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加快度傳感器在AHRS中的操縱
來歷:賽斯維傳感器網 頒發于 2021/5/18

特色

多量程系列產物,從 ±1g 到 ±200g

優良的零偏置不變性 (小于滿量程的0.05%)

低溫度系數而不需溫度校準

超小型20引腳 LCC,密封性陶瓷封裝 (8.9mm x 8.9mm)

低電壓供電

欠壓掩護

合適RoHS規范的無鉛焊接

MS9010, AHRS操縱的抱負產物


簡介

慣性導航是經由進程自帶的加快度傳感器和陀螺儀來計較物體(比方飛機)本身地位和速率的進程。姿式和航向參考體系,即稱為AHRS,是一種能夠或許為飛機或別的在空間中自在挪動的物體供給標的目的,姿式和偏航信息的多軸傳感器。

AHRS是設想來代替傳統的機械陀螺飛翔儀表,并能供給出色的靠得住性和切確性。它由三個軸向上的固態或MEMS(微電機體系)陀螺儀,加快度傳感器和磁強計構成。一些AHRS操縱GPS領受機,以改良陀螺儀的持久不變性。人們凡是操縱卡爾曼濾波器來計較這些多個來歷的成果。

圖 1: AHRS


各構成局部的功效

捷聯式慣性導航體系須要一個初始化進程來成立飛機機身框架與本地地輿參照體系之間的干系。這個被稱為瞄準的進程凡是須要裝備堅持不變一段時候,以成立該初始狀況。初始化時,慣性參考體系經由進程自校準進程來使空中坐標系的縱軸與檢測到的加快度分歧(調平),并且丈量程度地球速率從而開端判定方位角(陀螺儀)。若是已知該飛翔器的初始姿式,并且若是陀螺儀能供給切確的數據,那末姿式處置器就充足了。但是,初始姿式很少能夠或許曉得,而陀螺儀也會因為零點漂移、開機不變性等題目而供給毛病的數據。


陀螺儀和加快度傳感器城市遭到零偏和零點漂移、瞄準偏差、加快度偏差(加快度敏理性),非線性效應(二階項或VRE)、標度因數偏差的影響。磁力計也輕易遭到磁攪擾,而影響對地球磁場的的丈量。當體系被裝置在其終究安排姿式時,這些偏差都將被校訂。


AHRS最大的偏差與陀螺儀零點漂移方面有關。若是不濾波布局來自力地分隔加快度傳感器、陀螺儀和磁強計的丈量,姿式處置器能夠會偏離實在的軌跡。


卡爾曼(Kalman)濾波姿式校訂元件,經由進程校訂姿式處置器軌跡和供給陀螺漂移狀況特點,為陀螺儀供給立即校準。加快度傳感器可操縱地球重力來供給姿式參考,而磁力計則操縱地球的磁場矢量供給航向參考。


普通情況下,在AHRS操縱法式中, 加快度傳感器的感化是供給初始姿式基準(調平),并在飛翔進程中,經由進程改正陀螺儀的漂移,供給飛翔姿式的校訂。


現今市場上各種AHRS處置計劃

高精度體系操縱環形激光陀螺(RLG)和光纖陀螺(FOG)。因為是在主動飛翔形式下操縱,它們須要很是的切確,以防止大型飛機機翼在騰飛和著陸時碰撞到空中,出格是在大霧和極度天氣前提下。這類范例的操縱對加快度計有著更高的請求,其一切的零偏不變性,包含溫度規模、線性、二階效應和軸偏等,都必須優于 2mg。


低端的AHRS能夠或許用作飛翔員視野的贊助東西,或作為備份體系,凡是不須要太高的機能。這類范例的AHRS經常操縱在小型民用飛機和一些無人機中。在這些情況下,經常操縱低端的MEMS加快度傳感器和MEMS陀螺儀。


加快度傳感器的量程取決于所面向的操縱。對高中端航姿體系AHRS凡是所需的機能為10g到15g,至于低端處置計劃常操縱5g的傳感器。

航姿體系舉例(SAGEM防務寧靜體系供給資料)


