Механические характеристики гироскопа: важнейший параметр.
Mar 24, 2025
Основные положенияПродукт: Высокопроизводительные гироскопыФункции:Точное измерение скорости вращения с низким уровнем смещения.Компенсация температурных и вибрационных ошибокСтабильность нулевого смещения как ключевой показатель производительностиВибрационная чувствительность (g-чувствительность и g2-чувствительность) влияет на производительность.Приложения:Аэрокосмическая, автомобильная, промышленная и бытовая электроникаПреимущества:Высокая точность с компенсацией температуры и вибрации.Повышенная стабильность при усреднении данных с нескольких устройств.Антивибрационные компоненты повышают производительность.Ограничения: Чувствительность к вибрации является основным источником ошибок.Стабильность при нулевом смещении может быть достигнута только в идеальных условиях.Механические воздействия могут влиять на производительность. Резюме: При выборе гироскопа необходимо учитывать минимизацию максимального источника ошибки. В большинстве случаев наибольшим источником ошибки является чувствительность к вибрации. Другие параметры можно легко улучшить путем калибровки или усреднения показаний нескольких датчиков. Стабильность нулевого смещения — один из компонентов с наименьшим допустимым уровнем ошибки. При изучении руководств по высокопроизводительным гироскопам первое, на что обращают внимание большинство разработчиков систем, — это спецификация стабильности нулевого смещения. В конце концов, она описывает нижний предел разрешения гироскопа и, естественно, является лучшим показателем, отражающим его производительность! Однако реальные гироскопы могут испытывать ошибки по различным причинам, что делает невозможным для пользователей достижение высокой стабильности нулевого смещения, заявленной в руководстве. Действительно, такая высокая производительность может быть достигнута только в лабораторных условиях. Традиционный метод заключается в использовании компенсации для минимизации влияния этих источников ошибок в максимально возможной степени. В этой статье будут рассмотрены различные такие технологии и их ограничения. Наконец, мы обсудим другую альтернативную парадигму — выбор гироскопов на основе их механических характеристик и способы повышения их стабильности смещения при необходимости. Экологическая ошибкаВсе MEMS-гироскопы средней и низкой ценовой категории имеют определенное смещение относительно нулевого момента времени и погрешность масштабирования, а также подвергаются определенным изменениям в зависимости от температуры. Поэтому температурная компенсация для гироскопов является распространенной практикой. В целом, цель интеграции датчиков температуры в гироскопы заключается именно в этом. Абсолютная точность датчика температуры не важна, важна повторяемость и тесная связь между показаниями датчика температуры и фактической температурой гироскопа. Датчики температуры современных гироскопов практически без усилий соответствуют этим требованиям. Для температурной компенсации можно использовать множество методов, таких как полиномиальная аппроксимация, кусочно-линейная аппроксимация и т. д. При условии регистрации достаточного количества температурных точек и проведения достаточных измерений в процессе калибровки, используемый метод не имеет значения. Например, недостаточный срок хранения при каждой температуре является распространенным источником ошибок. Однако, независимо от используемой технологии и степени тщательности, температурный гистерезис — разница в выходном сигнале между охлаждением и нагревом до определенной температуры — будет ограничивающим фактором. На рисунке 1 показана петля температурного гистерезиса гироскопа ADXRS453. Температура изменяется от +25 °C до +130 °C, затем до -45 °C и, наконец, обратно до +25 °C, при этом регистрируются результаты измерения нулевого смещения нескомпенсированного гироскопа. Наблюдается небольшая разница в выходном сигнале нулевого смещения при +25 °C между циклом нагрева и циклом охлаждения (приблизительно 0,2 °/с в этом примере), известная как температурный гистерезис. Эта ошибка не может быть устранена компенсацией, поскольку она будет возникать независимо от того, включен гироскоп или нет. Кроме того, величина гистерезиса пропорциональна величине приложенного температурного «возбуждения». То есть, чем шире диапазон температур, приложенных к устройству, тем больше гистерезис.Рисунок 1. Выходное напряжение нескомпенсированного ADXRS453 при нулевом смещении во время температурных циклов (-45 °C до +130 °C).Если приложение позволяет сбросить нулевое смещение при запуске (т.