 є/с и имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI®.

Режима вывода – аналоговый или цифровой – выбирается пользователем при подключении датчика к какой-либо системной плате. Главной отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации.

Как правило, подобные гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC корпусах которые можно устанавливать на системные платы. Датчик состоит из пяти основных компонентов:
— кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring),
— основание из кремния (Pedestal),
— интегральная микросхема гироскопа (ASIC),
— корпус (Package Base),
— крышка (Lid).

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, которые имеют определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности.

Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор

Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм., толщина – 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на 5” пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм. в центре кольца.

Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм., которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3х3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства.

Принцип действия системы гироскопа

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса». Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца.

На рисунках 3 и 4 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары).

На рисунке 5 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

Рис. 7 Режимы работы сенсорного кольца при вращающемся гироскопе

Схема управления всем гироскопом расположена в ASIC.

Рис. 8 Блоковая диаграмма функционирования ASIC-сенсора
Рис. 9 Внешний вид ASIC-гироскопа

Тема раздела Аппаратура радиоуправления в категории Cамолёты — Общий; Как они устроены что является датчиком а то я по школе помню что там чтото крутится должно.

Как они устроены что является датчиком а то я по школе помню что там чтото крутится должно?

Упрощенно он состоит из бруска пьезоматериала, который электронная схема вводит в резонансные колебания изгибного характера. С пластин бруска, параллельных плоскости колебаний снимают сигнал при появлении прецессии. Электронная схема выделяет из него сигнал, пропорциональный угловой скорости перемещения оси колебаний.

Сейчас разработана новая технология без пьезоэлементов. Футаба называет ее SMM. Там в микросхеме методом фотолитографии формируется микробалка, работающая в режиме изгибных колебаний.
Полностью устранен температурный дрейф датчика и значительно увеличена стойкость к ударам и вибрациям. Датчик разрабатывался изначально для систем головок наведения «умных» высокоточных боеприпасов.

Кстати, из элементарной физики следует, что один датчик способен выявлять угловую скорость только по одной из 3 осей. Так что для стабилизации по трем осям нужно 3 датчика.

Ну а теперь мы поговорим о каждом устройстве в отдельности.

Акселерометры

Nokia 5500 — первый телефон с акселерометром

Акселерометры также имеются в различных контроллерах игровых консолей, будь то обыкновенный геймпад или несколько иное устройство, например, контроллер движения PlayStation Move. Кстати, акселерометр используется и в анонсированном на днях шлеме виртуальной реальности Sony Project Morpheus.

Особое значение имеет акселерометр, применяемый в ноутбуках, а точнее, в их жестких дисках. Всем известно, что винчестеры — устройства довольно хрупкие, и в случае с лэптопами вероятность их повреждения возрастает в разы. Так, при падении ноутбука акселерометр фиксирует резкое изменение ускорения и отдает команду на парковку головки жесткого диска, предотвращая и повреждение устройства, и потерю данных.

Акселерометр InvenSense MPU-6500

По схожему принципу акселерометр влияет на работу автомобильного видеорегистратора. При резком ускорении, торможении и перестроении транспортного средства видеозапись помечается специальным маркером, который защищает ее от стирания и перезаписи, что значительно облегчает дальнейшие разборы дорожно-транспортных происшествий.

Краш-тест автомобиля Opel Vectra. В 90-е годы подушки безопасности зачастую были только опцией

Теперь поговорим о самой конструкции акселерометра. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Двухосный роторный гироскоп, его свойства и прецессия механического гироскопа.

Двухосный роторный гироскоп, его свойства и прецессия механического гироскопа.

Радиоуправляемые вертолеты , которые оснащены гироскопом, в воздухе намного устойчивее, чем радиоуправляемые вертолеты, которые не имеют в комплектации гироскопа. Они обеспечивают плавный полет, они не сбиваются с намеченного курса при попадании в воздушную яму. Радиоуправляемые вертолеты с гироскопом позволяют новичкам пилотам, очень быстро освоить основные принципы пилотажа и азов полета. Одной из лучших моделей на радиоуправлении с гироскопом является трехканальный радиоуправляемый вертолет с соосной схемой винтов syma s032 .

Современный элемент смартфона работает на постоянной основе. Это самостоятельный датчик, не требующий калибровки. Его не нужно ни включать, ни отключать. Автоматика сделает эту работу за вас. В случае если устройство отсутствует, то вы не сможете играть в виртуальную реальность. Вам просто придётся купить новый телефон со встроенными функциями.

Множеством интересных функций и датчиков оснащены смартфоны и другие мобильные устройства. Одним из ведущих модулей является гиродатчик или гироскоп. Диковинная новинка в девайсе, выполненная на основе микроэлектромеханической системы, сделала большой рывок в усовершенствование функционала и завоевала большую симпатию среди пользователей. Происхождение слова «гироскоп» имеет давнюю историю. Оно расшифровывается как словосочетание «круг» и «смотрю».

Родоначальником древнегреческого изречения был французский физик Леон Фуко. В XIX веке он занимался исследованием суточного вращения Земли, и этот термин подошёл для нового устройства как нельзя кстати. Гиродатчиками пользуются авиакомпании, судоходство, космонавтика. Компания Apple, производитель современных мобильных телефонов, первой взяла за основу данный функционал и внедрила его в iPhone 4. Несмотря на то, что видео ниже на английском языке, демонстрация технологии от Стив Джобса понятна без перевода.

Наряду с легкими функциями разработчики внедрили в устройство более сложные программные обеспечения. Например, в некоторых операционных системах при помощи встряхивания телефона запускается обновление для Bluetooth или запускается специфичная программа по измерению углов наклона и уровня. Гироскоп прекрасно учитывает скорость перемещения, и определяет местоположение человека на незнакомой местности.

С технической точки зрения, гироскоп довольно сложное устройство. При его разработке, за основу взяли принцип работы акселерометра, который представляет из себя колбу с пружиной и грузом внутри. На одной стороне пружины закреплен груз, а вторая сторона пружины зафиксирована на демпфере для гашения колебания. При встряхивании (ускорении) измерительного прибора, прикрепленная масса движется и приводит в напряжение пружину.

Такие колебания можно представить в виде данных. Если расположить три таких акселерометра перпендикулярно, то можно получить представление о том, как расположен предмет в пространстве. Поскольку технически расположить такой громоздкий измерительный прибор в смартфоне невозможно, то принцип работы оставили тот же, но груз заменили инертной массой, который расположен в очень маленьком чипе. При ускорении, меняется положение инертной массы и таки образом рассчитывается положение смартфона в пространстве.

С помощью GPS-навигации на дисплее появляется карта, которая фиксирует аналогичное направление объектов при любом повороте тела. Другими словами, если вы повернулись лицом к реке, то она автоматически отобразится на карте. При развороте на 180 градусов к водоему мгновенно происходят аналогичные изменения на мониторе. С использованием этой функции упрощается ориентировка на местности. Особенно это важно людям, занимающимся активными видами отдыха.

Благодаря точному учёту скорости перемещения управление смартфоном становится более удобным и гармоничным. Зачастую используют гироскопы на Андроид любители компьютерных игр — геймеры. Уникальное устройство в девайсе молниеносно превращает картинки в реальность. Особенно правдоподобными становятся гонки, симуляторы, стрелялки, Pokemon Go.

Достаточно изменить положение смартфона и скорость поворота, то езда на виртуальном автомобиле покажется вам реальной. Герои на дисплее точно направят автомат, нацелят пушку, повернут руль, поднимут в воздух вертолёт, убьют врага. Карманные монстры не будут прыгать по виртуальной траве, а станут двигаться по настоящему миру в видимой области встроенной камеры.

Конечно, это далеко не весь перечень положительных характеристик, присущих Android смартфонам и iPhone. Перечислять приятные и удобные моменты можно бесконечно. Однако не все пользователи оценили универсальные качества по достоинству. Одни предпочли отказаться от гироскопа в новом смартфоне, другие просто отключили его. И этому есть своё объяснение.
Среди многочисленных плюсов бывают малозаметные минусы.

Современный элемент смартфона работает на постоянной основе. Это самостоятельный датчик, не требующий калибровки. Его не нужно ни включать, ни отключать. Автоматика сделает эту работу за вас. В случае если устройство отсутствует, то вы не сможете играть в виртуальную реальность. Вам просто придётся купить новый телефон со встроенными функциями.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

При запуске программы выводится окно с указанием обнаруженных физических датчиков:

Гироскоп: устройство и принцип работы

Гироскоп – это устройство, позволяющее определить положение тела, на котором он установлен в пространстве. С самого появления он стал применяться в военной промышленности, авиации, автомобильном производстве и мореплавании. Первые модели были ориентированы на магнитное поле земли и стали отличным аналогом компасу.

