激光陀螺专用控制芯片的温度采集功能实现讲解
MEMS陀螺仪芯片级温控系统的设计
MEMS陀螺仪芯片级温控系统的设计曹慧亮;杨波;徐露;李宏生;王寿荣【摘要】To improve the temperature characteristic of a micro electro mechanical system (MEMS) gyroscope, an on-chip temperature-controlling system is designed based on the gyroscope structure chip TC10 designed by Southeast University. First, the material and structure of a micro heater and a micro thermal resistance are discussed and the working principle of the temperature-controlling system is analyzed. Then, the temperature model of the gyroscope chip is established. The proportion integration differentiation (PID) parameters are determined by using the Ziegler-Nichols method. The system model is simulated, and the rapidity and stability of the system is proved. Finally, the controlling circuit is designed through combining the model and the PID parameters. The temperature curve of the micro thermal resistance is drawn through the temperature experiments. The results show that the temperature in gyroscope chip can be controlled near the controlling point in thermal experiments. With the temperature controlling, when the ambient temperature ranges from -20 to 60 t, the temperature variation in gyroscope chip decreases from 78.453 to 4. 949 t, and the variation of drive mode resonance frequency changes from 3.76 to 0.48 Hz, which proves the feasibility of the on-chip temperature-controlling technology.%为了提高MEMS陀螺仪的温度性能,基于东南大学自主设计的TC10号温控陀螺表头,设计了一种芯片级温控系统.首先,研究了微加热丝和微热敏电阻的材料、结构以及表头的加工工艺,分析了温控系统的工作原理.然后,建立了表头内部的温度模型,利用Ziegler-Nichols经验参数法,确定了PID参数并进行系统仿真,验证了控制系统的快速性和稳定性.最后,结合模型和仿真参数设计了温控电路,并通过温度实验得到了微热敏电阻的温度特性曲线.结果显示:温控系统可将表头内温度控制在设定温度点附近；表头腔内温度和驱动模态谐振频率在-20～60℃范围内的变化量分别由温控前的78.453℃和3.76 Hz下降到温控后的4.949℃和0.48 Hz,由此验证了芯片级温控技术的可行性.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(043)001【总页数】5页(P55-59)【关键词】芯片级温控;MEMS陀螺仪;温度模型;谐振频率【作者】曹慧亮;杨波;徐露;李宏生;王寿荣【作者单位】东南大学仪器科学与工程学院,南京210096;东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室,南京210096【正文语种】中文【中图分类】V241.6MEMS陀螺仪凭借其体积小、成本低、可批量生产等优点已成为一种广泛应用的惯性仪表，但受精度的限制，它只能应用于低精度场合.影响其性能的因素很多，温度是其中一个重要因素.由于制作表头机械结构的硅材料对温度变化非常敏感，因此温度的变化会对硅微机械陀螺仪敏感结构造成很大影响，继而降低陀螺仪的整体性能［1－3］.通常提高陀螺温度性能的方法有3种［4－5］:① 材料和结构的改进，即采用低温度敏感性的材料和结构.