е. при запуске без вращения) или обнулить нулевое смещение на месте, эту ошибку можно игнорировать. В противном случае это может стать ограничивающим фактором для стабильности нулевого смещения, поскольку мы не можем контролировать условия транспортировки или хранения. Анти-вибрацияВ идеальной ситуации гироскоп измеряет только скорость вращения и больше ни с чем не связан. Однако на практике, из-за асимметричной механической конструкции и/или недостаточной точности микроизготовления, все гироскопы обладают определенной степенью чувствительности к ускорению. Фактически, чувствительность к ускорению имеет различные внешние проявления, и ее выраженность варьируется в зависимости от конструкции. Наиболее значительной обычно является чувствительность к линейному ускорению (или g-чувствительность) и чувствительность к коррекции вибрации (или g2-чувствительность). Поскольку большинство гироскопов используются в устройствах, которые движутся и/или вращаются в гравитационном поле 1g вокруг Земли, чувствительность к ускорению часто является наибольшим источником ошибки. Недорогие гироскопы, как правило, имеют чрезвычайно простую и компактную конструкцию механической системы, а их антивибрационные характеристики не оптимизированы (оптимизация производится в убыток), поэтому вибрация может вызывать серьезные последствия. Неудивительно, что чувствительность к g превышает 1000 °/ч/g (или 0,3 °/с/g), что более чем в 10 раз выше, чем у высокопроизводительных гироскопов! Для этого типа гироскопов стабильность нулевого смещения имеет небольшое значение. Небольшое вращение гироскопа в гравитационном поле Земли может вызвать значительные ошибки из-за его чувствительности к g и g2. В целом, для этого типа гироскопов не указывается чувствительность к вибрации — по умолчанию она очень высокая. Некоторые разработчики пытаются использовать внешние акселерометры для компенсации чувствительности к перегрузкам (обычно в приложениях IMU, где необходимый акселерометр уже существует), что действительно может улучшить производительность в определенных ситуациях. Однако по разным причинам компенсация чувствительности к перегрузкам не может обеспечить полного успеха. Чувствительность к перегрузкам большинства гироскопов изменяется в зависимости от частоты вибрации. На рисунке 2 показана реакция гироскопа Silicon Sensing CRG20-01 на вибрацию. Следует отметить, что, хотя чувствительность гироскопа находится в пределах номинального диапазона (с небольшим превышением на некоторых конкретных частотах, что может быть неважно), скорость изменения от постоянного тока до 100 Гц составляет 12:1, поэтому калибровку нельзя просто выполнить путем измерения чувствительности на постоянном токе. Действительно, план компенсации будет очень сложным, требующим изменения чувствительности в зависимости от частоты.Рисунок 2. Зависимость чувствительности датчика Silicon Sensing CRG20-01 от g от различных синусоидальных тонов.Ещё одна сложность заключается в согласовании фазовой характеристики компенсирующего акселерометра и гироскопа. Если фазовая характеристика гироскопа и компенсирующего акселерометра плохо согласована, ошибки высокочастотной вибрации могут фактически усиливаться! Из этого можно сделать ещё один вывод: для большинства гироскопов компенсация чувствительности к перегрузкам эффективна только на низких частотах. Калибровка вибрации часто не регулируется, возможно, из-за существенных различий или значительных различий между различными компонентами. Также возможно, что это просто потому, что производители гироскопов не желают тестировать или регулировать (справедливости ради, тестирование может быть затруднительным). В любом случае, коррекцию вибрации необходимо учитывать, поскольку она не может быть компенсирована акселерометром. В отличие от характеристики акселерометра, ошибка выходного сигнала гироскопа будет скорректирована. Наиболее распространенная стратегия повышения чувствительности gВторой способ заключается в добавлении механического антивибрационного компонента, как показано на рисунке 3. На рисунке показан автомобильный гироскоп Panasonic, частично извлеченный из металлического корпуса. Компонент гироскопа изолирован от металлического корпуса резиновым антивибрационным элементом. Разработка антивибрационных компонентов очень сложна, поскольку их отклик не является плоским в широком диапазоне частот (особенно плох на низких частотах), а их демпфирующие характеристики изменяются в зависимости от температуры и времени использования. Как и чувствительность, реакция коррекции вибрации гироскопа может изменяться в зависимости от частоты. Даже если антивибрационные компоненты могут быть успешно разработаны для ослабления узкополосных вибраций в известном частотном спектре, такие антивибрационные компоненты не подходят для общего применения, где могут существовать широкополосные вибрации.Рисунок 3. Типичные компоненты антивибрационной защиты.Основные проблемы, вызванные механическими повреждениями.