用于导航系统的数字输出陀螺仪传感器-Epsoncrystaldevice.PDFVIP

White paper 用于导航系统的数字输出陀螺仪传感器 陀螺仪传感器的原理与数字输出陀螺仪传感器XV4001 系列的特征 【序文】 陀螺仪传感器用于测试显示每单位时间转动量的角速度。根据测试的方向，角速度分为横摆角速度（从汽车正上方俯视时朝左右 方向的平面转动）、俯仰角速度（从汽车正前方直视时的上下转动）和滚转角速度（从汽车正前方直视时的左右转动）。汽车通行的 道路大多为平面，因此最常使用的是检测平面上左右转角的横摆角速度。现在的导航系统中大多搭载了陀螺仪传感器。在隧道、室 内停车场或高楼之间等无法正确接收GPS （Global Positioning System，全球位置测定系统）信号的场所，使用被称为“推算定位 （DR，Dead Reckoning）”的方法弥补 GPS 的位置信息。最近亦出现了很多以传感器信号为主体、将 GPS 用于辅助的导航系统。 因此，推算定位根据陀螺仪传感器检测出的角速度求出角度信息，以及车速脉冲的距离信息推算出该车体的位置，以此实现更加精 确的导航系统。用于导航系统的陀螺仪传感器尤其重要的是静止时、即未转动时的输出。其理由是，角度以角速度信号的积分求出， 所以静止时的输出变动亦被累加，这将造成很大的角度误差。 而且，导航系统使用在温度变化剧烈的环境之中，因此陀螺仪传感器静止时输出信号针对温度变化的稳定性（温度特性）也是重 要参数之一。爱普生生产和销售的数字输出陀螺仪传感器将以石英为材料的双 T 型结构传感元器件和承担各种功能的 IC 芯片合为 一体，以此实现高稳定的温度特性。IC 芯片能够驱动传感元器件、放大输出信号、内建 AD 转换器将信号转换成数字信号以及敏感 度、静止时输出等各种补偿。 本次解说爱普生的传感技术与数字输出陀螺仪传感器的温度特性、数字输出接口。 【陀螺仪传感器的原理与结构】 1.振动结构陀螺仪的原理（地球偏转力） 陀螺仪传感器将传感器本身的转动量转换成电气信号后算出角速度。爱普生所应用的是利用传感器内部振动的振动结构陀螺仪的 原理。当传感器受到外部施加的转动力时，利用传感器内振动部位垂直方向所产生的地球偏转力使传感器内产生新的振动，通过该 振动求出角速度。 （地球偏转力，又称为“科里奥利力”，是 19 世纪法国物理学家科里奥利所提倡的物理量，指在转动的座标系中起作用的惯性。参 照图 1。） 检测有一定速度的质量所受的地球偏转力 （在转动座标系中所产生的惯性） Fc = 2mV×Ω Fc ：地球偏转力 m ： 质量 V ： 速度 Ω ：角速度 图 1：地球偏转力 1 White paper 2.陀螺仪传感器的原理（结构） 爱普生制造的陀螺仪传感器的内部振动部使用石英材料，并采用并列排放 T 型石英的“双 T 型结构”。双T 型结构左右对称，如 图2 所示，由驱动臂、检测臂和位于中心的固定部组成。 传感器工作时在驱动臂上施加交变振动电场，使驱动臂保持左右振动的状态，以此抵消漏振，实现在中央保持静止状态的检测臂 （图2 的（1），驱动臂的一方向左侧运动时，另一方朝右侧运动，左右驱动臂的运动相对称，所以位于中心的固定部不受力，检测 臂保持静止），因此可保证零点稳定。 其后从外部向传感器施加转动力，驱动臂持续进行左右摆动的同时也受地球偏转力的影响，从而产生垂直方向的振动。为此，驱 动臂的两侧中的一侧向上运动时另一侧向下运动，驱动臂上下振动使固定部也受转动力。固定部受力转动后，保持静止的检测臂开 始左右振动。把检测臂的振动转换成电荷变化量，就可以检测出传感器所受转动的角速度。 驱动振动 驱动臂 转动