Гироскоп мог работать практически в любом положении, невзирая на плохую видимость, тряску и прочие негативные условия. Постепенно размер устройства менялся, и его функционал значительно расширился. Например, в автомобилях стало возможно распределить нагрузку в зависимости от наклона рамы, выбрать оптимальное место для парковки. Со временем производители умных гаджетов и телефонов взяли его себе на вооружение.

Установленный в смартфоне миниатюрный прибор значительно расширил возможности устройства и облегчил использование. Ранее, чтобы посмотреть фото в полноэкранном режиме, нужно было установить соответствующую галочку в настройках или нажать кнопку, сейчас достаточно повернуть устройство, и смартфон сам адаптирует изображение, если в нем включена такая возможность.

Включение гироскопа (функция “Автоповорот” в телефоне) производится из меню настроек или из выдвижной шторки быстрого доступа в верхней части экрана телефона. В зависимости от модели, название может отличаться. Значок обычно символизирует смену положения и понятен пользователю даже с минимальными знаниями о возможностях устройства. При желании функцию можно так же просто деактивировать.

Самый простой вариант гироскопа, позволяющий передать физическое положение тела в электронном виде по необходимым координатам, выглядит как две подвижные единицы, которые постоянно находятся в контакте с активными датчиками, фиксирующими их положение. При повороте устройства двигается и весь гироскоп, посылая сигнал об изменившемся местоположении.

Современные устройства учитывают скорость движения подвижной части, силу давления. Именно поэтому в играх с гироскопическим управлением можно резко совершить движение в сторону, повернув устройство в желаемую сторону.

Гироскутер: основные принципы работы

Гироскутер: основные принципы работы

Что собой представляет?

Данный гаджет состоит из нескольких ключевых узлов, включая:

  • 1) Колёса-приводы с электрическим мотором;
  • 2)Центральный компьютер, обрабатывающий информацию;
  • 3) Система гироскопических датчиков, размещённых по всему корпусу;
  • 4) Сам корпус;
  • 5) Литий-ионный аккумулятор.

Так же, в зависимости от модели, устройство может быть оснащено информативным дисплеем, осветительными приборами, индикаторами и другими дополнениями в виде ЮСБ-портов, динамиков, звуковых сигнализаторов и т.д.

Что ж, с комплектацией разобрались, а теперь рассмотрим сам принцип действия.

Автономность и другие прелести

Источники

Источник — http://www.sensorica.ru/d10-3.shtml
Источник — http://naukatv.ru/articles/330
Источник — http://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/giroskop/
Источник — http://theoryandpractice.ru/posts/1097-kak-rabotaet-giroskop-i-chto-obshchego-u-yo-yo-i-samoleta
Источник — http://sovtest-ate.com/news/publications/sovremennye-mems_giroskopy-i-akselerometry/
Источник — http://forum.rcdesign.ru/f4/thread752.html
Источник — http://www.ferra.ru/review/techlife/mems-part-1.htm
Источник — http://www.3vozrast.ru/article/anons/zametka/3926/
Источник — http://hobbyits.com/chto-takoe-giroskop-v-smartfone-i-zachem-on-nuzhen/
Источник — http://v-androide. com/instruktsii/rabota/giroskop-v-telefone.html
Источник — http://sunwheel.ru/info/giroskuter-osnovnye-printsipy-raboty/

Гироскопический датчик на гироскопе ENC-03J

Электронные гироскопы — преобразователи наклона и угловой скорости в электрический ток. Так же как и механические (ротационные), пьезокерамические электронные гироскопы служат для контроля положения и угловых скоростей с малым временем отклика (до 50 Гц). Электронные датчики-гироскопы марки ENC-03J и ENC-03M появились в розничной торговой сети совсем недавно. Они предназначены для работы в качестве датчиков изменения наклона, а также компенсации дрожания руки (штатива) в видеокамерах и высокотехнологичных фотоаппаратах.

Что и говорить, в современных промышленных устройствах профессионального и бытовою назначения электронные датчики-гироскопы архиважны. Отличием электронных гироскопов от механических собратьев является компактность и малый вес (размер 12 х 8 мм, масса в зависимости от модели 1—20 г), отсутствие изнашивающихся элементов, высокая скорость отклика (минимум инерции), низкое напряжение питания (2,7—5,5 В), малый ток потребления (0,5—15 мА). Диапазон рабочих температур (-5…+75 °С) позволяет производить контроль параметров в широком спектре климатических условий и географических поясов.

Кроме того, электронные гироскопы выпускаются также и в ЧИП-исполнении, что позволяет использовать их для поверхностного монтажа.

На основе такого электронного датчика создано простое устройство, которое посредством светоизлучающего светодиода сигнализирует об изменении своего, ориентированного на горизонтальную поверхность положения. Схема прибора показана на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Электрическая схема гироскопа

Основу устройства составляет пьезокерамический гироскоп ENC-03J производства фирмы «Murata» (Япония). При горизонтальном положении прибора постоянное напряжение на выводе 4 датчика U1 составляет 1,3—1,4 В при Un = 5 В. Коэффициент усиления операционного усилителя DA1 приблизительно равен единице. На вывод 3 датчика U1 поступает напряжение сравнения через низкочастотный фильтр R3C3, который одновременно играет роль обратной связи операционного усилителя.

При изменении горизонтального положения датчика (отклонении от 0 °) напряжение на выходе U1 (вывод 4) изменяется в соответствии с коэффициентом преобразования (0,67 мВ/° отклонения в секунду). Частота опроса состояния составляет около 50 Гц. Максимальная угловая скорость относительно строго горизонтального положения (уровень 0) составляет ±300 °/с. Разделительный конденсатор С1 (образующий совместно с резистором R1 частотный фильтр с полосой среза около 0,3 Гц), не пропускает постоянную составляющую напряжения на вход операционного усилителя DA1. При изменении горизонтального положения датчика на выходе DA1 (вывод 6) присутствует напряжение высокого уровня, которое открывает ключевой транзистор VT1, вследствие чего зажигается светодиод HL1.

Все постоянные резисторы — типа МЛТ-0,25 или MF-25. Конденсатор С1 — неполярный типа К10-17, С2— оксидный полупроводниковый танталовый, типа К52-х или К53-х, C3 — типа КМ-6Б.

Оксидный конденсатор С4 типа К50-20 сглаживает пульсации источника питания. Если применяется автономный источник питания— батарея или аккумулятор, данный конденсатор из схемы исключается. Светодиод HL1 — любой типа АЛ307Б или аналогичный. Для лучшего визуального контроля можно использовать светодиод с эффектом мигания. Вместо операционного усилителя КР140УД1208 можно применять КР140УД12, КР140УД20 с любым буквенным индексом. Транзистор VT1— любой кремниевый п-р-п типа с коэффициентом усиления более 40.

Устройство в налаживании не нуждается. В связи с высокой чувствительностью пьезокерамического датчика U1 необходимо жестко крепить его к корпусу устройства, который, в свою очередь, должен иметь максимально ровную горизонтальную поверхность. При Монтаже элементов устройства не перегревайте выводы датчика жалом разогретого паяльника (время пайки не более 1 с).

Пользоваться датчиком просто — достаточно установить его на контролируемой поверхности (если предполагается контроль наклона и стабилизации) или поместить в другую (нежидкую!) контролируемую среду для контроля вибрации.

Источник питания для устройства— стабилизированный с постоянным напряжением 3—5 В. Ток потребления всего узла с датчиком ENC-03J не превышает 5 мА.

Рис. 2.22. Схема включения датчика ENV-05F-03

При использовании в качестве вибродатчика аналогичного прибора ENV-05F-03 параметры устройства улучшаются (повышается точность показаний— чувствительность). Отрицательным моментом такой замены может показаться параметр максимальной угловой скорости— у этого прибора он меньше: ±80 °. Однако применение датчика ENV-05F-03 позволяет избавиться от операционного усилителя (схема включения показа на рис. 2.22).

На кремниевых диодах собран преобразователь напряжения «переменный/постоянный ток», выход которого можно подключить к управляющему узлу, например к точке А (рис. 2.21).

Кашкаров А. П. 500 схем для радиолюбителей. Электронные датчики.

