Fábrica de giroscopios de alto rendimiento

Puntos claveProducto: Giroscopios de alto rendimientoCaracterísticas:Medición precisa de la velocidad de rotación con bajo sesgoCompensación de errores de temperatura y vibraciónEstabilidad de sesgo cero como indicador clave de rendimientoLa sensibilidad a la vibración (sensibilidad g y sensibilidad g2) afecta el rendimientoAplicaciones:Aeroespacial, automoción, industria y electrónica de consumoVentajas:Alta precisión con compensación de temperatura y vibración.Estabilidad mejorada con promedio de múltiples dispositivosLos componentes antivibración mejoran el rendimientoLimitaciones: La sensibilidad a la vibración es una fuente importante de erroresLa estabilidad de sesgo cero solo puede lograrse en condiciones idealesLos impactos mecánicos pueden afectar el rendimiento Resumen: Al elegir un giroscopio, es necesario considerar minimizar la fuente máxima de error. En la mayoría de las aplicaciones, la sensibilidad a la vibración es la principal fuente de error. Otros parámetros pueden mejorarse fácilmente mediante calibración o promediando varios sensores. La estabilidad de polarización cero es uno de los componentes con menor margen de error. Al consultar los manuales de datos de giroscopios de alto rendimiento, el primer elemento en el que se centran la mayoría de los diseñadores de sistemas es la especificación de estabilidad de polarización cero. Al fin y al cabo, describe el límite inferior de la resolución del giroscopio y, naturalmente, es el mejor indicador de su rendimiento. Sin embargo, los giroscopios reales pueden presentar errores por diversas razones, lo que imposibilita a los usuarios obtener la alta estabilidad de polarización cero que se indica en el manual. De hecho, un rendimiento tan alto solo se puede lograr en el laboratorio. El método tradicional consiste en utilizar la compensación para minimizar al máximo el impacto de estas fuentes de error. Este artículo analizará diversas tecnologías de este tipo y sus limitaciones. Finalmente, analizaremos otro paradigma alternativo: la selección de giroscopios en función de su rendimiento mecánico y cómo mejorar su estabilidad de polarización si es necesario. Error ambientalTodos los giroscopios MEMS de precio medio a bajo presentan un cierto sesgo de tiempo cero y un error de factor de escala, además de experimentar cambios con la temperatura. Por lo tanto, la compensación de temperatura en giroscopios es una práctica común. En general, la integración de sensores de temperatura en los giroscopios se realiza con este fin. La precisión absoluta del sensor de temperatura no es importante, sino la repetibilidad y la estrecha conexión entre el sensor y la temperatura real del giroscopio. El sensor de temperatura de los giroscopios modernos cumple estos requisitos prácticamente sin problemas. Se pueden utilizar diversas técnicas para la compensación de temperatura, como el ajuste de curvas polinómicas, la aproximación lineal por partes, etc. Siempre que se registre un número suficiente de puntos de temperatura y se tomen las medidas necesarias durante el proceso de calibración, la técnica específica empleada es irrelevante. Por ejemplo, un tiempo de almacenamiento insuficiente a cada temperatura es una fuente común de error. Sin embargo, independientemente de la tecnología utilizada o del cuidado con el que se utilice, la histéresis de temperatura (la diferencia de salida entre el enfriamiento y el calentamiento a una temperatura específica) será el factor limitante. El bucle de histéresis de temperatura del giroscopio ADXRS453 se muestra en la Figura 1. La temperatura varía de +25 °C a +130 °C, luego a -45 °C y finalmente de nuevo a +25 °C, mientras se registran los resultados de la medición de polarización cero del giroscopio sin compensar. Existe una ligera diferencia en la salida de polarización cero de +25 °C entre el ciclo de calentamiento y el de enfriamiento (aproximadamente 0,2 °/s en este ejemplo), lo que se conoce como histéresis de temperatura. Este error no se puede eliminar mediante compensación, ya que se producirá independientemente de si el giroscopio está encendido o no. Además, la magnitud de la histéresis es proporcional a la cantidad de "excitación" de temperatura aplicada. Es decir, cuanto más amplio sea el rango de temperatura aplicado al dispositivo, mayor será la histéresis.Figura 1. Salida de polarización cero del ADXRS453 sin compensación durante el ciclo de temperatura (de -45 °C a +130 °C)Si la aplicación permite restablecer la polarización cero al arrancar (es decir, arrancar sin rotación) o ponerla a cero en sitio, este error puede ignorarse. De lo contrario, esto podría limitar la estabilidad de la polarización cero, ya que no podemos controlar las condiciones de transporte ni almacenamiento. Anti-vibraciónEn una situación ideal, un giroscopio solo mide la velocidad de rotación y no tiene ninguna otra función. