माइक्रोमेकेनिकल गायरोस्कोप की विशेषताओं की तुलना

हाल ही में मुझे पता चला कि STMicroelectronics ने triaxial gyroscope A3G4250D की घोषणा की है, जो मोटर वाहन अनुप्रयोगों (AEC-Q100) के लिए सख्त मानक को पूरा करता है। 1000 पीसी के आदेश के लिए $ 6 का वादा किया गया मूल्य। मूल्य वर्ग स्पष्ट है। मैं इस सेंसर की पासपोर्ट विशेषताओं की तुलना एनालॉग डिवाइसेस इंक के आदरणीय मॉडल से करना चाहता था। और अन्य निर्माताओं। जब मैं डेटाशीट्स के साथ काम कर रहा था, मुझे पता चला कि ADI और STM की पासपोर्ट विशेषताओं का सेट, उदाहरण के लिए, समान नहीं है। रास्ते में, मैंने यह पता लगाने का फैसला किया कि किस तरह के तोते सेंसर की तुलना करना चाहिए, अर्थात्। जो सबसे गंभीर micromechanics समस्या है। नतीजतन, मैंने पोस्ट के लिए सामग्री एकत्र की, या शायद दो। यह एक शुरूआत होगी। एक ला की तुलना "[30 kopecks। बंच] बनाम [कास्ट-आयरन ब्रिज]" दुर्भाग्य से फिट नहीं हुई।