Автомобильные гироскопы – обзор современного состояния

Введение

Гироскопы — это устройства, которые измеряют угловую скорость (angular rate) вращающегося объекта. В автомобильных применениях гироскопы используются для измерения скорости вращения автомобиля теоретически относительно трех осей: вертикальной (yaw), поперечной (pitch) или продольной (roll), но наиболее обычными из них являются yaw (yaw rate sensor) и roll (angular rate gyros) типы гироскопов.

Ключевые автомобильные применения, для которых разрабатываются новые гироскопы, это:

  • Обнаружение крена машины и боковых опрокидываний (Rollover).
  • Навигационные системы (GPS и другие).
  • Контроль динамики автомобиля ESC, а также АБС.
  • IMU.

В автомобильных системах безопасности и комфорта автомобилей класса high-end также востребованы гироскопы, мигрирующие, например, от потребительских применений — таких как контроль многих входных данных и стабилизация видеокамер. Гироскопы могут применяться, например, и для корректировки высоты и стабильности подвески в зависимости от угловой скорости крена (roll) автомобиля.

MEMS-гироскопы играют все более увеличивающуюся роль в автомобильных применениях, и рынок не ограничивается автомобильными применениями. Мировой рынок MEMS-гироскопов, согласно прогнозам, достигнет $800 млн уже в 2010 году.

Гироскопы классифицируются как в зависимости от применения, так и по их исполнениям: инерциальные (inertialgrade), тактические (tactical-grade) и показателя скорости (rate-grade devices).

В автомобиле преобладают гироскопы скорости вращения. Типичные автомобильные применения включают диапазон полной шкалы в 50–300°/с и разрешение в 0,5–0,05°/с в полосе пропускания менее 100 Гц, в зависимости от применения. Стандартная рабочая температура от –40 до +85 °C.

Многие современные типы автомобильных гироскопических устройств представляют собой вибрационные кориолисовы гироскопы, в которых для определения вращения используется вибрирующий механический элемент [1–18].

В более ранних устройствах для совершения колебаний использовался макроскопический пьезоэлектрический кристалл кварца. По мере развития MEMS-технологий колебательные функции все чаще выполняет кремниевый кристалл, совместимый с технологиями ИС, включающими схемы обработки сигнала и различные интерфейсы.

Основные технологии, реализуемые в современных гироскопах, включают:

  • камертонные гироскопы Tuning Fork Gyroscope;
  • вибрирующее колесо — гироскоп Vibrating Wheel;
  • полусферические резонансные гироскопы Wine Glass Resonator Gyroscopes;
  • кольцевой резонатор — гироскоп Ring Resonator Gyroscopes;
  • вращающееся колесо — гироскоп Spinning Wheel Gyroscope;
  • лазерные гироскопы;
  • волоконно-оптические гироскопы;
  • микрооптические электромеханические гиросистемы Micro-Optical-Electromechanical Systems (MOEMS) Gyros;
  • интерферометрические MOEMS-гироскопы.

Теория, основные рабочие принципы и технологии гироскопов

Макро-гироскопы

Традиционные вращающиеся гироскопы, известные более 200 лет, действуют на основе следующего принципа: если вращающийся объект наклонить перпендикулярно к направлению вращения, то он будет иметь прецессию. Это означает, что если прикладывать к гироскопу постоянную внешнюю силу, то он начнет поворачиваться вокруг третьей оси, не совпадающей по направлению с основной осью вращения ротора. Прецессия, величина которой пропорциональна величине действующей силы, удерживает устройство, ориентированное в вертикальном направлении, причем может быть измерен угол наклона относительно опорной поверхности. Однажды раскрученное устройство стремится сопротивляться изменениям в его ориентации вследствие углового момента. Этот эффект известен в физике как гироскопическаяинерция. В случае прекращения внешнего воздействия прецессия мгновенно заканчивается, но ротор продолжает вращаться.

Основным элементом гироскопа является ротор spinning wheel, размещенный на вращающейся оси (рис. 1). Ротор гироскопа характеризуется тремя степенями свободы (три оси возможного вращения), которые обеспечиваются двумя рамками карданного подвеса. Ротор закреплен во внутреннем карданном подвесе или кольце, имеющем возможность колебаний во внешнем карданном подвесе, который, в свою очередь, может совершать колебания относительно опоры. Внешний подвес закреплен так, что возможно вращение вокруг одной оси в его собственном плане (одна степень свободы), при этом его ось вращения не имеет ни одной степени свободы. Внутренний подвес закреплен во внешнем подвесе так, что может осуществлять вращение вокруг одной оси в собственном плане, причем эта ось всегда нормальна к оси вращения ротора.

Таким образом, внутренний подвес обладает двумя степенями угловой свободы, его ось также обладает одной степенью свободы. Следовательно, ротор обладает тремя степенями угловой свободы, его ось — двумя. Ротор реагирует на силу, приложенную к входной оси, силой реакции вокруг выходной оси, то есть, если на такое устройство не действуют внешние возмущения, ось собственного вращения ротора сохраняет постоянную пространственную ориентацию в пространстве, но под действием момента внешней силы, стремящегося повернуть ось собственного вращения (например, при наклоне гироскопа), ось начинает вращаться, причем не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия — движение, ортогональное направлению наклона). Для устранения многочисленных факторов ошибок в гироскопах используется фиксирование осей пружинами — тогда напряжение пружины будет пропорционально скорости прецессии.

Гироскоп может указывать угол поворота относительно основания, на котором он закреплен, а также угловую скорость. Из-за этих своих свойств гироскоп может применяться в автоэлектронике как датчик угла поворота или угловой скорости.

Оптические гироскопы — следующий тип гироскопических устройств, основанные на том, что лазерный луч многократно отражается в замкнутом контуре, при вращении которого длительность между моментом излучения и получения сигнала будет различной. Оптические гироскопы представляют собой различные модификации интерферометров Сагнака (Sagnac). (Эффект Сагнака состоит в явлении кольцевой интерферометрии. Принцип действия этих устройств основан на том, что два луча посылаются вокруг кругового пути в противоположных направлениях и, в зависимости от угловой скорости вращения пути, интерферометрическим детектором может быть обнаружен фазовый сдвиг, так как скорость света почти всегда остается постоянной).

В лазерных гироскопах RLG (Ring Laser Gyro), получивших применение приблизительно в 1960-х годах, кольцевой путь луча обеспечивается зеркалами. Обычно кольца представляют собой треугольники или прямоугольники с зеркалами на каждом углу.

Теория работы гироскопов дизайна Ring Laser показана на рис. 2. Простейший лазерный гироскоп представляет собой даже не кольцо, а треугольник. Лазерный источник выводит два луча, направленных в противоположных направлениях вокруг кольца, до момента достижения ими детектора. Детектор считает частоту биений комбинированной световой волны, которая прямо пропорциональна углу поворота гироскопа.

Два главных источника погрешностей кольцевых лазерных гироскопов — смещение и мертвая зона на малых углах. Смещение является следствием различных коэффициентов преломления пар лучей.

В FOG (Fiber Optic Gyro) путь лазера обеспечивается посредством оптоволокна. Волоконно-оптический гироскоп также использует интерференцию света, для того чтобы обнаруживать механическое вращение. Датчик представляет собой катушку оптоволокна, по которой два луча направляются в противоположные стороны и, согласно эффекту Сагнака, луч, путь которого лежит против вращения, проходит меньшее расстояние, что вызывает интерференцию лучей на детекторе, пропорциональную угловой скорости.

FOG показывают более высокое разрешение и более высокую точность, чем RLG, но и более высокий дрейф, а также чувствительность к поперечной вибрации, ускорению и ударам.

Преимущества оптических гироскопов по сравнению с вращающейся массой состоят в отсутствии инерции, бесконтактности (хотя лазерный луч и оптоволокно характеризуются не бесконечным сроком службы), большей гибкости, большей надежности, а также в меньшем размере и весе.

В настоящее время интенсивно развиваются оптические MEMS, и это касается всех сфер применения, в том числе и гироскопов. Многие компании сфокусировали свои разработки на построении массивов объемных кремниевых микромеханических зеркал и их интеграции с обрабатывающей и управляющей электроникой [1]. Перспективы этих устройств для автоэлектроники значительны, и, по мере коммерциализации технологий, будут обсуждаться в дальнейшем.

Кориолисовы вибрационные гироскопы

Принцип работы вибрационных кориолисовых гироскопов основан на том, что вращающийся вибрационный элемент (вибрационный резонатор) подвержен эффекту Кориолиса, состоящему в том, что вызывается вторичная вибрация, ортогональная оригинальному направлению вибрации. Детектирование параметров вторичной вибрации позволяет определять угловую скорость.