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, debido al diseño mecánico asimétrico o a la precisión insuficiente en la microfabricación, todos los giroscopios presentan cierto grado de sensibilidad a la aceleración. De hecho, esta sensibilidad presenta diversas manifestaciones externas y su gravedad varía según el diseño. Las sensibilidades más significativas suelen ser la sensibilidad a la aceleración lineal (o sensibilidad g) y la sensibilidad a la corrección de vibraciones (o sensibilidad g²). Dado que la mayoría de los giroscopios se utilizan en dispositivos que se mueven o giran en un campo gravitatorio de 1 g alrededor de la Tierra, la sensibilidad a la aceleración suele ser la principal fuente de error. Los giroscopios de bajo coste suelen adoptar diseños de sistemas mecánicos extremadamente simples y compactos, y su rendimiento antivibratorio no se ha optimizado (lo que optimiza el coste), por lo que la vibración puede causar graves impactos. No es sorprendente que la sensibilidad g sea superior a 1000 °/h/g (o 0,3 °/s/g), ¡más de 10 veces superior a la de los giroscopios de alto rendimiento! Para este tipo de giroscopio, la estabilidad del sesgo cero tiene poca relevancia. Una ligera rotación del giroscopio en el campo gravitatorio terrestre puede causar errores significativos debido a su sensibilidad a g y g². En general, este tipo de giroscopio no especifica sensibilidad a la vibración; su valor predeterminado es muy alto. Algunos diseñadores intentan usar acelerómetros externos para compensar la sensibilidad g (generalmente en aplicaciones IMU donde ya existe el acelerómetro requerido), lo que de hecho puede mejorar el rendimiento en ciertas situaciones. Sin embargo, debido a varias razones, la compensación de la sensibilidad g no puede lograr un éxito completo. La sensibilidad g de la mayoría de los giroscopios varía con la frecuencia de vibración. La Figura 2 muestra la respuesta del giroscopio Silicon Sensing CRG20-01 a la vibración. Tenga en cuenta que, aunque la sensibilidad del giroscopio está dentro del rango de especificación nominal (superando ligeramente en algunas frecuencias específicas, lo cual puede no ser importante), la tasa de cambio de CC a 100 Hz es de 12:1, por lo que la calibración no puede realizarse simplemente midiendo la sensibilidad en CC. De hecho, el plan de compensación será muy complejo y requerirá que la sensibilidad se modifique según la frecuencia.Figura 2. Respuesta de sensibilidad g de Silicon Sensing CRG20-01 a diferentes tonos sinusoidalesOtra dificultad es igualar la respuesta de fase del acelerómetro de compensación y el giroscopio. Si la respuesta de fase del giroscopio y el acelerómetro de compensación no está bien igualada, ¡los errores de vibración de alta frecuencia pueden incluso amplificarse! De esto, se puede extraer otra conclusión: para la mayoría de los giroscopios, la compensación de sensibilidad g solo es efectiva a bajas frecuencias. La calibración de la vibración a menudo no está regulada, posiblemente debido a diferencias embarazosas o significativas entre los diferentes componentes. También es posible que se deba simplemente a que los fabricantes de giroscopios no están dispuestos a realizar pruebas o regulaciones (para ser justos, las pruebas pueden ser difíciles). De todos modos, la corrección de la vibración debe tenerse en cuenta, ya que no puede ser compensada por un acelerómetro. A diferencia de la respuesta de un acelerómetro, el error de salida de un giroscopio se corregirá. La estrategia más común para mejorar la sensibilidad de gLa Figura 2 consiste en añadir un componente antivibratorio mecánico, como se muestra en la Figura 3. La imagen muestra un giroscopio para automóvil Panasonic parcialmente retirado de su carcasa metálica. El componente del giroscopio está aislado de la carcasa metálica mediante un componente antivibratorio de goma. El diseño de componentes antivibratorios es muy difícil debido a que su respuesta no es uniforme en un amplio rango de frecuencias (especialmente deficiente a bajas frecuencias) y sus características de amortiguación varían con la temperatura y el tiempo de uso. Al igual que la sensibilidad, la respuesta de corrección de vibraciones de un giroscopio puede variar con la frecuencia. Si bien los componentes antivibratorios pueden diseñarse con éxito para atenuar las vibraciones de banda estrecha en un espectro de frecuencias conocido, no son adecuados para aplicaciones generales donde puedan existir vibraciones de banda ancha.Figura 3. Componentes antivibratorios típicosLos principales problemas causados ​​por el abuso mecánicoEn muchas aplicaciones, pueden ocurrir abusos rutinarios a corto plazo que, si bien no dañan el giroscopio, pueden generar errores significativos. A continuación, se