परिचय

माइक्रोमेकेनिकल गायरोस्कोप और एक्सेलेरोमीटर के विभिन्न वर्गों के संचालन के सिद्धांतों पर एक से अधिक लेख लिखे जा सकते हैं। उपकरणों के कई अलग-अलग प्रकार / वर्ग हैं। यदि आप विवरण में नहीं जाते हैं, तो हम मोटे तौर पर निम्नानुसार कह सकते हैं।
एक माइक्रोमेकेनिकल गायरोस्कोप का एक संवेदनशील तत्व (एसई) शरीर के अंदर स्प्रिंग्स पर निर्धारित एक जड़त्वीय द्रव्यमान है (अर्धचालक की लोचदार कंसोल)। यह संवेदनशील द्रव्यमान सेंसर अक्षों में से एक के साथ दोलनशील गति में संचालित होता है। यह अक्ष उत्तेजना अक्ष (इनपुट अक्ष) है। ऑपरेटिंग मोड इस अक्ष के साथ सेट किया गया है। इसे (आउटपुट) अक्ष के साथ मापे गए हैं। ऑपरेशन का सिद्धांत यह है कि जब मामला अपने मापने वाले अक्ष के चारों ओर घूमता है (इसे संवेदनशीलता का अक्ष भी कहा जाता है), संवेदी तत्व, इनपुट अक्ष के साथ कंपन के अलावा, तीसरे, आउटपुट अक्ष के साथ दोलन करना भी शुरू करता है। अगर किसी को पता है कि लिसाजस आंकड़े क्या हैं , तो वह आसानी से समझ जाएगा कि सीई अंतरिक्ष में एक चक्र (या दीर्घवृत्त) का वर्णन करना शुरू कर देता है।
तो एक सरलीकृत एकल-अक्ष सेंसर काम करता है। दो और तीन-अक्ष सेंसर के लिए, सीई और मापने की प्रणाली का परिसर है, जैसा कि एक और निलंबन / मीटर प्रणाली द्वारा तैयार किया गया था। यानी FE / सस्पेंशन / मापने वाले उपकरणों की एक असेंबली (इसे एक्स अक्ष के लिए एक असेंबली होने दें) अपने आप में एक और असेंबली के लिए एक दोलनशील FE है (जैसे, HEY के अनुसार), जिसे OZ के अनुसार मापने के लिए असेंबली में शामिल किया गया है। शायद, एक अलग प्रणाली भी संभव है।
ऊपर दिए गए पाठ में माइक्रोमैकेनिक्स के विशेषज्ञ पर्याप्त गलतियां खोजने में सक्षम होंगे। यह मोटे तौर पर और धारणा की आसानी के लिए लिखा गया है। और यह सुचारू रूप से लिखा है कि micromechanics की सबसे गंभीर समस्याओं में से एक का वर्णन करने के लिए आगे बढ़ना, अर्थात्, रैखिक त्वरण के प्रति संवेदनशीलता।
सिद्धांत रूप में, एक दोलनशील एसई को त्वरण महसूस नहीं करना चाहिए और अन्य संवेदनशीलता अक्षों (OR) के साथ क्रॉस कनेक्शन (दो- या तीन-अक्ष सेंसर के मामले में) नहीं होना चाहिए। लेकिन एकीकृत सर्किट के अंदर एक त्रि-आयामी संरचना बनाने की खामियों के कारण, एसई के द्रव्यमान के केंद्र विस्थापित हो जाते हैं, सामग्री में अवशिष्ट तनाव दिखाई देते हैं, स्प्रिंग्स में अलग-अलग लोच होते हैं, आदि। नतीजतन, ओएक्स के लिए एसई ओए प्रभाव का जवाब देना शुरू कर देता है, रैखिक त्वरण गायरो रीडिंग को विकृत करना शुरू कर देता है। यानी माप में, कोणीय वेग का एक वृद्धि दिखाई देता है जो वास्तव में मौजूद नहीं है (यादृच्छिक बहाव)।
एसई के उत्पादन को आदर्श बनाने के लिए यह असंभव है (या उचित नहीं है), इसलिए, सेंसर के डिजाइन में अतिरिक्त तत्व दिखाई देते हैं, जो उल्लेख किए गए परजीवी प्रभावों की संवेदनशीलता को कम करने के लिए आवश्यक हैं। सबसे पहले, सादगी और यहां तक ​​कि परजीवी प्रभाव की अस्वीकृति के तत्वों की बहुत उपस्थिति मध्य ($ 30-100) और ऊपरी ($ 100 +) मूल्य श्रेणियों के सेंसर से सस्ते ($ 10-15 तक) सेंसर में भिन्न होती है।
हेयर स्टाइल में से एक में, मैंने परजीवी प्रभाव ( उदाहरण के लिए ) के लिए सस्ती गाइरोस्कोप की प्रतिक्रिया की लापरवाही के मुद्दे पर चर्चा की। यह स्पष्ट है कि एक स्थिर क्वाडकॉप्टर के लिए बाहर निकलने की आवश्यकता नहीं है। लेकिन यह केवल एक डेमो डिवाइस है जिसका उपयोग स्टैटिक्स में किया जाएगा। यूएवी को गतिशील होना चाहिए, और अच्छे गतिशील प्रदर्शन होना चाहिए। अन्यथा, इसका उपयोग क्यों किया जा सकता है? एक झलक के लिए, बाड़ के पीछे क्या है?
उदाहरण के लिए, द्विघात में उच्च तीव्रता वाले कंपन की प्रतिक्रिया आवश्यक नहीं है। हर कोई जानता है कि यह क्या है। इसलिए, मेरा मानना ​​है कि त्वरण और कंपन के लिए जाइरोस्कोप की संवेदनशीलता का सवाल सामान्य गतिशीलता के साथ एक चलती वस्तु बनाने के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।

