陀螺仪的机械性能：最重要的参数

要点

产品：高性能陀螺仪

特征：

• 精确测量旋转速率，偏差低
• 温度和振动误差补偿
• 零偏差稳定性作为一项关键绩效指标
• 振动敏感性（g 敏感性和 g2 敏感性）会影响性能

应用领域：

• 航空航天、汽车、工业和消费电子产品

优势：

• 高精度，并具有温度和振动补偿功能
• 通过多设备平均提高稳定性
• 防震组件可提高性能

局限性：

• 振动敏感性是主要误差来源。
• 零偏差稳定性可能只有在理想条件下才能实现。
• 机械冲击会影响性能

摘要：选择陀螺仪时，必须考虑如何最大限度地降低最大误差源。在大多数应用中，振动灵敏度是最大的误差源。其他参数可以通过校准或对多个传感器取平均值来轻松改善。零点偏差稳定性是误差较小的组件之一。

在浏览高性能陀螺仪数据手册时，大多数系统设计人员首先关注的是零偏稳定性指标。毕竟，它描述了陀螺仪分辨率的下限，自然也是反映陀螺仪性能的最佳指标！然而，实际的陀螺仪可能会由于各种原因出现误差，导致用户无法获得数据手册中声称的高零偏稳定性。事实上，这种高性能可能只能在实验室中实现。传统方法是使用补偿技术来尽可能地降低这些误差源的影响。本文将讨论各种此类技术及其局限性。最后，我们将讨论另一种替代方案——基于机械性能选择陀螺仪，以及在必要时如何提高其零偏稳定性。

环境错误

所有中低价位的MEMS陀螺仪都存在一定的零点偏差和比例因子误差，并且会随温度变化。因此，对陀螺仪进行温度补偿是一种常见的做法。一般来说，将温度传感器集成到陀螺仪中的目的就是为了实现这一目标。温度传感器的绝对精度并不重要，重要的是其重复性和温度传感器与陀螺仪实际温度之间的紧密耦合。现代陀螺仪的温度传感器几乎可以轻松满足这些要求。

温度补偿可采用多种技术，例如多项式曲线拟合、分段线性近似等。只要记录足够多的温度点，并在校准过程中采取充分的措施，具体采用哪种技术并不重要。例如，每个温度下的存储时间不足是常见的误差来源。然而，无论采用何种技术或多么谨慎，温度滞后（即冷却和加热到特定温度时输出的差异）始终是限制因素。

图 1 显示了陀螺仪 ADXRS453 的温度滞后回线。在记录未补偿陀螺仪的零偏测量结果时，温度从 +25 °C 升至 +130 °C，再降至 -45 °C，最后又回到 +25 °C。在加热循环和冷却循环中，+25 °C 的零偏输出存在轻微差异（本例中约为 0.2 °C/s），这被称为温度滞后。该误差无法通过补偿消除，因为它与陀螺仪是否通电无关。此外，滞后的大小与施加的温度“激励”量成正比。也就是说，施加到器件的温度范围越宽，滞后就越大。

图 1. 未补偿 ADXRS453 在温度循环（-45 °C 至 +130 °C）期间的零偏置输出

如果应用允许在启动时重置零点偏差（即不旋转启动），或在现场将零点偏差归零，则可以忽略此误差。否则，由于我们无法控制运输或存储条件，这可能会限制零点偏差的稳定性。

反对-振动

理想情况下，陀螺仪只测量旋转速率，不涉及其他任何因素。然而，在实际应用中，由于机械设计的不对称性和/或微加工精度不足，所有陀螺仪都具有一定程度的加速度敏感性。事实上，加速度敏感性有多种外部表现形式，其严重程度取决于设计。最显著的敏感性通常是对线性加速度的敏感性（或称g敏感性）和对振动校正的敏感性（或称g²敏感性）。由于大多数陀螺仪用于在地球1g重力场中运动和/或旋转的设备中，因此加速度敏感性往往是最大的误差来源。

低成本陀螺仪通常采用极其简单紧凑的机械系统设计，其抗振性能并未优化（以降低成本为目标），因此振动可能会造成严重影响。其g值灵敏度超过1000°/h/g（或0.3°/s/g）也就不足为奇了，这比高性能陀螺仪高出10倍以上！对于这类陀螺仪而言，零点偏差的稳定性意义不大。由于其对g和g²的灵敏度，地球引力场中陀螺仪的轻微旋转都可能导致显著误差。一般来说，这类陀螺仪不会明确标明振动灵敏度——默认设置为非常高。

一些设计人员尝试使用外部加速度计来补偿重力灵敏度（通常用于惯性测量单元 (IMU) 应用，因为所需的加速度计已经存在），这在某些情况下确实可以提高性能。然而，由于各种原因，重力灵敏度补偿无法完全成功。大多数陀螺仪的重力灵敏度会随振动频率而变化。图 2 显示了 Silicon Sensing CRG20-01 陀螺仪对振动的响应。需要注意的是，尽管陀螺仪的灵敏度在额定规格范围内（在某些特定频率下略微超出，但这可能并不重要），但从直流到 100 Hz 的变化率为 12:1，因此不能简单地通过测量直流灵敏度来进行校准。实际上，补偿方案将非常复杂，需要根据频率调整灵敏度。