该方法实现较为困难，也最为复杂，难以在较短时间内提升陀螺的温度特性.②温度补偿，即在对陀螺仪输出信号进行处理时采用软件算法补偿.但这种方法只适应于温度重复性较好的陀螺仪，而且不同的陀螺仪温度特性差异很大，需要采取不同的补偿方法.③温度控制，即使整个陀螺仪或惯性测量系统工作环境温度尽量恒定.但陀螺仪温度模型存在一个比较大的延时环节，而且温度监控点的选取比较困难，导致控制精度不够理想，此外还会加大系统功耗.通常情况下，陀螺的敏感结构被封装在一个腔体内.这种封装方式不仅可保护敏感结构，还能为其提供一个真空工作环境，降低空气阻尼系数，提高品质因数.所谓芯片级温控技术，就是在这个小的真空腔内利用微热敏电阻器和微加热丝对温度进行监控，稳定真空腔内温度，减少外界环境温度变化对陀螺敏感结构的影响.该技术不仅可缩短温度模型的滞后时间、降低功耗、提高温控精度，还可以与 MEMS陀螺结构集成，便于批量生产［6－7］.本文首先研究了微结构的设计、温度仿真以及加工工艺;然后，基于温控陀螺表头对温控系统进行了设计、仿真;最后，通过温度实验的对比，证明温控系统能有效地稳定陀螺结构附近的温度，改善陀螺的温度特性.以导热性能差的玻璃为基座，并以之作为绝热层.将铂钛合金材料加工而成的微加热丝RL和热敏电阻RS分布于绝热层上，将硅材料加工而成的陀螺敏感结构置于其顶端(见图1(a)和(b)).RL沿锚点内侧分布，以尽量保证陀螺结构快速、均匀受热;RS分布在微加热丝周围，以检测结构周围温度.整个结构被封装在陶瓷真空腔内［7－8］.在结构设计完成后，为了验证其加热性能以及热量的分布，利用ANSYS 软件进行仿真，得到加热层和陀螺结构层的温度分布图(见图1(c)和(d)).由图可知，加热丝可以为陀螺结构提供必要的温度，陀螺结构的中心温度和周围温度之差在1℃以内，且温度分布均匀.芯片级温控陀螺整体结构的加工采用SOG工艺［9］.加工过程如图2所示.温控系统工作时，微加热丝RL在外部驱动电压的作用下产生热量.热量通过辐射的方式在封装腔内扩散.由于底部的玻璃层导热性能差，绝大部分热量被加热丝上方陀螺结构吸收.热电阻RS敏感腔内的温度.温控系统的电路包含热敏电阻信号提取电路、PID控制电路(输出端的二极管可防止负电压使RL受热)、电压基准电路和功率驱动电路(见图3).整个环路组成了一个自动增益控制系统，芯片内部的温度点受电压基准控制.当表头温度小于设定值时，前级放大模块输出的电压绝对值小于电压基准，比较器输出正电压使PID控制器输出为正，二极管导通，驱动电路工作，加热电阻产生热量，表头内温度升高;当表头内温度超过设定值时，前级放大信号大于电压基准，比较器输出信号反相，PID控制器输出为负，二极管截止，导致驱动电路输入端信号为零，此情况下加热丝的驱动电压很小(约为几个mV)，无法产生热量，同时，随着表头内热量的向外扩散，表头内温度降低.在这种动态调节的作用下，表头内部温度最终可稳定在设定值附近，从而达到温控的目的.需要注意的是，由于加热丝RL 只能通过加热的方式控制温度，故陀螺表头的工作温度控制点应设定在外界环境测试温度的上限(60℃)以上，以保证在外界温度变化范围内系统一直处于加热的工作状态.同时，为了尽量减小系统的加热功耗，将陀螺表头工作温度点设定为65℃.首先，建立了一个关于RL两端加热电压与RS检测到的温度信息的关系模型.温度控制系统是一种一阶惯性加纯延时系统，其传递函数为［10］式中，K为放大系数;H为惯性时间常数;L为延迟时间.本文通过阶跃响应法确定上述参数.当测试温度为0℃时，在RL两端加上阶跃电压，将RS阻值转换成温度信号，绘制阶跃响应图(见图4).由图4可知，系统在10 s内可以达到稳定状态，且其延时较小，有利于温控系统的设计.基于特征面积法，从图4中提取曲线面积特征，并根据下式计算得到参数K，H，L:式中，y(∞)=65℃为系统稳态值;u0=5 V为阶跃电压输入值;t0=0.02 s为采样周期;mr为系统上升到稳态值所需的时间;y(t)为t时刻的温度值;m为总采样点数.温控系统的PID参数由Ziegler-Nichols经验参数法来确定，其经验参数公式见表1.根据温控系统原理，在Matlab软件中建立系统模型.代入表2中的参数，即可得到仿真结果(见图5).图5(a)中，K0为环路前置放大倍数;C为温度设定值.由图5(b)可知，系统在较短时间内可将温度稳定在控制点65℃.根据仿真模型和参数，设计温控电路，并进行温度实验.图6为TC10陀螺仪实验设备照片.为了反映陀螺表头内真实温度，采用高精密热敏电阻对RS进行标定，并通过多次全温实验对其重复性进行验证.结果表明，RS具有很好的重复性，而且在全温范围内还有较好的线性度.经最小二乘法拟合，可以得到RS和温度T的关系为对陀螺仪在全温(－20～60℃)范围内进行了测试，每隔20℃对RS和驱动模态的谐振频率fd进行记录(到达每个温度点时保温30 min后再采集数据)，结果见图7.从图中可以看出，温控系统工作后，陀螺表头内部的温度变化量明显减小.RS在全温范围内的变化量由温控前的近77 Ω减小到了温控后的5 Ω.