加速度計(jì)和陀螺儀原理

MEMS加速度計(jì)原理

技術(shù)成熟的MEMS加速度計(jì)分為三種:壓電式、容感式、熱感式。壓電式MEMS加速度計(jì)運(yùn)用的是壓電效應(yīng)，在其內(nèi)部有一個(gè)剛體支撐的質(zhì)量塊，有運(yùn)動(dòng)的情況下質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生壓力，剛體產(chǎn)生應(yīng)變，把加速度轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。

容感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積，通過測(cè)量電容變化量來(lái)計(jì)算加速度。Freescale的MMA7660FC這一款加速度計(jì)(3-Axis Orientation/Motion Detection Sensor)，這一款芯片也是利用這一原理設(shè)計(jì)的。datasheet的第9頁(yè)介紹了其工作原理：當(dāng)芯片有向右的加速度時(shí)，中間的活動(dòng)質(zhì)量快相對(duì)于另外兩塊電容板向左移動(dòng)，這兩平行板電容器的電容就發(fā)生了變化，從而測(cè)量出芯片運(yùn)動(dòng)的加速度。

熱感式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。

由于壓電式MEMS加速度計(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式MEMS加速度計(jì)只能感應(yīng)到“動(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

從上面的分析中，我們可以看到利用容感式和熱感式加速度計(jì)進(jìn)行定向時(shí)，加速度計(jì)測(cè)得的加速度里面包括重力加速度在各個(gè)軸上的重力分量和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)引起的加速度分量。因而，我覺得我們?cè)诶眠@一類加速度計(jì)進(jìn)行定向時(shí)，必須將動(dòng)態(tài)加速度去掉(較為困難);在進(jìn)行檢測(cè)芯片的運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須將重力加速度的去掉。

我覺得如果我們選擇用加速度計(jì)來(lái)進(jìn)行定向的話，我們可以考慮ST的LSM303DLH(5*5*1mm,0.83mA)這一款芯片。這一款芯片集成了測(cè)加速度和磁場(chǎng)的功能，完全可以滿足我們定向的需求

MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。假設(shè)旋轉(zhuǎn)物體有徑向速度Vr，那么將會(huì)產(chǎn)生切向科里奧利加速度.

從上面的公式中，我們可以看到科里奧利加速度的大小是正比于物體旋轉(zhuǎn)的角速度。如果我們?cè)谇邢虬惭b一個(gè)加速度計(jì)測(cè)出科里奧利加速度，那么我們就可以間接得到物體旋轉(zhuǎn)的角速度。

實(shí)際的MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)如下圖。如果物體在圓盤上沒有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)(有點(diǎn)象加速度計(jì)中的自測(cè)試模式)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化(就象加速度計(jì)測(cè)量加速度)。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。