陀螺儀的選擇：其機械性能是最重要的參數 - 全文

　　簡介

　　選擇陀螺儀時，需要考慮將最大誤差源最小化。在大多數應用中，振動敏感度是最大的誤差源。其它參數可以輕松地通過校準或求取多個傳感器的平均值來改善。偏置穩定度是誤差預算較小的分量之一。

　　瀏覽高性能陀螺儀數據手冊時，多數系統設計師關注的第一個要素是偏置穩定度規格。畢竟，它描述的是陀螺儀的分辨率下限，理所當然是反映陀螺儀性能的最佳指標！然而，實際的陀螺儀會因為多種原因而出現誤差，使得用戶無法獲得數據手冊中宣稱的高偏置穩定度。的確，可能只有在實驗室內才能獲得那么高的性能。傳統方法是借助補償來最大程度地降低這些誤差源的影響。本文將討論多種此類技術及其局限性。最后，我們將討論另一種可選范式——根據機械性能選擇陀螺儀，以及必要時如何提高其偏置穩定度。

　　環境誤差

　　所有中低價位的MEMS陀螺儀都有一定的時間-零點偏置和比例因子誤差，此外還會隨溫度而發生一定的變化。因此，對陀螺儀進行溫度補償是很常見的做法。一般而言，陀螺儀集成溫度傳感器的目的就在于此。溫度傳感器的絕對精度并不重要，重要的是可重復性以及溫度傳感器與陀螺儀實際溫度的緊密耦合。現代陀螺儀的溫度傳感器幾乎毫不費力就能達到這些要求。

　　許多技術可以用于溫度補償，如多項式曲線擬合、分段線性近似等。只要記錄了足夠數量的溫度點，并且在校準過程中采取了充分的措施，那么具體使用何種技術是無關緊要的。例如，在每個溫度的放置時間不足是一個常見的誤差源。然而，無論采用何種技術，無論有多細心，溫度遲滯——即通過冷卻與通過加熱達到某一特定溫度時的輸出之差——都將是限制因素。

　　圖1所示為陀螺儀ADXRS453的溫度遲滯環路。溫度從+25℃變為+130℃，再變為–45℃，最后回到+25℃，與此同時記錄未補償陀螺儀的零點偏置測量結果。加熱周期與冷卻周期中的+25℃零點偏置輸出存在細微的差異（本例中約為0.2°/s），這就是溫度遲滯。此誤差無法通過補償來消除，因為無論陀螺儀上電與否，它都會出現。此外，遲滯的幅度與所施加的溫度“激勵”量成比例。也就是說，施加于器件的溫度范圍越寬，則遲滯越大。

　　圖1. 經歷溫度循環（–45℃至+130℃）時未補償ADXRS453的零點偏置輸出

　　如果應用允許啟動時復位零點偏置（即無旋轉時啟動），或者在現場將零點偏置調零，則可以忽略此誤差。否則，這就可能是偏置穩定度性能的一個限制因素，因為我們無法控制運輸或存儲條件。

　　抗振

　　理想情況下，陀螺儀僅測量旋轉速率，無關其他。但實際應用中，由于機械設計不對稱和/或微加工不夠精確，所有陀螺儀都有一定的加速度敏感度。事實上，加速度敏感度有多種

　　外在表現，其嚴重程度因設計而異。最顯著的通常是對線性加速度的敏感度（或g敏感度）和對振動校正的敏感度（或g2敏感度）。由于多數陀螺儀應用所處的設備是繞地球的1 g重力場運動和/或在其中旋轉，因此對加速度的敏感度常常是最大的誤差源。

　　成本極低的陀螺儀一般采用極其簡單緊湊的機械系統設計，抗振性能未經優化（它優化的是成本），因而振動可能會造成嚴重影響。1000°/h/g（或0.3°/s/g）以上的g敏感度也不足為奇，比高性能陀螺儀差10倍以上！對于這種陀螺儀，偏置穩定度的好壞并無多大意義，陀螺儀在地球的重力場中稍有旋轉，就會因為g和g2敏感度而產生巨大的誤差。一般而言，此類陀螺儀不規定振動敏感度——默認為非常大。

　　較高性能的MEMS陀螺儀則好得多。表1列出了幾款高性能MEMS陀螺儀的數據手冊所列規格。對于這一類別中的多數陀螺儀，g敏感度為360°/h/g（或0.1°/s/g），某些低于60°/h/g，遠遠優于極低成本的陀螺儀。但是，對于小到150 mg（相當于8.6°傾斜）的加速度變化，即使其中最好的陀螺儀也會超出其額定偏置穩定度。