将图7(a)中的数值代入式(3)中，可得表头封装内的温度变化范围如下:温控前表头的内部温度由－19.987℃上升到了58.466℃，变化了78.453℃;温控后表头的内部温度由61.561℃上升到了66.510℃，变化了4.949℃.由此可知，表头内温度明显得到稳定.硅材料对温度变化十分敏感.表头结构尺寸和杨氏模量等参数会随温度发生变化，从而影响支撑梁的等效刚度系数，致使驱动模态的谐振频率fd在全温范围内变化很大(见图7(b).温控前fd的温度系数为1.72×10－5/℃;加入温控系统后，硅结构周围温度变化不大，fd在全温范围内趋于稳定，温度系数降为2.21×10－6/℃.为了进一步验证常温和全温范围内芯片级温控陀螺中温控系统的稳定性，在陀螺完全冷却的条件下常温开机1 h，升温至60℃，稳定后降温至－20℃，fd的变化曲线图见图7(c).从图中可以看出，在整个测试过程中，fd变化较平稳，且变化范围较小，由此证明了温控的有效性和可靠性.同时，也暴露了上电后fd稳定时间较长(约10 min)的问题，产生的主要原因可能是:①加热丝产生的温度虽然在很短时间内影响了热敏电阻RS，但热量在陀螺结构上完成分布需要一段更长的时间;②测试电路开始工作后会产生热量，随着陀螺仪外壳内温度逐渐达到平衡，fd趋于稳定. MEMS陀螺仪芯片级温控技术克服了传统温控方法中模型滞后时间长、温度监测点选取困难的缺点，可以和表头结构加工相结合，发挥MEMS陀螺可集成化、可批量生产的优势.本文在－20～60℃的测试温度范围内，对东南大学自主研发的芯片级温控陀螺仪TC10进行了温控实验，并利用热敏电阻对表头内实际温度进行了监测.结果显示，在有温控系统作用的情况下，陀螺表头内部的温度被稳定在设定值附近，变化范围下降了一个数量级.驱动模态谐振频率的温度系数从温控前的1.72×10－5/℃下降到了温控后的2.21×10－6/℃，由此证明了该技术的可行性.此外，温度实验还验证了微热敏电阻和加热丝的重复性和稳定性，为下一阶段的改进设计提供了依据.【相关文献】［1］王寿荣.硅微型惯性器件理论及应用［M］.南京:东南大学出版社，2000:22－34.［2］Fang Jiancheng，Li Jianli.Integrated model and compensation of thermal errors of silicon micro electro mechanical gyroscope［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2009，58(9):2923－2930.［3］Xia D Z，Chen S L，Wang S R.Microgyroscope temperature effects and compensation-control methods［J］.Sensors，2009，9(10):8349－8376.［4］王淑娟，吴广玉.惯性器件温度误差补偿方法综述［J］.中国惯性技术学报，1998，6(3):44－49.Wang Shujuan，Wu Guangyu.A summary of the methods for compensating temperature error of inertial devices［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，1998，6(3):44－49.(inChinese)［5］盛霞，王寿荣，陈淑铃，等.硅微机械陀螺仪温度控制系统的PID算法实现［J］.测控技术，2010，29(8):4－7.Sheng Xia，Wang Shourong，Chen Shuling，et al.Temperature control system of silicon micromachined gyroscope realized by PID algorithm［J］.Measurement＆Control Technology，2010，29(8):4－7.(in Chinese).［6］Lee S H，Cho J，Lee S W，et al.A low-power ovencontrolled vacuum package technology for high-performance MEMS［C］//Proceedings of the 22nd IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems.Sorrento，Italy，2009:753－756.［7］Xu Lu，Yang Bo，Wang Shourong，et al.Research on thermal characteristics andon-chip temperature-controlling for silicon micro-gyroscope［C］//Proceeding of the 2001 IEEE International Conference on Information and Automation.Shenzhen，China，2011:807－812.