Во многих приложениях могут возникать кратковременные ситуации неправильной эксплуатации, которые, хотя и не приводят к повреждению гироскопа, могут вызывать значительные ошибки. Вот несколько примеров.Некоторые гироскопы способны выдерживать перегрузку по скорости вращения без каких-либо отклонений. На рисунке 4 показана реакция гироскопа Silicon Sensing CRG20 на входные сигналы со скоростью вращения, превышающей номинальный диапазон примерно на 70%. Кривая слева показывает реакцию CRS20 при изменении скорости вращения от 0 °/с до 500 °/с и при сохранении постоянной скорости. Кривая справа показывает реакцию устройства при уменьшении входной скорости от 500 °/с до 0 °/с. Когда входная скорость превышает номинальный диапазон измерения, выходной сигнал случайным образом колеблется между дорожками.Рисунок 4. Реакция кремниевого датчика CRG-20 на входной сигнал со скоростью 500 °/с. Некоторые гироскопы проявляют тенденцию к «блокировке» даже при ударах массой всего в несколько сотен грамм. Например, на рисунке 5 показана реакция VTI SCR1100-D04 на удар силой 250 г в течение 0,5 мс (метод создания удара заключается в падении стального шарика диаметром 5 мм с высоты 40 см на печатную плату рядом с гироскопом). Гироскоп не был поврежден ударом, но перестал реагировать на входные данные частоты и требует выключения и повторного включения для перезапуска. Это не редкое явление, поскольку различные гироскопы демонстрируют аналогичное поведение. Целесообразно проверить, сможет ли предлагаемый гироскоп выдержать удар в условиях эксплуатации.Рисунок 5. Реакция VTI SCR1100-D04 на удар силой 250 g, длительностью 0,5 мс.Очевидно, что подобные ошибки будут поразительно большими. Поэтому необходимо тщательно выявлять потенциальные ситуации злоупотребления в конкретном приложении и проверять, может ли гироскоп их выдержать. Выбор новой парадигмыВ оценке погрешностей стабильность нулевого смещения является одним из наименьших компонентов, поэтому при выборе гироскопа более разумным подходом является минимизация максимального источника погрешности. В большинстве приложений наибольшим источником погрешности является чувствительность к вибрации. Однако иногда пользователям может потребоваться более низкий уровень шума или лучшая стабильность нулевого смещения, чем у выбранного гироскопа. К счастью, у нас есть способ решить эту проблему — взять среднее значение. В отличие от связанных с конструкцией погрешностей, вызванных воздействием окружающей среды или вибрацией, погрешность стабильности нулевого смещения большинства гироскопов имеет шумовые характеристики. Иными словами, стабильность нулевого смещения разных устройств не коррелирует. Поэтому мы можем улучшить показатели стабильности нулевого смещения, усредняя значения для нескольких устройств. Если усреднить значения для n устройств, ожидаемое улучшение составит √n. Широкополосный шум также можно уменьшить аналогичным методом усреднения. ЗаключениеДолгое время стабильность нулевого смещения считалась абсолютным стандартом для характеристик гироскопов, но на практике чувствительность к вибрации часто является более серьезным фактором, ограничивающим производительность. Выбор гироскопа на основе его устойчивости к вибрациям является более серьезным.-Показатели виброустойчивости находятся на приемлемом уровне, поскольку другие параметры легко улучшить путем калибровки или усреднения данных с нескольких датчиков. Приложение: Расчет погрешностей, вызванных вибрациейДля расчета погрешности, вызванной вибрацией в конкретном приложении, необходимо понимать ожидаемую амплитуду ускорения и частоту, с которой это ускорение может возникать.l Во время бега обычно наблюдается пиковое значение в 2 грамма, что составляет примерно 4% времени.l Вибрация вертолета достаточно стабильна. Большинство технических характеристик вертолетов предусматривают широкополосную вибрацию 0,4 g и 100% рабочий цикл.l Суда (особенно небольшие лодки) в условиях турбулентности могут крениться до ± 30° (что вызывает вибрацию ± 0,5 g). Коэффициент заполнения можно принять равным 20%.l Для строительной техники, такой как выравниватели и фронтальные погрузчики, при столкновении отвалов или ковшей с камнями будет возникать высокая перегрузка (50 g) и кратковременный удар. Типичное значение рабочего цикла составляет 1%. При расчете погрешности, вызванной вибрацией, необходимо учитывать чувствительность g и g2. На примере применения в вертолетах расчет выглядит следующим образом:Ошибка = [ошибка чувствительности g] + [ошибка чувствительности g2]=[0,4 гхг чувствительность x 3600 с/ч x 100%]+[(0,4 г) 2 × g2 чувствительность × 3600 с/ч × 100%]Если чувствительность g компенсируется акселерометром, то уменьшается только чувствительность g, и это уменьшение представляет собой коэффициент компенсации. MG502Высокоточные одноосевые MEMS-гироскоперы MG-502 --
ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ СЕТЬ
русский