Эффект Кориолиса может быть понятно объяснен при помощи рис. 3 [2]. При вращении вибрирующей плоскости возникает ускорение (или сила) Кориолиса, пропорциональное скорости вращения. Объект, размещенный на вращающейся платформе радиусом r и перемещаемый вместе с платформой с угловой скоростью ω, характеризуется тангенциальной скоростью ωr относительно Земли. Объект, приближенный к центру, отличается значительно меньшей тангенциальной скоростью, чем объект, размещенный ближе к краю платформы в результате его перемещения в радиальном направлении. Скорость увеличения тангенциальной скорости, вызванная радиальной скоростью ?, представляет собой ускорение Кориолиса.

Если r изменяется вместе со скоростью ?, тангенциальное ускорение Кориолиса составит 2ω?. При наличии массы объекта M платформа должна прикладывать силу реакцию опоры 2Mω?.

В вибрационных гироскопах вместо подвижного объекта используется резонирующая масса, размещаемая на вращающейся платформе. Для того чтобы измерять ускорение Кориолиса, которое испытывают масса и фрейм и вследствие этого оба перемещаются в сторону на 90° от вибрационного движения, фрейм с резонирующей массой прикрепляется к подложке посредством пружин, размещенных также ортогонально к резонансному движению. Для измерения ускорения Кориолиса часто используются пальцеобразные конденсаторные обкладки (рис. 3б). Если пружины характеризуются жесткостью K, перемещение относительно фрейма составит 2 ω?M/K. При увеличении скорости вращения ? увеличивается и перемещение массы, и сигнал формируется на основе соответствующего емкостного изменения.

Гироскоп может находиться в любом положении относительно вращающегося объекта, но его сенсорная ось должна быть тангенциальна направлению вращения.

Камертонные гироскопы

Микромеханические гироскопы дизайна tuning fork впервые были разработаны Charles Stark Draper Laboratory в 1991–1993 годах (рис. 4).

Tuning Fork Gyroscope — это устройства, в которых две кремниевые массы совершают колебания равной амплитуды, но в противоположном направлении. При вращении сила Кориолиса создает ортогональную вибрацию, которая может измеряться различными средствами, образуя сигнал, пропорциональный смещению от плоскости.

Физическая модель эквивалентна двум зубцам камертона, связанным посредством соединительной балки, которые резонируют с определенной амплитудой. Когда зубцы вращаются, сила Кориолиса действует как сила, перпендикулярная проекциям зубцов в плоскости камертона, которая обнаруживается как поворот или скручивание (рис. 4а). Данная сила пропорциональна приложенной угловой скорости.

Гироскоп Charles Stark Draper Laboratory использует пальцеобразные емкостные электродные структуры — для того чтобы вводить камертон в резонанс и осуществлять его вращение вокруг любой оси в плоскости ИС (рис. 4в). Помимо емкостного, могут быть использованы также электростатические, электромагнитные, пьезоэлектрические или пьезорезистивные измерительные принципы.

Первый гироскоп Charles Stark Draper Laboratory разрешением 4000°/ч и дрейфом в 1°/ч был разработан именно для автомобильной промышленности и применялся для контроля проскальзывания в АБС. Затем характеристики гироскопов tuning fork были улучшены. В 1994 году было достигнуто разрешение 500°/ч, в 1997 году — 100°/ч. Стабильность дрейфа достигла величины 0,1°/ч. При этом также были значительно снижены шумы и повышен SNR [3].

Технологию Draper’s Tuning Fork в свое время приобрела корпорация Honeywell — для того, чтобы применять ее вместо своих лазерных гироскопов.

В настоящее время дизайн tuning fork — один из наиболее популярных и успешных MEMS-дизайнов, его используют такие ведущие компании, как Analog Devices, Bosch, Melexis, Systron Donner или Matsushita.

Гироскопы дизайна Vibrating-Wheel

Гироскоп Vibrating-Wheel включает колесо, которое вибрирует вокруг своей оси симметрии. Вращение в плоскости образует наклон колеса, который определяется, например, емкостными электродами (рис. 5а).

Этот дизайн позволяет определять две оси вращения с одним вибрирующим колесом. Поверхностный микромеханический поликремниевый гироскоп дизайна vibrating wheel gyro впервые был разработан U. C. Berkeley Sensors and Actuators Center (рис. 5б). В настоящем эта технология используется компанией Bosch.

Гироскопы дизайна Wine Glass Resonator

Гироскопы дизайна Wine Glass Resonator изготавливаются из расплавленного кремнезема и известны также как полусферические резонансные гироскопы hemispherical resonant gyro. Исследователи Мичиганского университета (University of Michigan) разработали различные модификации кольцевого резонирующего гироскопа resonant ring gyros в планарной форме. В гироскопе wine glass gyro резонансное кольцо (resonant ring) вводится в резонанс, и положения узловых точек индицируют угол вращения. В настоящее время аналогичные исследования проводят ученые Калифорнийского университета (University of California), также заинтересованные в приобретении ведущих позиций в области MEMS-гироскопов [4–7].

Технология vibratory ring лежит в основе коммерчески доступных гироскопов Silicon Sensing Systems.

Помимо рассмотренных выше основных типов MEMS-гироскопов разрабатываются и некоторые другие типы устройств, одно из которых описано в [3].

Пьезоэлектрический гироскоп Piezoelectric Plate Gyroscope

Данный тип гироскопов использует в качестве основы плату из материала PZT [3]. Пьезоэлектрический гироскоп функционирует подобно многим другим вибрационным MEMS-гироскопам, причем вибрирующим телом в данном случае служит пьезоэлектрический лист из материала PZT, характеризующийся длиной и шириной, много большей, чем ее высота. Вибрация листа осуществляется в направлении толщины материала, что требует переменного напряжения, прилагаемого поперек пластины. Когда вибрирующая плата вращается вокруг оси, перпендикулярной управляющему напряжению, наводится напряжение в третьем ортогональном направлении, пропорциональное угловой скорости.

Используемый в прошлом для построения макроустройств, достаточно простой по сравнению с гироскопами fork или ring-типов, рассматриваемый дизайн легко реализуем и на микроуровнях. Преимущество перед обычными вибрационными гироскопами состоит в том, что для получения читаемого выхода требуется много меньшее управляющее напряжение. Электрические выводы подсоединяются к 6 сторонам образца материала и локализуются в верхней части тонкой мембраны над полостью в кремниевой подложке. Полость придает больше свободы пластине PZT для вибрации и деформирования. Выводы обеспечивают управляющее напряжение и измерение выходного сигнала.

Так как пластина характеризуется x–y-симметрией, одиночная пластина может измерять вращение в двух направлениях. Тем не менее ее чувствительность составляет всего 38 мкВ, тогда как ring-гироскоп обладает чувствительностью, равной приблизительно 200 мкВ. Помимо того, традиционные гироскопы при отсутствии вращения в значительной степени приближаются к идеально нулевому выходу, тогда как пьезоэлектрические гироскопы выводят до 100 мВ смещения. Если управляющее напряжение является переключаемым, то же самое устройство может измерять вращение и в третьем направлении, но с меньшей чувствительностью. Устройство легко интегрируется с чипами ИС. При использовании гироскопов ring или tuning fork фактически требуется три гироскопа для детектирования трех направлений вращения.

Квантовые гироскопы

В основе квантовых гироскопов лежит эффект Джозефсона (открытый Б. Джозефсоном в 1962 году в Кембриджском университете), состоящий в том, что электрический ток может мигрировать между двумя сверхпроводящими материалами, разделенными тонким слоем изолятора.

Эффект Джозефсона стал относиться затем к поведению двух слабо связанных квантовых систем, сформированных молекулами, которые обладают идентичными волноподобными свойствами. Эффект Джозефсона относится также к соединению двух сверхпроводящих жидкостей: когда давление прикладывается к одной стороне слабой связи, жидкость будет колебаться от одной стороны слабой связи к другой.

Если взять любую трубку, сформованную в виде тора и содержащую сверхпроводящую жидкость (liquid helium-3), которая имеет два места со слабым соединением (тонкие перфорированные мембраны нитрида кремния), то приложением малых значений давлений создается волна с частотой, зависящей от давления, и амплитудой, зависящей от вращения тора и измеряемой электрическими методами. Автор этой модели первого квантового гироскопа, отличающегося сверхчувствительностью,— Ричард Паккард (Richard Packard) и его коллеги из Калифорнийского университета (University of California, Berkeley).