सूक्ष्म जाइरोस्कोप की त्रुटियां

सेंसर्स के लिए डेवलपर्स की आंख को पकड़ने वाली पहली चीज तथाकथित "शून्य स्थिरता" है। आखिरकार, ऐसा लगता है कि यह यह पैरामीटर है जो अंततः संवेदक की संवेदनशीलता को निर्धारित करता है, अर्थात। न्यूनतम इनपुट जिसे सेंसर महसूस करेगा। इसलिए, कई एमएमजी मॉडल की शून्य शून्य स्थिरता के कारण, बहुत से लोग अभी भी मानते हैं कि माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक गायरोस्कोप (एमएमजी) पृथ्वी के रोटेशन को महसूस नहीं करते हैं। एमएमजी मॉडल शून्य स्थिरता के साथ थोड़ा अधिक 2 ° / घंटा (पृथ्वी, जैसा कि आप जानते हैं, 15 ° / घंटा की गति से घूमता है)। लेकिन व्यवहार में इसका मतलब यह नहीं है कि यह अभी भी पृथ्वी के रोटेशन को मापना संभव होगा।
जैसा कि यह हो सकता है, डेवलपर शून्य स्थिरता को देख रहा है। यह एक समझ में आने वाला पैरामीटर है, जिससे पता चलता है कि सेंसर का शून्य स्केल किस हद तक प्रयोगशाला में उतार-चढ़ाव करेगा। हालांकि, यह "वैक्यूम में गोलाकार घोड़ा" की स्थिरता का एक पैरामीटर है। वास्तव में, कोई घोषित स्थिरता नहीं होगी। क्यों? हां, क्योंकि त्रुटियों के आंतरिक स्रोतों के कारण वहां स्थिरता (या बल्कि अस्थिरता) का संकेत मिलता है। सेंसर किन परिस्थितियों में काम करेगा, निर्माता भविष्यवाणी नहीं कर पाएगा, साथ ही इन स्थितियों के कारण विचलन भी होगा।
त्रुटियों से निपटने के लिए दो दृष्टिकोण हैं: हार्डवेयर और एल्गोरिदम (पढ़ें सॉफ़्टवेयर)। दूसरे दृष्टिकोण में कंप्यूटर के फर्मवेयर में विशेष सॉफ्टवेयर मॉड्यूल को जोड़ना शामिल है, जो स्पुरियस प्रक्रियाओं के कारण होने वाली त्रुटियों को सही करता है। और इस दृष्टिकोण को इष्टतम के रूप में अनुशंसित नहीं किया गया है। सबसे पहले, सेंसर को स्वयं शोर को अवशोषित करना चाहिए। केंद्रीय मस्तिष्क को मुख्य कचरे को साफ करने में नहीं लगाया जाना चाहिए, लेकिन उच्च-स्तरीय एल्गोरिदम (नेविगेशन, स्थिरीकरण, स्वचालन) की परिष्करण और गणना में। सभी प्रकार की पद्धतिगत त्रुटियां हैं। वे आसानी से कुछ सूत्रों द्वारा वर्णित हैं, लेकिन उन्हें आसानी से सॉफ्टवेयर द्वारा मुआवजा दिया जाता है।
यह सब क्यों? और इस तथ्य के लिए कि सटीकता विशेषताओं के लिए कीमतों के अनुपात के संदर्भ में सेंसर का चयन करना अधिक सही है। और यहां मुख्य पसंद पैरामीटर सबसे अधिक संभावना है कि रैखिक त्वरण (जी-संवेदनशीलता) और कंपन (जी-संवेदनशीलता) के लिए गायरो संवेदनशीलता होगी। वे मुख्य क्यों हैं नीचे समझाया गया है।

शून्य तापमान हिस्टैरिसीस

MMG में शून्य त्रुटियां हैं, जो मामले के अंदर के तापमान के आधार पर भिन्न होती हैं। थर्मल मुआवजे के लिए, तापमान सेंसर MMG में एकीकृत होते हैं। उनकी सटीकता बहुत मायने नहीं रखती है, केवल रीडिंग की आवृत्ति महत्वपूर्ण है। लेकिन थर्मल मुआवजा के साथ एक समस्या है - हिस्टैरिसीस। इस मामले में हिस्टैरिसीस दो मामलों में एक विशेष तापमान के लिए आवश्यक सुधार मूल्य के बीच का अंतर है - जब डिवाइस ठंडा करके इस तापमान तक पहुंचता है और उस मामले में जब यह समान तापमान तक गर्म होता है। नीचे दिया गया चार्ट देखें।