图 2. Silicon Sensing CRG20-01 对不同正弦波的 g 值灵敏度响应

另一个难点在于如何匹配补偿加速度计和陀螺仪的相位响应。如果陀螺仪和补偿加速度计的相位响应匹配不佳，高频振动误差实际上可能会被放大！由此可以得出另一个结论：对于大多数陀螺仪而言，g 值灵敏度补偿仅在低频下有效。振动校准通常缺乏规范，可能是由于不同组件之间存在令人尴尬或显著的差异。也可能仅仅是因为陀螺仪制造商不愿意进行测试或规范（公平地说，测试可能确实存在困难）。无论如何，必须考虑振动校正，因为加速度计无法补偿振动。与加速度计的响应不同，陀螺仪的输出误差可以得到校正。

提高灵敏度的最常用策略 g方案二是增加一个机械防振元件，如图3所示。图中所示为松下汽车陀螺仪，其部分已从金属外壳中取出。陀螺仪元件通过橡胶防振元件与金属外壳隔离。防振元件的设计难度很高，因为它们的响应在宽频率范围内并不平坦（尤其是在低频段），而且其阻尼特性会随温度和使用时间而变化。与灵敏度类似，陀螺仪的振动校正响应也会随频率变化。即使能够成功设计出可以衰减已知频率范围内窄带振动的防振元件，此类防振元件也不适用于可能存在宽带振动的一般应用。

图 3. 典型的防振部件

机械滥用造成的主要问题

在许多应用中，可能会发生一些常规的短期滥用事件，虽然这些事件不会损坏陀螺仪，但会导致严重的误差。以下是一些示例。

某些陀螺仪能够承受过载速率而不出现异常性能。图 4 显示了 Silicon Sensing CRG20 陀螺仪在速率输入超过额定范围约 70% 时的响应。左侧曲线显示了旋转速率从 0°/s 变化到 500°/s 并保持恒定时 CRG20 的响应。右侧曲线显示了输入速率从 500°/s 降低到 0°/s 时该器件的响应。当输入速率超过额定测量范围时，输出会在不同的轨迹之间随机振荡。

图 4. 硅传感 CRG-20 对 500 °/s 速率输入的响应

有些陀螺仪即使受到几百克的冲击也容易出现“锁定”现象。例如，图 5 显示了 VTI SCR1100-D04 在受到 250 克、0.5 毫秒冲击后的响应（冲击产生方法是将一个直径 5 毫米的钢球从 40 厘米的高度落到陀螺仪旁边的 PCB 板上）。陀螺仪虽然没有因冲击而损坏，但它不再响应速率输入，需要断电重启才能恢复工作。这并非罕见现象，许多陀螺仪都表现出类似的行为。因此，在实际应用中，最好先测试一下所选陀螺仪是否能够承受这种冲击。

图 5. VTI SCR1100-D04 对 250 g、0.5 ms 冲击的响应

显然，此类误差会非常大。因此，必须仔细识别特定应用中可能存在的滥用情况，并验证陀螺仪是否能够承受这些情况。

选择一种新的范式

在误差预算中，零点偏差稳定性是最小的组成部分之一，因此在选择陀螺仪时，更合理的做法是尽量减少最大误差源。在大多数应用中，振动敏感性是最大的误差源。然而，有时用户可能仍然希望所选陀螺仪具有更低的噪声或更好的零点偏差稳定性。幸运的是，我们有办法解决这个问题，那就是取平均值。

与设计相关的环境或振动误差不同，大多数陀螺仪的零偏稳定性误差具有噪声特性。也就是说，不同器件的零偏稳定性之间没有相关性。因此，我们可以通过对多个器件取平均值来提高零偏稳定性性能。如果对 n 个器件取平均值，预期性能提升为 √n。类似的平均方法也可以改善宽带噪声。

结论

长期以来，零偏稳定性一直被视为陀螺仪规格的绝对标准，但在实际应用中，振动敏感性往往是限制性能的更严重因素。选择陀螺仪时，应考虑其抗振动性能。-振动能力尚可，因为其他参数可以通过校准或对多个传感器取平均值来轻松改善。

附录：振动引起的误差计算

要计算给定应用中由振动引起的误差，需要了解预期的加速度幅值和该加速度可能发生的频率。

l  跑步时通常会产生 2 克的峰值，约占总时间的 4%。

l  直升机的振动非常稳定。大多数直升机的规格参数为0.4g宽带振动和100%占空比。

l  船舶（尤其是小型船只）在湍急水面上航行时，倾斜角度可达±30°（产生±0.5g的振动）。其占空比可假定为20%。

l  对于平地机和装载机等工程机械而言，只要其刀片或铲斗撞击到石块，就会产生高达 50 g 的短暂冲击力。典型的工作循环值为 1%。

计算振动引起的误差时，需要考虑g和g2的灵敏度。以直升机应用为例，计算如下：

误差=[g灵敏度误差]+[g2灵敏度误差]

=[0.4 g×g 灵敏度 × 3600 秒/小时 × 100%]+

[(0.4 克) 2 × g2 灵敏度 × 3600 秒/小时 × 100%]

如果用加速度计补偿 g 的灵敏度，则只有 g 的灵敏度会降低，而降低的幅度就是补偿系数。