［8］Xu Lu，Yang Bo，Wang Shourong，et al.On-chip temperature-control technologyfor silicon micro-gyroscope［J］.Key Engineering Materials，2011，483:228－231.［9］何晓磊，苏岩.采用DDSOG工艺加工Z轴微机械陀螺仪实验［J］.东南大学学报:自然科学版，2005，35(4):545－548.He Xiaolei，Su Yan.Fabrication of Z-axis micro-machined gyroscope with DDSOG process ［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2005，35(4):545－548.(in Chinese)［10］陈淑铃.硅微陀螺仪温度稳定性研究［D］.南京:东南大学仪器科学与工程学院，2010.。
激光陀螺原理
激光陀螺原理
激光陀螺原理
激光陀螺原理是利用两个激光束来控制陀螺仪的旋转速度及方
向的一种新原理。
它可以实现陀螺仪精密控制。
激光陀螺的基本原理：在陀螺仪转动方向上间隔设置两个激光源，激光源的转动速度与陀螺仪的转动速度一样，激光源的频率为两激光源频率差值，即ΔΩ。
当陀螺仪转动时，由于两激光光束是垂直的，激光源产生的光斑会交错，产生ΔΩ信号用于控制陀螺仪的转速，从而控制陀螺仪的旋转方向。
激光陀螺技术的优点是它可以实现精确精度的控制，在对称转动情况下可以达到百万分之一的精确控制，可以大大提高定位精度。
可应用于三维空间测量、晶体结构衍射、太阳能定向等领域。
激光陀螺原理的主要缺点是成本高，而且激光陀螺受到温度、压力等外界环境影响，可靠性也不是特别高。
因此，激光陀螺的应用一般都涉及到高精度的场合，比如航空航天、精密机械等行业。
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基于TMS320C6713的激光陀螺数据采集电路设计
基于TMS320C6713的激光陀螺数据采集电路设计马得草【摘要】介绍了基于TMS320C6713和EP1C3T144C8设计的激光陀螺数据采集电路,以DSP为处理核心,利用FPGA芯片采集激光陀螺输出的的方波信号,编码后送至处理器并实现低通滤波,再通过FPGA将数据输出至上位机.在FPGA和DSP 之间的数据传输使用异步FIFO结构,避免了因突发情况而丢失部分数据.根据FPGA 发送的帧格式编写了相应的上位机软件.实际应用表明,该采集电路结构简单,稳定性好,能够满足日常激光陀螺测试的需要.%Design of data acquisition circuit of laser gyro based on TMS320C6713 and EP1C3T144C8 is introduced, taking DSP as the core of operation, the square wave produced by a laser gyro is sent to FPGA and coded, the data from FPGA are processed with a low-pass filter in DSP and sent to host computer by FPGA. Data transfer between the FPGA and DSP using asynchronous FIFO structure , to avoid the situation due to sudden loss of some data. The preparation of the corresponding PC software according to the data frame transmitted by FPGA.The practical application shows that the design of the acquisition circuit has simple structure and high stability , and can meet the daily test of laser gyros.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)004【总页数】4页(P63-65,70)【关键词】激光陀螺;低通滤波;DSP;FPGA;数据采集【作者】马得草【作者单位】国防科技大学光电科学与工程学院,湖南长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】TP274激光陀螺由于可提取反向行波频率差和光强差的信息，从而对各种非互易效应如转动的感测具有很高的灵敏度，已广泛应用于舰船、潜艇和高性能飞行器中[1]。