यह ग्राफ MMX ADXRS453 के लिए शून्य तापमान हिस्टैरिसीस को + 25 ° से + 130 ° तक, फिर -45 ° और फिर 25 ° पर तापमान परिवर्तन के साथ दिखाता है। यह हिस्टैरिसीस इस बात पर ध्यान दिए बिना होता है कि तापमान में उतार-चढ़ाव के दौरान सेंसर चालू है या नहीं। इसके अलावा, हिस्टैरिसीस इस बात पर निर्भर करता है कि तापमान रेंज कितनी व्यापक है।
क्या स्थिति जटिल है? नहीं, वास्तव में नहीं। सामान्य स्थिति में, एमएमजी का उपयोग कुछ बाहरी संदर्भ प्रणाली की अनुपस्थिति में अभिविन्यास कोणों को निर्धारित करने के लिए नहीं किया जाना चाहिए, जो कि एक निश्चित निम्न स्तर पर संचित त्रुटि को रीसेट करने की अनुमति देता है। उसी प्रणाली का उपयोग करके, आप वर्तमान शून्य ऑफ़सेट का निर्धारण कर सकते हैं। इस प्रकार, तापमान शून्य ऑफसेट और सामान्य उपयोग के दौरान स्केल फैक्टर की त्रुटि को काफी प्रभावी ढंग से मुआवजा दिया जा सकता है (एक छोटे, गैर-शून्य मूल्य की सटीकता के लिए)।

कंपन त्रुटियों

जैसा कि ऊपर वर्णित है, एक वैक्यूम में गोलाकार एमएमजी केवल रोटेशन को मापता है और कुछ नहीं। हालांकि, CE और अपूर्ण विनिर्माण की विषमता के कारण, सभी एमएमजी त्वरण महसूस करते हैं। त्वरण के प्रति संवेदनशीलता को अक्सर रैखिक त्वरण (जी-संवेदनशीलता) और रैखिक कंपन (जी-संवेदनशीलता) के प्रति संवेदनशीलता के रूप में समझा जाता है। किसी भी मामले में, त्वरण (मुक्त गिरावट के मामलों को छोड़कर) पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में चलती वस्तुओं पर काम करता है। रैखिक त्वरण के प्रति संवेदनशीलता अक्सर त्रुटियों का मुख्य स्रोत होती है।
न्यूनतम मूल्य सीमा में एमएमजी को मुख्य रूप से लागत के लिए अनुकूलित किया जाता है, लेकिन कंपन प्रतिरोध के लिए नहीं। उनके पास अपेक्षाकृत सरल यांत्रिक प्रणाली है। यद्यपि यह जीवित रहने की विशेषता है (10'000 ग्राम के विशालकाय अधिभार के साथ), यह कंपन से सुरक्षित नहीं है। सेंसर का कम द्रव्यमान -> चौड़ा पासबैंड। इस तरह के जाइरोस्कोप्स में त्वरण (सॉटिशेट्स में त्वरण प्रभाव) की संवेदनशीलता 1000 ° / h / g (या 0.3 ° / s / g) के बराबर हो सकती है। और सेंसर के इस वर्ग के लिए यह मान काफी सामान्य है। लेकिन यह सटीक सेंसर से उम्मीद से अधिक परिमाण का एक आदेश है। त्वरण संवेदनशीलता के संदर्भ में सस्ते सेंसर को शून्य स्थिरता की उम्मीद नहीं करनी चाहिए। पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में छोटे घुमाव भी त्वरण और कंपन के लिए अपनी चरम संवेदनशीलता के कारण भारी त्रुटियों का कारण बनते हैं। वैसे, मुझे STMicroelectronics से A3G4250D के लिए डेटाशीट में "एक्सेलेरेशन प्रभाव" नहीं मिला। सेंसर के इस वर्ग के लिए यह पैरामीटर निर्दिष्ट नहीं है। यह बस महान द्वारा निहित है। नीचे कुछ उच्च-अंत MMG मॉडल के लिए एक तुलना तालिका है।

