陀螺仪机械性能：最重要的参数

选择陀螺仪是基于最大误差源最小化的有意义的——在大多数应用中，这将是振动灵敏度。其他参数可以通过校准或平均多个传感器轻松增强。偏置稳定性是误差预算中较小的组成部分之一。

在查看高性能陀螺仪数据手册时，大多数系统设计人员首先要考虑的是偏置稳定性规格。毕竟，这就是描述陀螺仪分辨率底线的原因，所以它肯定是陀螺仪性能的最佳预测指标！然而，现实世界中的陀螺仪由于多种来源而出现误差，使用户无法利用数据手册中吹捧的高偏置稳定性。事实上，唯一能让你获得这种性能水平的地方就是在实验室工作台上。经典方法是增加补偿，以尽量减少这些误差源的影响。本文将讨论其中几种技术及其局限性。最后，我们将讨论另一种范式——选择陀螺仪以获得机械性能，以及如何在必要时提高其偏置稳定性。

环境错误

所有低成本和中等成本MEMS陀螺仪都表现出一些零时间零偏置和比例因子误差，以及随温度变化的一些变化。因此，用户通常对它们进行温度补偿。一般来说，陀螺仪包含仅用于此目的的集成温度传感器。温度传感器的绝对精度对于这项任务并不重要，重要的是温度传感器的可重复性和与实际陀螺仪温度的紧密耦合。现代陀螺仪的温度传感器几乎从不满足这些要求。

有许多技术可用于温度补偿（多项式曲线拟合、分段线性近似等）。只要记录了足够数量的温度点并在校准过程中足够小心，所使用的特定技术就无关紧要。例如，每个温度下的浸泡时间不足就是一个常见的错误源。然而，无论使用哪种技术或采取多少谨慎措施，限制因素都将是温度滞后 - 即通过冷却与加热接近特定温度时的输出差异。

图1显示了ADXRS453陀螺仪的温度迟滞环路。记录未补偿陀螺仪的零偏置测量，温度变化范围为+25°C至+130°C，至–45°C，回+25°C。 加热循环和冷却循环在+25°C时的零偏置输出差异很小（在本例中约为0.2°/s），这就是温度滞后。无论陀螺仪是否通电，该误差都无法补偿。此外，迟滞的大小与施加的温度“激励”量成比例变化。也就是说，当对设备施加更大的温度范围时，会出现更多的滞后。

图1.ADXRS453在整个温度（–45°C至+130°C）范围内循环时的无补偿ADXRS453零偏置输出

如果应用允许在导通时复位零偏置（即，在没有旋转时发生导通）或零偏置的现场归零，则可以忽略此错误。否则，这可能是一个偏置稳定性性能限制器，因为无法控制运输或存储条件。

振动抑制

理想情况下，陀螺仪只能测量旋转速率，而不能测量其他任何内容。在实践中，由于机械设计的不对称和/或微加工不精确，所有陀螺仪对加速度都有一定的敏感性。事实上，加速度灵敏度有多种表现形式，其严重程度因设计而异。最重要的是对线性加速度（或g灵敏度）和振动校正（或g2灵敏度）。由于大多数陀螺仪应用都是在地球1 g重力场中移动和/或旋转的设备，因此对加速度的敏感性通常是最大的误差源。

超低成本陀螺仪通常使用极其简单和紧凑的机械系统设计，这些系统没有针对振动抑制进行优化（相反，它们是针对低成本进行优化的），并且可能会因振动而受到很大影响。超过 1000°/h/g（或 0.3°/s/g）的 g 灵敏度或更高并非闻所未闻——比人们对高性能陀螺仪的期望差 10 倍以上！在这样的陀螺仪中寻找良好的偏置稳定性是没有意义的，因为陀螺仪通过地球重力场的小旋转会导致由于g和g而产生的巨大误差2敏感性。通常，这些类型的陀螺仪中没有指定振动灵敏度 - 假设它非常大。

更高性能的MEMS陀螺仪性能要好得多。表1显示了几种高性能MEMS陀螺仪的数据手册规格。此类中的大多数陀螺仪显示 g 灵敏度为 360°/h/g（或 0.1°/s/g），有些低于 60°/h/g。比成本非常低的陀螺仪好得多，但即使是其中最好的陀螺仪，当受到低至150 mg（相当于8.6°倾斜）的加速度变化时，仍然超过其指定的偏置稳定性。

表 1.

 

制造者	部件号	灵敏度（°/s/g)	g2灵敏度（°/s/g2)	偏置稳定性（°/h）
ADI公司	ADXRS646	0.015	0.0001	8
迈来芯	MLX90609	0.1	未指定	17
硅传感	CRG20-01	0.1	0.005	5
VTI	SCR1100-D04	0.1	未指定	2.1

 

一些设计人员尝试使用外部加速度计来补偿g灵敏度（这在IMU应用中最常完成，因为已经存在必要的加速度计），这确实可以在某些情况下提高性能。然而，由于多种原因，g灵敏度补偿不能完全成功。大多数陀螺仪往往具有g灵敏度，该灵敏度因振动频率而异。图 2 显示了硅传感 CRG20-01 陀螺仪因振动而做出的响应。请注意，虽然陀螺仪的g灵敏度在其额定规格范围内（特定频率下的一些小杂散除外，但这些杂散可能并不重要），但它确实在直流至100 Hz的12：1的比率范围内变化，因此无法通过简单地测量直流时的g灵敏度来完成校准。事实上，补偿方案将非常复杂，需要随频率变化的灵敏度。