激光陀螺有什么用？工作原理是什么？
激光陀螺有什么用？工作原理是什么？激光陀螺具有很多重要的军事应用，随着技术进步，它的性能将会越来越好，完全替代传统的机电陀螺，在惯性导航定位、制导系统以及姿态控制和稳定系统中更好地体现和发挥核心作用，增强它们的导航定位、姿态控制、精确制导等能力，大幅提升以导弹为代表的精确打击武器的战斗力。
“陀螺原理”及传统陀螺先从陀螺说起。
许多人小时候一定玩过一种玩具陀螺“冰猴”。
脚尖身圆的“冰猴”放在地上，用一根绳子做的鞭子猛抽“冰猴”，“猴身”就能转起来，用鞭子抽得越狠，它就转得越飞快，不会倒下。
在日常生活中，我们也发现：如果一个物体旋转时速度很快，它就会稳定地立在一个地点不动，转速足够快的时候，即使平板倾斜一些，它仍然不会倒，并且转轴始终指向一个固定方向。
这就是物体的“定轴特性”。
科学家利用“定轴特性”制造出能定向和定位的陀螺仪，通过将陀螺定轴方向与运载体的轴心相比对，就能得出运载体的正确方向和瞬时位置。
而以陀螺仪为核心部件，进而组装出惯性导航系统或制导系统。
因此，陀螺是航天、航空、航海装备及很多武器装备在作战中不可缺少的定位和导航装置。
传统的惯性陀螺主要是指机电陀螺，但其稳定性以及定向与定位精度不够，不能满足现代武器精确打击的要求。
科研人员一直希望能找到更好的陀螺仪，帮助运载体精确定位与定向、稳定运行，更好地发挥武器的效能，激光陀螺无疑是一种很好的替代品。
何为激光陀螺?科技名词定义：激光陀螺，学名“环形激光器”。
实际上是一种无质量的光学陀螺仪，利用环形激光器在惯性空间转动时正反两束光随转动而产生频率差的效应，测定敏感物体相对于惯性空间的角速度或转角，进而测定物体方向等。
原理：一束光经分光器被分成完全相同的两束光后，进入同一环形光回路，分别沿顺时针方向和逆时针方向相向传播。
如果让光回路绕垂直于自身的轴旋转起来，这两束光之间会产生相位差，利用光的干涉性能测出相位差，进而得出光回路旋转的角速度。
如果光回路被制成一个环形激光器，其中传播的光就是方向性好、聚束性强、相干性优的激光，因此就形成了一个能通过敏感角速度来测定方向与姿态并具有快速寻北与稳定作用的激光陀螺。
激光陀螺仪的工作原理
激光陀螺仪的工作原理
激光陀螺仪，也称作无接触式陀螺仪，是一种非常先进的仪器，它可以被应用在多种领域。
它使用激光来测量物体或结构的旋转，移动和位置。
本文将讨论激光陀螺仪的工作原理，并分析其应用。
激光陀螺仪的工作原理是基于激光的检测原理，即激光发射器发出一束激光，它会反射到物体，然后被激光探测器收集（通常是另一台激光探测器）。
检测到的激光的波长和强度可以用来计算物体的移动，旋转和位置。
激光陀螺仪具有很高的精度，且用于测量物体的旋转和移动，可以比常规的机械测量仪更准确，更快速。
无论是垂直运动、水平运动还是旋转，激光陀螺仪都能更准确地测量物体的运动。
此外，激光陀螺仪可以测量大量的物体，而且可以使用多种不同的激光发射器，例如可以使用固态或液态激光发射器。
激光陀螺仪有多种应用，例如机器人臂控制、航空航天设备检测、智能交通视觉测量、虚拟现实和建筑物动态模拟，等等。
激光陀螺仪可以用于传感器仪器系统中，以实现无接触式检测，从而满足不同用途的需求。
此外，激光陀螺仪还可以在机器人系统中使用，它可以实现精确的机器人操作，可以用来测量和控制机器人的运动，帮助机器人执行复杂的动作。
值得一提的是，激光陀螺仪可以在极低的误差范围内测量，可以节省机器人运动的时间和精力。
总之，激光陀螺仪是一种非常先进的仪器，它可以应用于传感器
仪器系统、机器人系统和其他多种领域来实现精确的测量。
以上是有关激光陀螺仪的工作原理和应用的讨论，希望能够帮助到大家。
激光陀螺仪工作原理
激光陀螺仪工作原理嘿，朋友！你有没有想过，在我们这个科技飞速发展的时代，有那么多神奇的小玩意儿在默默地为我们的生活和各种高大上的工程助力呢？今天我就想跟你聊聊激光陀螺仪，这可是个超级厉害的家伙！我有个朋友，他是搞航空航天研究的。
有一次我去他的实验室，看到一个不大不小的装置，感觉很神秘。
我就好奇地问他：“这是啥呀？看起来这么酷。
”他就一脸自豪地告诉我：“这就是激光陀螺仪，可是我们这儿的宝贝呢！”当时我就蒙了，激光陀螺仪？这名字听起来就像是科幻电影里的东西。
那这个激光陀螺仪到底是怎么工作的呢？其实啊，你可以把它想象成一个超级精密的小宇宙。
激光陀螺仪里面有一个环形的光路，就像是一条环形的跑道一样。
激光呢，就像一个个超级小的运动员，在这个环形跑道里跑来跑去。
这里面的激光可不是一般的光哦。
它具有非常好的单色性和相干性。
这就好比是一群训练有素、纪律严明的士兵，行动起来整齐划一。
激光在这个环形光路里传播的时候，会产生一种叫做萨格纳克效应的现象。
这萨格纳克效应说起来有点复杂，简单来讲呢，就像是两个人在一个旋转的圆盘上沿着不同方向跑步。
如果圆盘不转，那两个人跑的路程是一样的。
但是一旦圆盘开始旋转，沿着圆盘旋转方向跑的那个人跑的路程就会比反方向跑的那个人长一些。