Основные технические факторы, управляющие рынком гироскопов

Большинство современных исследований в области MEMS-гироскопов направлено на реализацию технологий поверхностной микромеханики и создание однокристальных исполнений с 6 степенями свободы для IMU.

Как следует из теории и принципов работы, рассмотренных выше, гироскопы представляют собой сложные MEMS-устройства, интегрированные в одно устройство, включающие самонастраивающийся резонатор в управляющей оси и микродатчик ускорения в сенсорной оси. Абсолютное значение кориолисовой силы и ускорения на порядок меньше, чем ускорения, детектируемые высокообъемными автомобильными MEMS-акселерометрами.

Главной проблемой MEMS-гироскопов является достижение высоких уровней исполнений и низкой цены. Современные автомобильные гироскопы могут стоить порядка $40 для таких востребованных применений, как VSC, навигационные системы, и несколько меньше для таких применений, как обнаружение событий rollover. Характеристики гироскопов чувствительны к производственным допускам, погрешностям корпусирования, линейному ускорению, температуре. Для того чтобы достигнуть высоких объемов и низкой цены, много факторов должно учитываться еще на стадии проектирования.

Обзор современного рынка автомобильных вибрационных гироскопов

Ведущие производители автомобильных гироскопов — это Analog Devices, Bosch, Denso, BEI Systron Donner, Silicon Sensing Systems, Infineon, Matsushita, Melexis. Сравнительные технические данные некоторых устройств, рассматриваемых далее, приведены в таблице.

Таблица. Сравнительные технические данные основных коммерчески доступных автомобильных гироскопов

Гироскопы Analog Devices

Компания Analog Devices — технологический лидер в области MEMS-гироскопов, представляющих собой различные модификации камертонных гироскопов tuning forks [2, 8–12].

Технологии iMEMS® и iSensor™ Gyros компании Analog Devices составляют основу растущего семейства MEMS-гироскопов yaw rate типа. iMEMS означает акцент на полностью интегрированном решении датчика, включающего поверхностную микромеханическую структуру и схему обработки на одном кремниевом кристалле. Базовые принципы iMEMS Gyros реализованы в линейке датчиков ADXRS (рис. 6а-б).

iSensor Gyros означает дополнительную интеллектуальную функциональность гироскопов, встроенную обработку сигнала и контроль — признаки, наиболее полно реализованные компанией в линейке датчиков ADIS Gyros, значительно пополненной в течение второго полугодия 2006 года и насчитывающей в настоящий момент 7 устройств.

Гироскопы обоих семейств ADI выполнены на одном кремниевом кристалле, который включает механическую часть датчика и ASIC. Масса привязывается к поликремниевому фрейму, что позволяет ей резонировать только в одном направлении (исключение составляет только ADIS16350 — трехосевой датчик, детектирующий угловое и линейное движение). Емкостные кремниевые сенсорные элементы с неподвижными кремниевыми консолями, прикрепленными к подложке и резонатору, детектируют наведенное силой Кориолиса смещение резонирующей массы и фрейма.

Емкостные элементы представляют собой кремниевые балки, связанные с двумя настройками кремниевых балок, прикрепленных к подложке, что формирует таким образом два конденсатора с одинаковыми номиналами. Перемещение вследствие вращения наводит в этой системе дифференциальную емкость, равную 2 ??MC/gK, что прямо пропорционально угловой скорости [2]. На практике достигается высокая точность данного соотношения, с нелинейностью менее 0,1%.

Линейка семейства ADXRS включает три датчика ADXRS150 (±150°/с, $30), ADXRS300 (±300°/с, $30) и ADXRS401 (±75°/с, $22), с применением различных вариантов их корпусирования.

Все гироскопы ADXRS — это yaw-rate-гироскопы, но они могут измерять угловую скорость в направлении любой оси за счет выбора подходящего крепления. Эти устройства предназначены для систем автомобильной безопасности, навигации, стабилизации изображений, блоков инерциальных измерений, а также стабилизации платформ, в которых реализована данная технология.

Интеграция электроники и механической части на одном кремниевом кристалле — ключевой признак устройств ADXRS. Встроенная электроника гироскопов ADXRS позволяет детектировать емкостные изменения порядка 12×10–21 Ф при отклонении балок в 0,00016 Е. Дифференциальный сигнал извлекается на частоте резонатора и может быть отделен от шумов посредством корреляции. Гироскопы ADXRS характеризуются также повышенной устойчивостью к вибрациям и ударам до 1,000 g — они используют два механически независимых резонатора: для того, чтобы обнаруживать сигналы в дифференциальном режиме и сбрасывать внешние ускорения, не связанные с угловым движением. Как результат, два резонатора измеряют то же вращение, но дают выход противоположной полярности. Для измерения угловой скорости используется разница между двумя сигналами, которые поступают на входы чувствительных предусилителей. Эта схема требует точного согласования сенсорных элементов.

Портфолио гироскопов Analog Devices в последнее время значительно расширилось и включает гироскопы с более высокими рабочими характеристиками, увеличенной функциональностью, а также более эффективные в стоимостном выражении, оптимальным образом заполняющие продуктовый зазор между дорогими и прецизионными устройствами и менее дорогими датчиками. Помимо того, что непрерывно совершенствуется электроника обработки сигнала, компания ADI реализует перспективы создания мультиосевых гироскопов, интегрирующих как акселерометры, так и гироскопы на одном кристалле.

Линейка высокоинтегрированных интеллектуальных датчиков ADIS iSensor в настоящее время включает два датчика с цифровым интерфейсом SPI ADIS16100 (±300°/c, $34,95) и ADIS16080 (±80°/c, $34,95), ультрамалошумящий (0,015°/с/?Гц) аналоговый гироскоп ADIS16120 (±300°/c, $629,00), программируемые датчики с интерфейсом SPI ADIS16250 (±20…±320°/c, $41,98), ADIS16251 (±20…±80°/c, $44,95) и ADIS16255 (±80…±320°/c, $55,90) — программируемый гироскоп с температурной компенсацией. Новейшее дополнение к семейству — трехосевой гироскоп ADIS16350.

Основное назначение пополняемой линейки ADIS iSensor — повысить рабочие характеристики гироскопов ADXRS дополнительной функциональностью обработки сигнала: калибровка/тюнинг, SPI и другие ASIC-интерфейсы, цифровой ввод/вывод, встроенная интеллектуальность и программирование, управление питанием, вплоть до беспроводных связей и объединения гироскопов с акселерометрами. Гироскопы рассчитаны на различные применения, включая автомобильные — в навигации и противоугонных системах. Это однокомпонентное решение на основе технологии Analog Devices iMEMS Motion Signal Processing требует вдвое меньше пространства, чем существующие многокомпонентные дискретные решения, что также снижает системную цену и сроки подготовки производства.

Например, в ADIS16080 (рис. 6в) сигнал с механической части гироскопа подается на последовательность ступеней усиления и демодуляции. Сигнал затем преобразуется в интерфейс SPI, цифровые выходные данные которого пропорциональны входной угловой скорости. Применение внешнего резистора позволяет увеличивать измерительный диапазон. Дуальный сенсорный дизайн сбрасывает внешние g—усилия и вибрацию. Производство датчика вместе с электроникой обработки сигнала повышает устойчивость работы датчика в шумовом окружении. После стадии демодуляции интегрированный ФНЧ первого порядка ограничивает высокочастотные помехи прежде конечного усиления. Частотная полоса регулируется вторым ФНЧ, настроенным на 40 Гц. Применение внешнего конденсатора допускает снижение частотной полосы.

Посредством SPI-интерфейса обеспечивается также доступ к измерениям внешней температуры. Пользователю предоставляется возможность ввода двух аналоговых сигналов. Гироскоп снабжается двумя цифровыми входами самотестирования, позволяющими производить электромеханическое возбуждение датчика и схемы обработки. ADIS16080 выпускается в 16-терминальном корпусе LGA — 8,2×8,2×5,2 мм.

Новое дополнение к семейству датчиков iSensor, например, программируемый гироскоп ADIS16250 в корпусе с размерами LGA (11×11×5,8 мм) характеризуется малым энергопотреблением и увеличенной функциональностью.

ADIS16120 — это малошумящий датчик угловой скорости, который включает всю необходимую обработку сигнала и обеспечивает аналоговый выход, пропорциональный угловой скорости в динамическом диапазоне ±300°/с. Малого смещения и высокой точности позволяет добиться калибровка в условиях производства. Дизайн датчика обеспечивает значительную устойчивость к вариациям температуры, напряжения, линейного ускорения, вибрации и допускам при включении устройства в модуль верхнего уровня.