यह तालिका सटीक वर्ग में सेंसर को सूचीबद्ध करती है। और यहां तक ​​कि उनके लिए, दोनों पैरामीटर हमेशा निर्माता द्वारा निर्दिष्ट नहीं किए जाते हैं।
अक्सर त्वरण की संवेदनशीलता की भरपाई के लिए एक एक्सीलेरोमीटर सुधार का उपयोग किया जाता है। नीचे हैब्रोपोस्ट पर टिप्पणियों से एक उदाहरण है " क्वाड्रोस्कोपर्स के विषय पर" एक क्वाड्रोकोप्टर की ऊंचाई को स्थिर करने की समस्या के उदाहरण का उपयोग करते हुए कई सेंसर के साथ एक जड़त्वीय नेविगेशन प्रणाली (आईएनएस) का उपयोग करना :

यदि बहाव स्थिर और हमेशा एक दिशा में होता है - यह सिर्फ 0. के गलत अंशांकन को इंगित करता है। मल्टीव्यू 0 में, गियर को चालू होने पर हर बार कैलिब्रेट किया जाता है, लेकिन अपूर्ण रूप से (निकटतम पूरे पर गोल), यदि आप कम से कम दसवें में प्रवेश करते हैं तो यह बहुत बेहतर हो जाता है। लेकिन गाइरोस्कोप के इस अनुप्रयोग में, यहां तक ​​कि एक ध्यान देने योग्य बहाव भी भयानक नहीं है, क्योंकि एक संदर्भ अभिविन्यास (कम्पास और एक्सेलेरोमीटर) है जिसके द्वारा इसे ठीक किया जाता है।

लेकिन यह पता चला है कि त्वरण के प्रति संवेदनशीलता के कारण बहाव उस आवृत्ति पर निर्भर करता है जिसके साथ यह त्वरण बदलता है। नीचे MMG CRG20-01 आउटपुट सिग्नल की निर्भरता के ग्राफ दिए गए हैं (डेमो-बोर्ड के रूप में यूनिट डिलीवरी में यह लागत आएगी, अगर मैं गलत नहीं हूँ, डिलीवरी के साथ $ 100-150 के क्षेत्र में) बनाम लागू त्वरण में परिवर्तन की आवृत्ति।

ग्राफ दिखाता है कि त्रुटि त्वरण आयाम पर निर्भर नहीं करती है। लेकिन आवृत्ति पर निर्भरता है। और ऐसे ही आप इस त्रुटि के लिए क्षतिपूर्ति नहीं कर सकते (एक बड़ा बदलाव और संवेदनशीलता परिवर्तन का एक जटिल वक्र)। जी संवेदनशीलता संवेदनशीलता, अगर स्थिर, आसान है। लेकिन फिर से, डेटाशीट्स के सभी निर्माता इस पैरामीटर के लिए ग्राफ़ नहीं दर्शाते हैं। डेवलपर को अक्सर इन ग्राफ़ के साथ स्वयं प्रयोग करना पड़ता है। और अक्सर यह पहले से ही ऑपरेशन में लगाए गए उपकरणों पर क्षेत्र में किया जाता है।
एक्सेलेरोमीटर सुधार के साथ एक और घात चरण मिलान है। सामान्य मामले में, एक्सीलरोमीटर और जाइरोस्कोप की प्राकृतिक आवृत्तियों का संयोग नहीं होता है, और सामान्य रूप से आवृत्ति विशेषताओं। इसलिए, विभिन्न कंपन आवृत्तियों पर, एमएमए और एमएमजी इनपुट पर कंपन के सापेक्ष आउटपुट सिग्नल के चरण में विभिन्न ऑफसेट का उत्पादन करेंगे। अंत में, एक्सीलरोमीटर सुधार बढ़ सकता है! इसे बुझाने के बजाय त्रुटि हुई। यह तब होगा जब एमएमए और एमएमजी के चरण विस्थापन के बीच का अंतर 3.14 रेडियन (180 डिग्री) के मूल्य पर पहुंचता है।
अंत में, के रूप में कंपन और त्वरण के प्रति संवेदनशीलता एक सेंसर मॉडल के ढांचे के भीतर भी भिन्न होती है या यह बहुत बड़ी है, निर्माता बस इसे इंगित नहीं करता है। सच है, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि कंपन के प्रति संवेदनशीलता के लिए सेंसर का परीक्षण करना वास्तव में काफी कठिन है। समस्याएं प्रकृति में तकनीकी और पद्धतिगत दोनों हैं।
कंपन की संवेदनशीलता को कम करने के लिए, आप निश्चित रूप से, रबर इन्सुलेटर के माध्यम से सेंसर को माउंट कर सकते हैं। लेकिन इस निलंबन को बनाने के लिए व्यापक रूप से आवृत्तियों के लिए विशेषताओं का एक समान वितरण है, और यहां तक ​​कि उम्र बढ़ने के दौरान उन्हें नहीं बदला भी बहुत मुश्किल है।
त्वरण और कंपन के प्रति संवेदनशीलता के कारण निम्नलिखित त्रुटियों की तुलना है जब जी-मुआवजा का उपयोग नहीं किया जाता है (जी / एस में)।