激光在旋转的环形光路里传播也是类似的道理。
那这个路程的差异怎么被检测到呢？这时候就要靠一些聪明的小设备啦。
当激光在环形光路里跑完一圈后，由于萨格纳克效应产生的相位差就会被检测出来。
这相位差就像是一个小暗号，告诉我们这个激光陀螺仪有没有转动，转动的速度和方向是怎样的。
我当时就问我朋友：“这检测出来的相位差能有多精确啊？”他眼睛放光地说：“那可相当精确了，就像你能精确地知道一根头发丝的千分之一的变化一样。
”激光陀螺仪的精度这么高，在很多地方都能大显身手。
比如说在飞机上，飞机在空中飞的时候，需要时刻知道自己的姿态和航向。
要是没有准确的陀螺仪，就像一个人在黑暗里走路没有方向感一样，那可太危险了。
陀螺仪芯片
陀螺仪芯片陀螺仪芯片是一种能够测量物体角速度或者角位移的芯片，由于其在导航、航天、无人驾驶等领域的广泛应用，对其进行深入的研究和了解非常有必要。
陀螺仪芯片的原理是基于陀螺效应。
陀螺效应是指当一个旋转的物体受到外力影响时，它会在垂直于旋转轴的方向上产生一个力矩。
陀螺仪芯片利用这个原理来测量物体的角速度或者角位移。
陀螺仪芯片通常由感测器和相关的电路组成。
感测器通常是一个微型的旋转体或者平板，它可以在不受外力的情况下自由旋转。
当物体发生旋转时，感测器会受到陀螺效应的作用，产生一个相应的输出信号。
电路会对这个信号进行处理和放大，然后通过数字转换器转换为数字信号，最后输出给用户。
陀螺仪芯片的主要优点是具有高精度、高稳定性和高灵敏度。
它可以实时测量物体的角速度或者角位移，并且具备极高的准确性。
在航天和导航领域，陀螺仪芯片可以用来测量航天器的角位移，从而实现精确的控制和导航。
在无人机领域，陀螺仪芯片可以用来测量无人机的角速度，从而实现稳定的飞行。
陀螺仪芯片的应用还不仅限于导航和航天领域，它也可以用于智能手机、电脑游戏、运动监测器等产品中。
在智能手机中，陀螺仪芯片可以用来实现屏幕自动旋转功能。
在电脑游戏中，陀螺仪芯片可以用来实现体感操作，提升游戏体验。
在运动监测器中，陀螺仪芯片可以用来测量人体的运动情况，从而实现步数计数、卡路里消耗等功能。
陀螺仪芯片的未来发展方向是进一步提高其精度和准确性，并且降低其成本。
随着科技的不断发展，陀螺仪芯片也会越来越小型化、集成化和智能化。
它将会在更多的领域展现出其强大的应用潜力，给人们的生活带来更多的便利和创新。
总而言之，陀螺仪芯片是一种能够测量物体角速度或者角位移的芯片。
它具有高精度、高稳定性和高灵敏度的优点，并且在导航、航天、无人驾驶等领域有着广泛的应用。
随着科技的发展，陀螺仪芯片将会继续发展壮大，给人们的生活带来更多的便利和创新。
激光陀螺简介讲解
激光陀螺仪现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。
传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。
简介现代光纤陀螺仪包括干涉式陀螺仪和谐振式陀螺仪两种，它们都是根据塞格尼克的理论发展起来的。
塞格尼克理论的要点是这样的：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。
也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。
利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。
从这个简单的介绍可以看出，干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。
自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。
１９７６年等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，与此同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。
由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可*等等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。
和光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外，还有现代集成式的振动陀螺仪，集成式的振动陀螺仪具有更高的集成度，体积更小，也是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。
光纤陀螺寻北仪数据采集单元的设计与实现
表 1 脉冲计数器测试结果
数据采集
电子测量技术 EL ECT RO NI C M EA SU REM EN T T ECH NO L OGY
第 31 卷 第 5 期 2008 年 5 月
光纤陀螺寻北仪数据采集单元的设计与实现
任 磊 宋凝芳 董全林
( 北京航空航天大学仪器科学与光电工 程学院 北京 100083)