ADIS16250 (рис. 6г) заполняет продуктовый зазор между дорогими гироскопами ADIS16120 (±300°/с) — порядка $600 — с ультравысокими рабочими характеристиками (например, шумовая плотность 0,015°/с/√Гц) и датчиками среднего уровня ADIS16100 и ADIS16080.

Гироскоп ADIS16250 построен на семействе ADIS1620 акселерометров iSensor и представляет собой первый MEMS-гироскоп, который обеспечивает цифровое масштабирование и программируемость и предоставляет разработчику возможность одновременного контроля чувствительности, скорости дискретизации, настройки выходной фильтрации, самотестирования, цифровой функции alarm и режимов управления питанием для достижения малого энергопотребления. Выходной интерфейс датчика — SPI, обеспечивающий доступ к 14-битным данным гироскопа, 12-битным — температуры, измерениям напряжения питания, а также вспомогательный аналоговый выход.

Программирование выполняется через стандартный интерфейс. Для программирования датчика выпускается сопрягаемый с ПК оценочный комплект ADISEVAL, обеспечивающий легкий доступ разработчиков к калиброванным цифровым данным ADIS16250 и других датчиков.

В зависимости от требований к применению, чувствительность ADIS16250 может варьироваться в цифровой форме с масштабированием динамического диапазона от ±80°/с до ±320°/с. Выходы устройств калибруются при производстве датчиков. ADIS16250 также характеризуется механизмом автообнуления, применяемым для внутрисистемной калибровки и минимизации системных допусков и дрейфов.

ADIS16350 — первый интегрированный датчик ADI на основе технологии iSensorTM, обеспечивающий законченное трехосевое сканирование угловой скорости (в диапазоне ±320°/с) и линейного движения — ускорения до ±10 g в частотной полосе до 350 Гц посредством одного ультракомпактного модуля в корпусе с размерами 22,7×23,2×22,9 мм, включающего встроенную обработку сигнала для калибровки и настройки датчика. SPI-порт, рассчитанный на передачу цифровых данных и программирование, обеспечивает доступ ко всем встроенным датчикам: гироскопам в оси X, Y, и Z; датчикам линейного ускорения в оси X, Y и Z, датчику температуры, мощности, SPI-порт также имеет вспомогательный аналоговый вход. Датчики инерции представляют собой прецизионно выровненные и откалиброванные по смещению и чувствительности устройства.

Системные интерфейсы упрощаются за счет дополнительных программируемых признаков: это встроенная автокалибровка смещения, цифровая фильтрация и контролируемая скорость дискретизации, самотестирование, управление питанием, программируемый мониторинг условий с функцией alarm и вспомогательный цифровой ввод/вывод.

Гироскопы Robert Bosch

Компания Robert Bosch выпускает интегральные кремниевые вибрационные гироскопы, разработанные как для детектирования оси Z (tuning fork) — с вибрацией и направлением чувствительности в плане ИС, так и оси X или Y (vibrating wheel). Концепции Bosch показаны на рис. 7 [13–14].

Для обнаружения крена и систем навигации Bosch разработала две базовые модели датчиков с аналоговым выходом — SMG040 и SMG045. Для этих ИС необходима внешняя схема, выполняющая управление возбуждением гироскопа, усиление сигнала и некоторые другие функции. Линейка специализированных интегральных компонентов 2-го поколения, которые производит Bosch, включает аналоговый датчик для обнаружения крена SMG061 и цифровой датчик SMG060, а также датчики для навигационных систем SMG066 с аналоговым выходом и цифровой датчик SMG065. Измерительные диапазоны датчиков варьируются в зависимости от применения: ±240°/с и ±250°/с (крен) и ±75°/с и ±80°/с (навигационные системы).

Все ИС гироскопов Bosch построены на основе двухкристальной модели — микромеханического сенсорного элемента и ASIC, осуществляющей функции управления гироскопом, которые объединены в корпусе PLCC44. Сенсорный элемент представляет собой колеблющуюся массу с чувствительной осью в плоскости чипа. Микромеханическая структура уплотняется под вакуумом на уровне подложки.

Сенсорный элемент SMG040 имеет симметричный слой только с одним подвесом в точке крепления. За счет приложения электростатических сил к пальцеобразным структурам масса осуществляет угловые колебания в точке крепления в центре массы. Управляющее колебание стабилизируется электронным циклом контроля в оценочной ASIC.

Вследствие преобразования углового момента угловая скорость вокруг оси в плане чипа будет вызывать колебания массы в направлении из плоскости.

Электроды, размещаемые на подложке (detection counterelectrodes) под массой, предназначены для емкостного измерения отклонения массы. Сигналы этих электродов модулируются на частоте управляющих колебаний. После усиления и вычитания сигнал, пропорциональный угловой скорости, выделяется при помощи синхронной демодуляции. Корректную фазу демодуляции обеспечивает блок PLL.

Датчик формирует ратиометричный аналоговый сигнал, пропорциональный половине напряжения питания номиналом в 4,8 В. Чувствительность и смещение калибруются к их номинальным значениям при производстве. Тестирование механики и электроники датчика осуществляется приложением логического уровня напряжения к специальному тестовому выводу датчика BITE (Build In Test Equipment).

Сравнительные технические данные датчиков представлены в таблице.

Гироскопы BEI Systron Donner

BEI Systron Donner Automotive Division (SDAD) разрабатывает и поставляет инерциальные датчики для систем обнаружения крена и контроля динамики, а также АБС. Микромеханические кварцевые инерциальные элементы GyroChip датчиков измеряют угловую скорость вращения и линейное ускорение, используя камертонный принцип tuning fork (рис. 8). Датчики формируют сигнал, пропорциональный скорости вращения, используя пьезоэлектрические методы возбуждения и детектирования.

Кварцевые датчики инерции GyroChip производятся с использованием фотолитографических процессов и технологий MEMS, сходных с теми, что применяются при производстве кварцевых часов. Инновационные твердотельные гироскопы SDAD используют сенсорный элемент, который производится методами поверхностной микромеханики из чистого кристаллического кварца. Применение пьезоэлектрического кварцевого материала упрощает сенсорный элемент, а также обеспечивает чрезвычайно высокую температурную и долговременную стабильность, равно как и увеличенную надежность и долговечность.

В отличие от традиционных сложных механических гироскопов с сотнями индивидуальных прецизионных частей и ограниченным сроком службы, кварцевые датчики SDAD включают монолитный сенсорный элемент, работающий без режимов работы, вызывающих износ.

По сравнению с другими твердотельными технологиями, Fiber Optic Gyroscopes (FOG) и Ring Laser Gyroscopes (RLG), которые характеризуются значительными временными и денежными затратами, технология SDAD отличается простотой сенсорных элементов и удовлетворительным соотношением высокие объемы/низкая цена.

Каждый сенсорный элемент закорпусирован в герметичные металлические головные части, которые в комбинации с дискретной электроникой устанавливаются в сенсорные блоки.

Systron Donner Automotive производит различные датчики угловой скорости GyroChip — как для одноосевых измерений, так и в сочетании GyroChip с акселерометрами для мультиосевых измерений.

Одноосевые датчики GyroChip rate sensor также различным образом конфигурируются для OEM-требований. Модели, размещенные в производстве, предполагают включение встроенной непрерывной тестовой функции и адаптированные к клиентским требованиям корпус, коннектор, опции монтажа. Малые размеры сенсорного элемента позволяют добиваться малых размеров корпусов, но это зависит от OEM-требований инсталляции.

В производстве находятся и многоосевые устройства, сочетающие датчики угловой скорости и акселерометры в одном корпусе, — сенсорные кластеры, которые обеспечивают входы (например, CAN) ко многим бортовым системам, в различных стандартных конфигурациях, а также в специальных клиентских версиях.

В компании Systron Donner Automotive Division считают, что в будущих автомобилях будут использоваться автомобильные IMU (Inertial Measurement Unit) — одноточечные блоки с 6 степенями свободы, предназначенные для систем VDC, обнаружения rollover, систем навигации и других.

Гироскоп SAR10 компании Infineon

Компания Infineon Technologies SensoNor AS выпускает гироскоп типа vibrating gyro SAR10 с цифровым интерфейсом SPI для автомобильных систем обнаружения крена (±250°/с). SAR10 (рис. 9) включает два кристалла — микромеханическую ячейку и ASIC со смешиванием сигнала, размещенные в стандартном корпусе SOIC.

Для производства микромеханического датчика использована технологическая платформа SensoNor на основе однокристального кремния. SAR10 включает структуру в форме бабочки с двумя массами double mass butterfly с односторонним электростатическим возбуждением и схемой емкостного детектирования.