图2.硅传感 CRG20-01 g 对各种正弦音的灵敏度响应

相比之下，图3显示了ADXRS646陀螺仪在类似条件下的响应。结论是，有些陀螺仪比其他陀螺仪更容易进行g灵敏度补偿。遗憾的是，这些信息几乎从未在数据手册中提供，用户必须发现这些信息，而且很可能非常痛苦，通常在系统设计期间没有时间感到惊讶。

图3.ADI公司ADXRS646 g随机振动灵敏度响应（15 g rms，0.11 g2/Hz） 1600 Hz 过滤

另一个困难在于补偿加速度计的相位响应与陀螺仪相匹配。如果陀螺仪和补偿加速度计的相位响应不匹配，高频振动误差实际上可能会被放大！引出另一个结论：g灵敏度补偿仅适用于大多数陀螺仪的低频。

振动校正通常未指定。有时这是因为它令人尴尬地差或因设备而异。有时这仅仅是由于陀螺仪制造商不愿意测试或指定它（公平地说，可能很难测试）。无论哪种方式，振动校正都应该引起关注，因为它不能用加速度计进行补偿。与加速度计的响应不同，陀螺仪的输出误差得到了纠正。

改善 g 的最常见策略2灵敏度是添加机械防振支架。图中是松下汽车陀螺仪，部分从其金属罐包装中取出。陀螺仪组件通过橡胶防振支架与金属罐隔离。防振支架很难设计，因为它们在很宽的频率范围内没有平坦的响应（它们在低频下工作得特别差），并且它们的减振特性会随着温度和寿命而变化。实际上，与g灵敏度一样，陀螺仪的振动校正响应可能随频率而变化。虽然可以成功地设计防振支架来衰减已知频谱中的窄带振动，但对于可能存在宽带振动的任何通用应用，这种安装座都是有问题的。

由于机械滥用而导致的重大不当行为

许多应用通常都会发生短期滥用事件，虽然不会损坏陀螺仪，但会产生较大的错误。下面介绍几个例子。

一些陀螺仪不能容忍速率过载而没有不当行为。图5显示了硅传感CRG20陀螺仪在指定范围内对输入进行约70%速率的响应。左边的曲线显示了当陀螺仪从0°/s到500°/s旋转并持续时CRS20的响应。右边的曲线显示了当输入速率从500°/s降低到0°/s时的响应。当速率输入超出额定测量范围时，输出在轨与轨之间大幅摆动。

图5.硅传感 CRG-20 对 500°/s 速率输入的响应

其他陀螺仪在暴露于小至几百克的冲击时有“锁定”的趋势。例如，图 6 显示了 VTI SCR1100-D04 在受到 250 g 0.5 ms 冲击时的响应（通过将 5 mm 钢球从 40 cm 的距离落到陀螺仪旁边的 PCB 上产生）。陀螺仪没有被电击损坏，但它不再响应速率，需要重新通电才能重新启动。这并不罕见;几个陀螺仪表现出类似的行为。明智的做法是检查所考虑的陀螺仪是否可以承受应用中的冲击。

图6.VTI SCR1100-D04 对 250 g、0.5 ms 冲击的响应

显然，这种类型的错误会非常大。因此，在确定任何给定应用中可能存在哪些滥用条件并验证陀螺仪是否可以容忍这些条件时，必须小心谨慎。

误差预算计算

如前所述，大多数陀螺仪应用都处于存在运动或振动的情况下。表2显示了表1所示用于各种应用的陀螺仪的典型误差预算，使用前面所示的数据手册规格（在未指定振动校正的情况下，使用保守估计值）。如表3所示，增加g灵敏度补偿方案，将振动性能提高半个数量级（并非易事），仍然导致振动灵敏度通常比偏置稳定性产生更大的误差。

表 2.多个陀螺仪振动引起的估计误差（°/s）（未补偿）

 

制造者	Part Number	Running (2 g Peaks)	Helicopter (0.4 g Vibration)	Shipboard (0.5 g Listing)	Construction Equipment (50 g Peaks)
ADI公司	ADXRS646	4	22	5	36
迈来芯	MLX90609	35	150	38	1080
硅传感	CRG20-01	32	147	37	630
VTI	SCR1100-D04	35	150	38	1080

 

表 3.使用g灵敏度补偿的多个陀螺仪的振动估计误差（°/s）（g灵敏度提高5倍）

 

制造者	Part Number	Running (2 g Peaks)	Helicopter (0.4 g Vibration)	Shipboard (0.5 g Listing)	Construction Equipment (50 g Peaks)
ADI公司	ADXRS646	1	4	1	14
迈来芯	MLX90609	12	35	9	936
硅传感	CRG20-01	9	32	8	486
VTI	SCR1100-D04	12	35	9	936

 

新的选择范式

由于偏置稳定性是误差预算的较小组成部分之一，因此根据陀螺仪对最大误差源的最小化来选择陀螺仪更为明智——在大多数应用中，这将是振动灵敏度。但是，有时您可能仍然希望获得比所选陀螺仪更低的噪声或更好的偏置稳定性。幸运的是，有一个解决方案：平均。

与设计驱动的环境或振动误差不同，大多数陀螺仪的偏置稳定误差具有噪声特性。也就是说，设备与设备之间不相关。因此，可以通过对多个器件求平均值来提高偏置稳定性性能。每平均 n 个设备，可以预期改进 √n。通过平均多个陀螺仪，宽带噪声也可以得到类似的改善。

结论

虽然偏置稳定性长期以来一直被认为是陀螺仪的“黄金标准”规格，但在现实世界中，振动灵敏度通常是更严重的性能限制。根据陀螺仪的振动抑制能力选择陀螺仪是明智的，因为其他参数可以通过校准或平均多个传感器轻松增强。

审核编辑：郭婷