　　有些設計師試圖利用外部加速度計來補償g敏感度（通常是在IMU應用中，因為所需的加速度計已經存在），這在某些情況下確實可以改善性能。然而，由于多種原因，g敏感度補償無法獲得完全的成功。大多數陀螺儀的g敏感度會隨振動頻率變化而變化。圖2顯示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺儀對振動的響應。注意，雖然陀螺儀的敏感度在額定規格范圍內（在一些特定頻率處略有超出，但這些可能不重要），但從DC到100 Hz，其變化率為12:1，因此無法簡單地通過測量DC時的敏感度來執行校準。確實，補償方案將非常復雜，要求根據頻率改變敏感度。

　　圖2. Silicon Sensing CRG20-01對不同正弦音的g敏感度響應

　　作為對比，圖3顯示的是陀螺儀ADXRS646在相似條件下的響應。事實上，有些陀螺儀比其它陀螺儀更容易進行g敏感度補償。不過遺憾的是，數據手冊幾乎從不提供此類信息，必須由用戶去探索，而且可能極耗精力，但在系統設計過程中，常常沒有時間等待驚喜出現。

　　圖3. Analog Devices ADXRS646對隨機振動（15 g rms， 0.11 g2/Hz）的g敏感度響應，1600 Hz濾波

　　另一個困難是將補償加速度計和陀螺儀的相位響應相匹配。如果陀螺儀和補償加速度計的相位響應匹配不佳，高頻振動誤差實際上可能會被放大！由此便可得出另一個結論：對于大多數陀螺儀，g敏感度補償僅在低頻時有效。

　　振動校正常常不作規定，原因可能是差得令人難堪，或者不同器件差異巨大。也有可能只是因為陀螺儀制造商不愿意測試或規定（公平地說，測試可能比較困難）。無論如何，振動校正必須引起注意，因為它無法通過加速度計進行補償。與加速度計的響應不同，陀螺儀的輸出誤差會被校正。

　　改善g2敏感度的最常見策略是增加一個機械抗振件，如圖4所示。圖中顯示的是一個從金屬帽殼封裝中部分移出的Panasonic汽車陀螺儀。該陀螺儀組件通過一個橡膠抗振件與金屬帽殼隔離。抗振件非常難以設計，因為它在寬頻率范圍內的響應并不是平坦的（低頻時尤其差），而且其減振特性會隨著溫度和使用時間而變化。與g敏感度一樣，陀螺儀的振動校正響應可能會隨頻率變化而變化。即使能夠成功設計出抗振件以衰減已知頻譜下的窄帶振動，此類抗振件也不適合可能存在寬頻振動的通用應用。

　　機械濫用引起的主要問題

　　許多應用中會發生常規性短期濫用事件，這些濫用雖然不致于損傷陀螺儀，但會產生較大誤差。下面列舉幾個例子。

　　有些陀螺儀可以承受速率過載而不會表現異常。圖5顯示了Silicon Sensing CRG20陀螺儀對超出額定范圍大約70%的速率輸入的響應。左邊的曲線顯示的是旋轉速率從0°/s變為500°/s再保持不變時CRS20的響應情況。右邊的曲線則顯示的是輸入速率從500°/s降為0°/s時該器件的響應情況。當輸入速率超出額定測量范圍時，輸出在軌到軌之間紊亂地擺動。

　　圖5. Silicon Sensing CRG-20對500°/s速率輸入的響應

　　有些陀螺儀在經受哪怕只有數百g的沖擊時，也會表現出“鎖定”的傾向。例如，圖6顯示的是VTI SCR1100-D04在經受250 g 0.5 ms沖擊時的響應情況（產生沖擊的方法是讓一個5 mm鋼球從40 cm的高度落在陀螺儀旁邊的PCB上）。陀螺儀未因沖擊而損壞，但它不再響應速率輸入，需要關斷再上電以重新啟動。這并非罕見現象，多種陀螺儀都存在類似的行為。檢查擬用的陀螺儀是否能承受應用中的沖擊是明智的。

　　圖6. VTI SCR1100-D04對250 g、0.5 ms沖擊的響應

　　顯然，此類誤差將大得驚人。因此，必須仔細找出給定應用中可能存在哪些濫用情況，并且驗證陀螺儀是否能經受得住。

　　誤差預算計算

　　如上所述，多數陀螺儀應用中都存在運動或振動情況。利用上文所示的數據手冊所列規格（如果沒有規定振動校正特性，則使用保守的估計值），表2列出了表1所示陀螺儀在不同應用中的典型誤差預算。從表3可以看出，增加g敏感度補償方案后，雖然抗振性能提高了半個數量級（絕非易事），但振動敏感度仍然是一個遠大于偏置穩定度的誤差來源。