Принцип работы датчика, основанный на получении силы Кориолиса, состоит в следующем. Масса сенсорного элемента возбуждается, осуществляя угловую вибрацию вокруг своей оси. Входное вращение образует вибрацию, детектируемую вокруг оси, нормальной к оси возбуждения и входной оси.

Для того чтобы гарантировать высококачественную механическую поддержку для MEMS-элемента, используется анодное соединение, с применением специальных разработанных и патентованных технологий, позволяющих точно контролировать давление внутри уплотненной полости.

Для работы гироскопа SAR10 являются важными частоты и формы четырех режимов. При работе датчика активны второй и третий режимы. Второй режим структуры butterfly представляет собой горизонтальный изгиб балок, в котором массы колеблются со смещением фазы в 180° вокруг вертикальной оси. Третий режим— это кручение балок, колеблющихся в противофазе со смещением в 180°. Второй режим является режимом возбуждения и управляет постоянной амплитудой вибрации, тогда как третий режим (детектирования) измеряет угловую скорость. Другие два режима, к которым относится первый, представляющий собой кручение балок при двух синфазно колеблющихся вокруг горизонтальной оси массах, и четвертый режим — вертикальный изгиб балок при колебаниях масс со смещением в 180° вокруг горизонтальной оси, являются нежелательными и представляют собой возможное следствие внешних вибраций. Высокие частоты порядка 30 кГц делают датчик менее подверженным влиянию внешних вибраций.

Интерфейсная ASIC датчика характеризуется работой в режиме замкнутого цикла как при управлении, так и в цикле обратной связи force feedback при детектировании. Принцип работы датчика — емкостной, ASIC измеряет дифференциальные емкости в диапазоне 10–18 Ф. Этот уровень точности соответствует перемещению мембраны порядка нескольких десятков Е.

Выходной интерфейс датчика — SPI. Схема обработки включает также функции управления возбуждением, демодуляцию, фильтрацию сигнала и температурную компенсацию. SAR10 характеризуется меньшим размером, ценой и энергопотреблением. Устойчивость к ударам достигает 10 000 g. Компания SensoNor также предлагает разработчикам оценочный комплект SAR10.

Гироскопы Silicon Sensing Systems

Компания Silicon Sensing Systems использует технологию Silicon Vibrating Structure Gyroscope (SiVSG) — для создания вибрации кольца vibrating ring resonator, вибрационный режим которого изменяется при вращении вследствие действия силы Кориолиса (рис. 10).

Применение керамического колпачка, металлического кольца и использование кристаллических кремниевых и микромеханических методов позволили уменьшить кольцевой резонатор до 6 мм в диаметре.

Кольцевой резонатор дополняется центральным миниатюрным магнитом для создания электромагнитного резонанса. Передача тока осуществляется через металлические дорожки, депонированные на опоры кольца, что создает силу, которая вводит кольцо в резонанс. Движение кольца под действием силы Кориолиса определяется по напряжениям, наводимым в опорах. Таким образом, методы возбуждения и детектирования — электромагнитные.

Кольцевой резонатор устойчив к ударам (99 g). Закорпусированный сенсорный блок позволяет добиваться единичного соотношения высокие объемы производства/низкая цена, что, в свою очередь, дает возможность использовать это устройство вместе с клиентской ASIC.

Будущие разработки компании предполагают использование кремниевых емкостных технологий MEMS (рис. 10ж).

Гироскоп MLX90609 Melexis

В июне 2006 года компания Melexis представила свой первый гироскоп MLX90609 в SMD-корпусе — CLCC32, который включает кремниевую микромеханическую ячейку и схему обработки сигнала с функциями калибровки в EEPROM. Датчик MLX90609 (рис. 11) разработан с целью удовлетворения растущего спроса на автомобильные гироскопы для навигационных систем (dead reckoning GPS). Полный диапазон ±75°/с (MLX90609-N2) программируется при производстве. По специальному заказу доступны диапазоны ±150°/с (MLX90609-E2) или ±300°/с (MLX90609-R2).

MLX90609 выполнен с применением процесса thick SOI (Silicon on Insulator) и включает дифференциальную MEMS-структуру, чувствительную к силе Кориолиса при движении. Каждая часть дифференциальной структуры включает двухфреймовый гироскоп на монокремниевой основе.

MLX90609 формирует два выходных сигнала, пропорциональных с линейностью ±0,5% угловой скорости, действующей перпендикулярно плану ИС, — аналоговое напряжение с выходом в 2,5 В на нулевой угловой скорости и полным диапазоном до 4,5 или 0,5 В, в зависимости от направления вращения, а также SPI-интерфейс.

Пользователю предоставлена возможность калибровки и программирования следующих параметров: температурного дрейфа смещения и усиления, частотной полосы, даты и серийного номера.

Заключение

Гироскопы — третье из самых востребованных применений в MEMS-индустрии интегральных датчиков по объемам продаж (после акселерометров и датчиков давления) и одно из наиболее быстрорастущих в автомобильной сенсорной индустрии. Помимо автоэлектроники, востребованность гироскопов поддерживается и многими другими рынками — клиентским, медицинским, промышленным и военным, что неминуемо означает дальнейшее снижение цены и повышение уровней исполнений этих устройств.

Рассмотренные в статье гироскопы представляют собой базовые типы устройств, на основе которых разрабатываются все новые модификации MEMS. Среди них вибрационные кориолисовы гироскопы с емкостным типом детектирования представляют собой наиболее актуальные сегодня устройства, рекомендуемые для новых проектов. В дальнейшем ожидается повышение спроса как на традиционные резонансные гироскопы с улучшенными рабочими характеристиками — такими как надежность, размер и цена, так и массовая волна коммерциализации новых разработок на основе оптических технологий MEMS.

Независимо от типа применяемой технологии для гироскопов ожидается также дальнейшее повышение уровня интеграции и появление других мультисенсорных многоосевых устройств.

Литература

  1. Nasiri S. A Critical Review of MEMS Gyroscopes Technology and Commercialization Status. www.invensense.com/shared/pdf/MEMSGyroComp.pdf
  2. Geen J., Krakauer D. New iMEMS® Angular-RateSensing Gyroscope., ADI Micromachined Products Division. www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-03/gyro.html
  3. Burg A., Meruani A., Sandheinrich B., Wickmann M. MEMS Gyroscopes and their Applications. clifton.mech.northwestern.edu/~me381/project/done/Gyroscope.pdf
  4. Watson W. S. Improved Vibratory Gyro Pick-off and Driver Geometry. Watson Industries, Inc. Symposium Gyro Technology. Stuttgart, Germany. Sept. 19, 2006. www.watson-gyro.com/files/gyro_technology_report.pdf
  5. Shkel A. M. Type I and Type II Micromachined Vibratory Gyroscopes. — Mechanical & Aerospace Engineering, University of California, Irvine. www.oxide.eng.uci.edu/publications/IEEE_PLANS_2006_Andrei_Shkel.pdf
  6. Xie Y., Li S.-S., Lin Y.-W., Ren Z., Nguyen C. T.-C. UHF Micromechanical Extensional Wine-Glass Mode Ring Resonators. Technical Digest, 2003 IEEE International Electron Devices Meeting, Washington, DC, Dec. 8–10, 2003. eecs.umich.edu/~ctnguyen/Research/…/extWG.iedm03.yxie.ctnguyen.pdf
  7. Ayazi F., Najafi K. Design and Fabrication of a High-Performance Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope., Center for Integrated Sensors and Circuits University of Michigan. Eleventh IEEE/ASME International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems. Heidelberg, Germany, Jan. 25–29, 1998. www.eecs.umich.edu/najafi/pdf/Paper_84.pdf
  8. Micromachined gyros. US Patent 6,122,961. Опубл. Sept. 26, 2000. (Geen, Analog Devices, Inc.)
  9. Micromachined gyros. US Patent 6,505,511. Опубл. Jan. 14, 2003 (Geen, Analog Devices, Inc.)
  10. Micromachined gyroscope. US Patent 6,877,374. Опубл. April 12, 2005. (Geen, Analog Devices, Inc.)
  11. Six degree-of-freedom micro-machined multisensor. US Patent 6,848,304. Опубл. Feb. 1, 2005 (Geen, Analog Devices, Inc.)
  12. www.analog.com
  13. Bosch Micromachined Sensorsystems in Series Production. Техническая информация Robert Bosch Corporation, Research and Technology Center.
  14. www.semiconductors.bosch.de
  15. www.systronauto.com
  16. www.infineon.com
  17. www.spp.co.jp/sssj/
  18. www.melexis.com

Как работает гироскоп – Телеканал “Наука”

Для успокоения морской качки, передвижении на гироскутере и ориентации картинки в телефоне служат совершенно разные устройства с общим названием

Для успокоения морской качки, передвижении на гироскутере и ориентации картинки в телефоне служат совершенно разные устройства с общим названием — гироскопы. Подборка видеороликов поможет вам разобраться в принципах работы современных систем стабилизации.