摘 要 : 针对捷 联惯性光纤陀螺寻北仪中惯性器件动态测量范围宽及系统对实时性、可靠性和精度要求高的特 点, 设 计了基 于 FP GA 的高速、多通道、可扩展数据采集单 元, 实现多传 感器数 据实时 采集。同时, 由 于用 FPG A 集 成了寻 北仪系统主要的 I/ O 操作, 从而使系统 CPU 能更专注于 方位角解算算法, 保证了寻北的快速性, 并为执行更复杂的算 法提供了有利条 件。本文 给出了系统软硬件设计方案, 实验及实际应用表明, 该数据采集单元工作稳定, 实时性 好, 达 到了设 计指标。 关键词 : 光纤陀 螺; 寻北仪; 数据采集; 可编程逻辑器件( FP GA ) 中图分 类号: V249. 32 文献标识码: A
在捷联式寻北仪中, 由于 惯性器件直接 固联在载体 上, 受到的动态冲击比平台式系统更强, 要求惯性仪表的 动态测量范围更宽, 而且, 寻北仪工作时间短( 3 min) , 对实 时性要求很强, 因此 IM U( 惯性测量单元) 数据的实时获取 与处理是保证其精度指标的关键技术之一[ 2] 。寻北仪接 口数据通道较多, 并且 IMU 数据采样速率一般在 100 H z 以上[ 2] , 因此数据采集单元必须具有丰富的接口能力[ 3] 。
icm42605陀螺仪工作原理
icm42605陀螺仪工作原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：ICM42605是一款先进的陀螺仪，主要用于测量物体的旋转和角度变化。
它是一种MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）传感器，利用微型机械结构和电子器件，可以实现高精度的旋转测量。
ICM42605的工作原理主要基于三个关键技术：MEMS技术、惯性测量原理和数字信号处理。
通过MEMS技术，在芯片表面上制作了微小的机械结构，包括旋转轴和陀螺仪结构。
当芯片旋转时，这些微型机械结构会相应地偏移，产生微小的电信号。
接着，根据惯性测量原理，ICM42605利用惯性力矩的原理来测量物体的转动。
当物体旋转时，芯片上的微型机械结构也会受到离心力的作用，导致微小的偏移。
通过测量这种微小偏移，ICM42605可以计算出物体的角速度和角度变化。
通过数字信号处理技术，ICM42605可以将测得的旋转数据转化为数字信号，并通过接口传输给外部设备。
这种数字信号处理技术可以有效地提高测量精度和数据传输速度，使ICM42605更加灵活和可靠。
第二篇示例：ICM42605是一款常用的陀螺仪芯片，它利用微机电系统（MEMS）技术来实现运动跟踪和姿态感知。
在各种应用领域中，ICM42605都能提供准确的姿态信息，例如智能手机、平板电脑、运动追踪设备等。
ICM42605陀螺仪的工作原理主要基于角速度测量和积分计算。
通过监测陀螺仪芯片中的微机电系统（MEMS）传感器，可以得到物体的旋转速度和方向。
这些传感器包括X轴、Y轴和Z轴三个方向上的振动陀螺仪和引力计。
在接收到来自这些传感器的数据后，ICM42605就可以根据物体的运动状态来计算其姿态信息。
ICM42605陀螺仪利用MEMS技术制造出微小的振动结构，这些结构对物体的倾斜和旋转可敏感地检测。
当物体旋转时，振动陀螺仪会产生由于旋转引起的振动，通过测量这些振动的频率和幅度就可获得物体的角速度。
描述指尖陀螺电路主要芯片的功能及信号流程
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激光陀螺专用控制芯片的温度采集功能实现
[ 10-05-30 11:17:00 ] 作者：李杰郭
成编辑：studa20
摘要:简要分析了温度实时采集与补偿在激光陀螺控制中的原理和作用;介绍了激光陀螺专用控制芯片的功能和特性、1-WIRE总线数字温度传感器DS18B20的结构和原理;通过对多片温度传感器连接在激光陀螺专用控制芯片上进行实际测试,成功验证了陀螺控制芯片的温度采集模块与温度传感器构成的温度测量系统的测温功能。
关键词:温度补偿陀螺控制芯片 DS18B20 测温系统
二频机抖激光陀螺作为惯性导航的理想器件,还具有启动时间短、可靠性高、寿命长等特点。
但在高低温变化的工程化应用过程中,陀螺内在的温度特性对陀螺各方面带来的影响制约了陀螺性能的进一步提高,因此,实现温度漂移的实时补偿就很有必要。
而要进行实时的温度补偿,就必须实时地进行陀螺内部的温度测量。
二频机抖激光陀螺专用控制芯片便包含了温度采集模块,笔者在实验室利用DS18B20数字温度传感器与陀螺专用控制芯片连接,成功实现了芯片的温度采集功能。
1 温度对激光陀螺的影响和温度补偿的作用
温度对激光陀螺的影响主要表现在以下几个方面:从热源来说,陀螺工作时,自身要发热,需要几个小时才能达到平衡,而且在环境温度等条件发生变化时,温度场将变得更为复杂,也更难平衡,所以陀螺自身温度变化与环境温度变化都将影响陀螺的性能;从物理特性来说,气体的折射率、材料的导热系数、光学器件的光学性质也会发生变化; 从几何特征来说,器件的热胀冷缩、弯曲变形都可造成光路发生变化,谐振系统损耗增加;最后温度场的变化引起气流流场的变化,使两臂的放电电流出现不平衡,加剧了朗谬尔流效应带来的零偏影响。