और निम्न तालिका जी-क्षतिपूर्ति (जी / एस) के आने के बाद भी बनी हुई त्रुटियों को प्रस्तुत करती है।

जैसा कि आप देख सकते हैं, यहां तक ​​कि जी-मुआवजे की शुरुआत के साथ, संवेदनशीलता से त्वरण तक की त्रुटि अभी भी शून्य की तापमान अस्थिरता से त्रुटि से अधिक हो सकती है (ऊपर हिस्टैरिसीस ग्राफ देखें)।

निष्कर्ष

उपरोक्त इंगित करता है कि सेंसर चुनने के लिए सबसे स्पष्ट सटीकता पैरामीटर हमेशा मुख्य मानदंड नहीं है। "यह हमेशा मोमबत्तियों के नीचे अंधेरा है," लोकप्रिय ज्ञान कहते हैं। डेटाशीट में स्पष्ट रूप से वर्णित नहीं है या बिल्कुल भी निर्दिष्ट नहीं है, परियोजना की सफलता में निर्णायक भूमिका निभा सकता है। आप शून्य की स्थिरता और शोर के फैलाव पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं, लेकिन उन्हें सरल एल्गोरिदम (समय के साथ औसतन या निरर्थक मापन इकाइयों का उपयोग करके) से हराया जा सकता है। लेकिन कंपन से त्रुटि, जैसा कि हमने ऊपर CRG20-01 के उदाहरण पर देखा, एल्गोरिथ्म में वर्णन करना मुश्किल हो सकता है। लंबे समय तक, शून्य स्थिरता MMG के लिए पसंद का सोने का मानक है। हालांकि, व्यवहार में, त्वरण और कंपन की संवेदनशीलता सटीकता पर अधिक प्रभाव डाल सकती है।

निष्कर्ष

मैं दो भागों वाला एक पद बनाना चाहता था - १) तुलनात्मक मानदंड के चयन का औचित्य और २) एनालॉग डिवाइसेस इंक, सिलिकॉन सेंसिंग, सेंसोनोर और एसटीएमइरोइलेक्ट्रॉनिक से मॉडलों की तुलना टीटीएक्स। हालांकि, इसलिए यह "बहु-पत्र" हुआ। यदि यह दिलचस्प है, तो मैं जल्द ही मुख्य विशेषताओं के भौतिक अर्थ के स्पष्टीकरण के साथ डेटाशीट द्वारा उल्लिखित कंपनियों के सेंसर की तुलना करने की कोशिश करूंगा।

UPD: कुछ टाइपो और व्याकरण त्रुटियों को ठीक किया।