COLIBRYS 加快度傳感器用于航姿體系

對最好航姿體系AHRS機能相當首要的首要參數是零偏不變性(1)、標度因數不變性、軸偏、不變性和二階非線性效應或振動整流偏差(VRE)。這些參數的初始偏差,大大都可經由進程他們的預期值很輕易地校準。但是,跟著時候的推移、溫度、打擊和振動的影響,它們的反復性和不變性成為首要的題目 。這些影響能夠會致使不可預知的漂移,這將反過去決議加快度傳感器的級別。


(1) 按照IEEE528-2001規范一年不變的界說為:切換上/開關,安排于-55°C和85°C時,-40°C至125°C的T輪回, -55°C至85°C的無能源攪擾、振動和打擊。

MS9005 Colibrys加快度傳感器

MS8010 Colibrys加快度傳感器


Colibrys是努力于軍用、航空航天市場的MEMS加快度傳感器供給商之一,并劃定大批參數。MS9000.D系列是今朝最新一代產物,是對Colibrys加快度傳感器旗艦產物MS8000的進一步改良。


MS9000供給一個更小的LCC20封裝,具備與MS8000根基機能的不異,但形狀尺寸更小。MS9010.D 具有4.5mg (1σ) 的持久偏置不變性和優于400ppm的標度因數。在AHRS操縱方面,此產物可按照需要挑選的加快度量程有2g,5g,10g和15g。


產物規格

Colibrys MS產物是電容式MEMS加快度傳感器,它基于一個專供高不變性而設想的體硅微機械元件,一個低功耗旌旗燈號處置器ASIC,一個存儲彌補值的微節制器,和一個溫度傳感器構成(如圖1所示)。該產物是低功耗,全標定,堅忍和不變的。


它接納單電源電壓(在2.5V~5.5V之間),與低電流耗損 (在 5V電壓時,小于0.5mA)。在輸出5V電壓前提下,其輸出是一個成比例的摹擬電壓,在全量程規模內,輸出值在0.5V~4.5V之間變更。該傳感器是一個自力的,接納20引腳LCC陶瓷封裝,以確保產物的全密封性。產物在 -55°C~125°C溫度規模內任務,并能蒙受高達6000g的打擊。其零偏持久不變性和標度因數凡是小于全丈量規模的0.1 %。


任務道理

加快度傳感器的焦點器件是電容式體硅微機械傳感器。COLIBRYS制作加快度傳感器的關頭手藝在于三層硅晶片布局。

中間層硅晶片構成一個由彈簧支持的品質塊

這個慣性品質塊同時也是電容式傳感器的中間電極

高低兩層硅晶片構成傳感器的內部牢固電極


三層硅晶片經由進程“硅片低溫融接鍵合” (SFB: Silicon Fusion Bonding) 粘合在一路。該粘合工藝不只保障了體系的各硅晶片之間完善均衡,同時還能構建“彈性懸臂-品質塊體系”的密閉腔體(見圖3)。粘合工藝是在低溫(>1000°C) 和低氣壓前提下停止的,以保障最好氛圍阻尼和帶寬節制。這也使得能夠或許防止任何外表凈化,出格是像水份子凈化,并且抓緊資料粘合之前的一切外表應力。


這類“彈性懸臂—品質塊”體系的丈量規模是可調的。經由進程轉變彈性懸臂的厚度能夠或許轉變開環丈量規模。在加快或傾斜的情況下,慣性感化使品質塊在高低電極板之間挪動而轉變電容值。這個感到電容的差值變更可經由進程接口電路來丈量。丈量電路接納了一個自均衡電容橋將旌旗燈號轉換成操縱了彌補參數校準的輸出電壓,而彌補參數(零位批改,增益,和非線性等)則存儲在微處置器中。


總結

Colibrys為AHRS供給最好的MEMS電容式加快度傳感器。Colibrys將不時地努力于研發新產物和新的處置計劃。因為制作手藝的成長, MEMS傳感器元件和拆卸工藝, 相干電子產物也獲得不時地改良,出格是優化的零偏不變性(“運轉中”和“運轉到運轉”的不變性)在浩繁的AHRS 供給商中的需要也不時進步。


關頭詞

AHRS: 姿式和航向參考體系

Stability: 10g傳感器小到幾mg的年零偏不變性

VRE: 影響總零偏不變性的振動整流偏差

T range: 寬闊的任務溫度規模 :從-55°C 到125°C

Low power: 在5V電壓時,電流功耗400μA



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