这些变化都将影响激光陀螺的输出。
温度几乎影响到物性参数、几何变形、气体流场等所有因数[1],如对于温度影响气体的折射率,由L=n×L可知,折射率的波动将影响总的光程长,最终将影响标度因数,从而影响到零偏。
温度对激光陀螺零偏的影响主要表现在以下三个方面:温度变化、温度梯度与温变速率[2]。
实时温度补偿减小了温度变化对零偏的影响,提高了激光陀螺的精度和性能,通过加入温度补偿前(图1)后(图2)零偏曲线可说明[3]:
加入补偿后,温度在一定范围内变化时,陀螺零偏大幅减小, 陀螺精度提高了数倍。
2 陀螺控制芯片
激光陀螺主要工作部分是环形激光器和控制电路。
机抖激光陀螺专用控制芯片将激光陀螺的抖动控制、稳频控制、稳流控制、光强采集、温度采集、信号放大、倍频、鉴相、滤波等模块集成到一个芯片上,将激光陀螺的某些重要性能(例如信号处理)采用硬件电路实现,大大减小了信号延时,提高了激光陀螺的
可靠性和实用性。
芯片集成温度采集模块的主要功能是:通过该模块用户可以设置外部温度传感器DS18B20的数量(1-10),同时可以对某个与设定ID号相同的DS18B20执行采集该传感器的温度。
当完成一个采集过程后(即获得传感器的温度值),模块将发出一个中断信号。
:芯片装入系统中,接外部时钟信号、复位信号以及其他信号;上电后,时钟管理模块产生片内需要的时钟和复位信号;复位后,CPU通过ROM 中的Boot loader启动程序引导,通过SPI口将外部Flash中的用户程序读入片内8KB SRAM中实现程序加载。
加载完成后,程序指针无条件跳转到片内
8KB SRAM起始地址处;系统芯片的CPU通过用户程序和温度传感器DS18B20接口能够查找到外部连接的指定型号DS18B20(注:每片DS18B20有自己特定的ID 号),并读取该传感器温度值;芯片对数据信息的处理可以通过串口输出到计算机上显示出来。
温度模块工作过程:用户程序首先将外部器件的ID写入相应的地址,并设置好器件数目,最后将DS_START寄存器置“FF”来启动模块。
当完成一个采集过程后(也就是已经获得所有传感器的温度值),模块将发出一个中断信号。
执行中断程序读取温度值时,为了防止用户中断响应时间太长,用户读数据前,可以判断DS_BUSY是否为0,如为1则表示本次中断响应无效。
[ 10-05-30 11:17:00 ] 作者：李杰郭成编辑：studa20
3 数字温度传感器DS18B20[4]
在试验中用到的单片化温度传感器的型号是MAXIM公司的DS18B20,有如下特点:单线接口,只有一根信号线与CPU连接;不需要备份电源,可通过信号线供电,电源电压范围从3.3～5V;传送串行数据,不需要外部元件;温度测量范围从-55℃～+125℃,-10～+85℃时测量精为±0.5℃;用户可自设定非易失性的报警上下限值;报警搜索命令可以识别哪片DS18B20温度超限;通过编程可实现9～12位的数字值读数方式(出厂时被设置为12位);在93.75ms 和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量;零功耗等待;现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20封装和内部结构如图3:
4 编程流程
初始化:
第一步,设置器件ID,低8位无须设置;
第二步,设置器件数目;
第三步,启动工作,将DS_START置“FF”。
中断程序:
第一步,读DS_BUSY是否为0,如为1则表示本次中断响应无效(非必要步骤);
第二步,如果本次中断有效,可以获取温度数据。
5 测温试验
将测温的用户程序写入外接FLASH,让芯片加载运行,通过串口将温度值返回计算机并显示,结果如图4:
实验结果证明成功地实现了对DS18B20测温的数据采集,并通过串口将数据送出显示,即用DS18B20与芯片连接,成功实现、验证了芯片温度采集模块的功能。
6 结语
本文简要分析了实时温度补偿对激光陀螺精度提高的作用和实时温度采集的必要性;介绍了激光陀螺专用控制芯片以及数字温度传感器DS18B20的功能和特性;并在实验室将多片DS18B20连接在激光陀螺专用控制芯片上,成功地进行了温度测量,通过实验验证了激光陀螺专用控制芯片的温度采集模块功能。
参考文献
[1] 张鹏飞,龙兴武,汤建勋,王宇,李革,许光明. 机抖激光陀螺的零偏的实时温度补偿方法研究[J].传感技术学报,2007,6.
[2] 赵小宁,李县洛,雷宝权.激光陀螺零偏温度补偿研究[J].中国惯性技术学报.2004,6.
[3] 张鹏飞,龙兴武.二频机抖激光陀螺温度漂移补偿的初步研究[J].激光杂志,2005.
[4] 江太辉,邓展威.DS18B20数字式温度传感器的特性与应用[J].电子技术,器件应用,2003.。