Механические гироскопы

Вращение придает объекту стабильность в пространстве, этот принцип используют детский волчок, тарелочка-фрисби и пуля нарезного оружия. Любой из этих предметов можно назвать гироскопом, противодействующим отклонению от оси вращения.

Если вращающийся объект будет закреплен на оси с несколькими степенями свободы, то получится роторный гироскоп. Как только ротор будет раскручен, его ось приобретает устойчивость в пространстве и старается сохранить ориентацию, заданную в начальный момент.

Чем больше масса ротора и скорость его вращения, тем выше способность такого гироскопа сохранять заданное положение главной оси. Так, установка успокоения качки для 10-метровой лодки в сборе весит около 350 кг и имеет ротор, вращающийся со скоростью от 6000 до 10 000 об/мин.

Управляющие системы по показаниям таких датчиков вычисляют текущее положение объекта и стабилизируют его при помощи электромоторов. Принцип работы хорошо виден на примере стабилизатора для видеосъемки. При просмотре ролика можно включить субтитры с переводом на русский.

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации

Расскажите друзьям

    • Околонаука

    Алгоритм сплетников и запор у скорпионов: объявлены победители Шнобелевской премии

    • Внеземное

    Похоже, ученые наконец разгадали тайну колец Сатурна

    • Физика всего

    Обнаружены новые фазовые состояния воды

  • На фестивале «Мир знаний» покажут фильмы телеканалов «Моя Планета» и «Наука»

  • Исследование: первая летающая рептилия появилась на Земле 260 млн лет назад

  • Челябинский метеорит, кристаллы

    Sergey Taskaev et al./European Physical Journal Plus, 2022

    В пыли Челябинского метеорита нашли невиданные ранее кристаллы

  • Shutterstock

    Тайны Черного моря

  • Shutterstock

    Ученые рассказали, какое поведение родителей лучше всего влияет на развитие мозга ребенка

  • Solar Dynamics Observatory

    Орбитальная обсерватория сняла эпическое видео транзита Луны по диску Солнца

  • Shutterstock

    Ученые выяснили, почему «королевы» муравьев живут в 5 раз дольше обычных рабочих

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Решения | Специальные Системы.

Фотоника

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является специализированным поставщиком и интегратором компонентов волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) и оборудования .

Мы всегда рады проконсультировать наших заказчиков и предоставить техническую поддержку. Обращаем Ваше внимание на то, что на базе нашей компании открыт сервисный центр по обслуживанию оборудования, проводятся тренинги и семинары.

Волоконно-оптический гироскоп. Эффект Саньяка

Волоконно-оптический гироскоп – оптико-электронный прибор, служащий для измерения абсолютной относительно инерциального пространства угловой скорости. Принцип действия основан на эффекта Саньяка.

Сущность эффекта: если в замкнутом оптическом контуре в противоположных направлениях распространяются два световых луча, то в неподвижном контуре, изменения фазы обоих лучей, прошедших весь контур, будут одинаковыми; при вращении этого контура вокруг оси, нормальной к его плоскости, изменения фазы отличаются. При этом разность фаз лучей пропорциональна угловой скорости вращения контура.

Следующие преимущества обусловливают популярность и разработку ВОГ:

  • Высокая точность;
  • Широкий динамический диапазон;
  • Малые габариты и масса;
  • Малое потребление энергии;
  • Отсутствие подвижных механических элементов;
  • Малое время перехода в рабочий режим.

Ниже приведена упрощённая оптическая схема волоконно-оптического гироскопа:

Оптическая часть схемы ВОГ

Основными элементами ВОГ являются:

  • чувствительный элемент – контур;
  • источник излучения;
  • фотоприёмник;
  • блок обработки сигналов.


Оптические волокна. Катушки волоконно-оптических гироскопов


Существует большое количество различных конструкций ВОГ. В большинстве из них при производстве контура – катушки, используются двулучепреломляющие (PM) оптические волокна. Основные типы PM волокон приведены ниже:

Принципиальная схема ОВ с двулучепреломлением, вызванным наведёнными механическими напряжениями,
где
а-ОВ типа PANDA; б-ОВ с эллиптичной оболочкой; в-ОВ с напрягающей эллиптичной оболочкой; г-ОВ «галстук-бабочка»

Выбор типа двулучепреломляющего волокна, его геометрических параметров, рабочей длины волны, типа защитного покрытия обусловлено рядом факторов, включающих условия эксплуатации, конструкции ВОГ. Например, стандартное акрилатное покрытие при низких температурах становится более жёстким, что приводит к появлению механических напряжений, ведущих к поляризационным преобразованиям в контуре по причине влияния эффекта фотоупругости. При эксплуатации космических навигационных систем на передний план выходит устойчивость ОВ к ионизирующему излучению.

Наша компания предлагает волокна от ведущих мировых производителей, зарекомендовавших себя в исследованиях, оптимизации параметров и производстве широкой линейки оптических волокон для ВОГ: Fibercore и iXblue Photonics. Минимальный диаметр кварцевой оболочки предлагаемых волокон: 40 мкм, рабочие длины волн: от 850 нм. Доступные конструкции волокон: галстук бабочка, PANDA, эллиптическая напрягающая оболочка, эллиптическая сердцевина. Также в линейке представлены как PM волокна для космических применений, так и в специальных защитных покрытиях.

           

Катушки PM волокна Fibercore и iXblue Photonics

Поляризующие оптические волокна


Многие производители предпочитают использовать поляризующее оптического волокно при производстве волоконных гироскопов. Компания Fibercore является лидером на рынке волокон такого типа, позволяющие добиться линейной поляризованности излучения более 40 дБ.

Принцип “отсечения” одной моды в поляризующих волокнах

Активные оптические волокна


При производстве ВОГ разработчики уделяют особое внимание широкополосным источникам излучения. Мы предлагаем широкую линейку  Fibercore и iXblue Photonics стандартных и радстойких волокон с различной степенью легирования.


Схема тестирования устойчивости активного волокна  к ионизирующему излучению

    Намотка катушек волоконно-оптических гироскопов


    Нежелательные эффекты, возникающие при температурном воздействии на катушку волоконно-оптического гироскопа частично нивелируются использованием одного из особых методов намотки, например, квадрупольной, октопольной. Правильно выполненная намотка обеспечивает более высокую чувствительность интерферометрической системы. Большое внимание также уделяется нанесению специального адгезива, в случае его использования.

    По этой причине намотку катушек ВОГ осуществляют с помощью прецизионных систем, позволяющих с высокой точностью контролировать процесс производства: шаг, натяжение, покрытие затвердевающим составом.

    Мы предлагаем популярные и зарекомендовавшие себя с положительной стороны как на отечественном, так и зарубежном рынках автоматические системы намотки. Также производителем оказываются услуги по конструированию и производству каркасов катушек.

    Автоматизированная станция для намотки катушек ВОГ KRCAM(F)-230D

    Многофункциональные интегрально-оптические схемы (МИОС)

    Многофункциональные интегрально-оптические схемы ВОГ выполняют следующие задачи: линейно поляризуют излучение, разветвляют излучение, направляя его во встречных направлениях волоконного контура, модулируют фазу сигнала с заданной частотой. По методу поляризации различают МИОС с поляризатором, сформированным на чипе (обычно в качестве основы используют кристалл ниобата лития), либо с волноводами, изготовленными по технологии протонного обмена.

    Мы предлагаем оба варианта от ряда производителей. Обращаем Ваше внимание на то, что доступны как корпусированный, так и некорпусированный варианты исполнения.

    Многофункциональная интегрально-оптическая схема

    Стыковка МИОС с волокном

    Стыковка PM оптических волокон с МИОС, как и с волноводом другого чипа – технологический процесс, требующий точной юстировки положения ОВ, осей двулучепреломления с последующей фиксацией волоконных выводов адгезивом.

    Мы также предлагаем системы автоматизированной стыковки от корейской компании FIBERPRO. Эти системы используются рядом ведущих исследовательских учреждений и производителей электрооптических модуляторов.