presentan algunos ejemplos.Algunos giroscopios pueden soportar sobrecargas de velocidad sin presentar un rendimiento anormal. La Figura 4 muestra la respuesta del giroscopio CRG20 de Silicon Sensing a entradas de velocidad que exceden el rango nominal en aproximadamente un 70 %. La curva de la izquierda muestra la respuesta del CRS20 cuando la velocidad de rotación cambia de 0 °/s a 500 °/s y permanece constante. La curva de la derecha muestra la respuesta del dispositivo cuando la velocidad de entrada disminuye de 500 °/s a 0 °/s. Cuando la velocidad de entrada excede el rango de medición nominal, la salida oscila aleatoriamente entre pistas.Figura 4. Respuesta del sensor de silicio CRG-20 a una entrada de velocidad de 500 °/s  Algunos giroscopios tienden a bloquearse incluso al ser sometidos a impactos de tan solo unos cientos de gramos. Por ejemplo, la Figura 5 muestra la respuesta del VTI SCR1100-D04 a un impacto de 250 g durante 0,5 ms (el método para generar el impacto consiste en dejar caer una bola de acero de 5 mm desde una altura de 40 cm sobre la placa de circuito impreso (PCB) junto al giroscopio). El giroscopio no sufrió daños debido al impacto, pero ya no responde a la entrada de velocidad y es necesario apagarlo y encenderlo de nuevo para reiniciarlo. Este fenómeno no es inusual, ya que varios giroscopios presentan un comportamiento similar. Es recomendable comprobar si el giroscopio propuesto puede soportar el impacto en la aplicación.Figura 5. Respuesta del VTI SCR1100-D04 a un impacto de 250 g, 0,5 msObviamente, estos errores serán asombrosamente grandes. Por lo tanto, es necesario identificar cuidadosamente las posibles situaciones de abuso en una aplicación determinada y verificar si el giroscopio puede soportarlas. Seleccionar un nuevo paradigmaEn la presupuestación de errores, la estabilidad de polarización cero es uno de los componentes más pequeños, por lo que al elegir un giroscopio, un enfoque más razonable es considerar minimizar la fuente máxima de error. En la mayoría de las aplicaciones, la sensibilidad a la vibración es la principal fuente de error. Sin embargo, a veces los usuarios pueden desear un ruido menor o una mejor estabilidad de polarización cero que la del giroscopio seleccionado. Afortunadamente, existe una solución para este problema: tomar el promedio. A diferencia de los errores ambientales o de vibración relacionados con el diseño, el error de estabilidad de polarización cero de la mayoría de los giroscopios presenta características de ruido. Es decir, la estabilidad de polarización cero de diferentes dispositivos no está correlacionada. Por lo tanto, podemos mejorar el rendimiento de la estabilidad de polarización cero promediando varios dispositivos. Si se promedian n dispositivos, la mejora esperada es √ n. El ruido de banda ancha también se puede mejorar mediante un método de promediado similar. ConclusiónDurante mucho tiempo, la estabilidad de polarización cero se ha considerado el estándar absoluto para las especificaciones de los giroscopios, pero en aplicaciones prácticas, la sensibilidad a la vibración suele ser un factor limitante más importante que limita el rendimiento. La elección de un giroscopio en función de su anti...-La capacidad de vibración es razonable, ya que otros parámetros se pueden mejorar fácilmente mediante la calibración o el promedio de múltiples sensores. Apéndice: Cálculo de errores causados ​​por vibraciónPara calcular el error causado por la vibración en una aplicación determinada, es necesario comprender la amplitud de aceleración esperada y la frecuencia con la que puede ocurrir esta aceleración.l  Correr normalmente produce un pico de 2 gramos, lo que representa aproximadamente el 4% del tiempo.l  La vibración del helicóptero es bastante estable. La mayoría de las especificaciones de los helicópteros son de banda ancha de 0,4 g y un ciclo de trabajo del 100 %.l  Los barcos (especialmente las embarcaciones pequeñas) en aguas turbulentas pueden inclinarse hasta ± 30° (lo que produce ± 0,5 g de vibración). Se puede suponer un ciclo de trabajo del 20 %.l  En equipos de construcción como niveladoras y cargadoras frontales, al impactar con piedras, las cuchillas o cucharones producen una fuerza g alta (50 g) y un impacto breve. El valor típico del ciclo de trabajo es del 1 %. Al calcular el error causado por la vibración, es necesario considerar la sensibilidad de g y g2. Tomando como ejemplo la aplicación en helicópteros, el cálculo es el siguiente:Error=[error de sensibilidad g]+[error de sensibilidad g2]=[0,4 gxg sensibilidad x 3600 s/hx 100%]+[(0,4 g) 2 × sensibilidad g2 × 3600 s/h × 100 %]Si la sensibilidad de g se compensa con un acelerómetro, solo disminuye la sensibilidad de g y la disminución es el coeficiente de compensación. MG502GIROSCOPIOS DE UN EJE MEMS DE ALTA PRECISIÓN MG-502 --