硅MEMS陀螺教学实验平台搭建_郭占社

ISSN1672－4305 CN12－1352/N

实验室科学

LABORATORY SCIENCE

第16卷第1期2013年2月

Vol.16No.1Feb.2013硅MEMS陀螺教学实验平台搭建

郭占社1，曹乐1，王显波2，韩景轩1

(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191;2．中国北方车辆研究所底盘部件技术部，北京100072)

摘要：基于硅MEMS陀螺体积小，工作原理较抽象，课堂教学接受比较困难的问题，搭建了一种硅MEMS （Micro electro－mechanical System）陀螺教学实验平台。该实验平台主要由高精度转台、MEMS陀螺芯片、A/D 转换电路、单片机数据采集及处理电路、液晶显示装置等组成。通过高精度转台等标准标定装置，对实验平台的性能进行了评价。结果表明：系统性能良好，能够满足实验要求。

关键词：MEMS陀螺；教学实验平台；高精度转台；单片机

中图分类号：TP273．2文献标识码：A doi：10．3969/j．issn．1672－4305．2013．01．055

Construction of the teaching experimental platform for silicon MEMS gyroscope

GUO Zhan－she1，CAO Le1，WANG Xian－bo2，HAN Jing－xuan1（1．School of Instrument Science＆Opto－electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2．Department of Chassis Components Technology，China North Vehicle Research Institute，Beijing100072，China）

Abstract：Based on the problem solution of little bulk and hard to be understood during the course of the class teaching for the MEMS（Micro Electro－Mechanical System）gyroscope，this paper intro-duces the design and fabrication of a teaching experimental platform．It is mainly composed of a high precision turntable，MEMS gyroscope chip，A/D converter circuit，a single－chip microcomputer data collection unit and the LED display unit．Performance of the system is calibrated using the high preci-sion turntable．This experimental system will offer great help to the undergraduate students and gradu-ate students on the understanding of this kind of sensor．

Key words：MEMS gyroscope；teaching experimental platform；high precision turntable；single－

chip microcomputer

硅MEMS陀螺作为非常重要的一类惯性器件，主要用于对运动载体运动角速率的测量［1－4］。相对于传统的机械式陀螺［5－8］，该类传感器具有体积小、功耗低、集成度高以及成本低的优势［9－10］，而成为目前惯性技术发展的主要方向。目前，国内外许多著名研究机构包括美国加州大学伯克利分校、斯坦福大学、Draper国家重点实验室、ADI公司、Litton 公司、Sandia国家重点实验室等。许多高性能MEMS陀螺已实现产品化。

国内在微惯性系统方面的研究起始于上世纪90年代，主要研究机构包括清华大学、北京大学、北京航空航天大学等。而作为具有航空航天特色大学的本科生及研究生，了解该类传感器的工作原理、制作工艺、数据处理并了解国内外最新研究现状，是非常必要的。目前，国内许多大学例如浙江大学机械工程学系、清华大学精密仪器系、中国电子科技大学机械设计制造及其自动化专业等都在开设了微机电系统课程，并把MEMS陀螺作为非常重要的一部分进行讲解，但都没有相关实验教学内容。北京航空航天大学国家级精品课“传感器技术及应用”已把MEMS惯性传感器作为重要的传感器进行详细讲解，但到目前为止，同样没有相关实验教学内容。而由于MEMS器件的功能尺寸在微米量级且其加工工艺是基于光刻、腐蚀及键合技术的MEMS加工工艺，与传统的精密加工工艺差别较大，学生对其理解较困难。因此，有必要建立基于MEMS技术的微惯

郭占社，等:硅MEMS陀螺教学实验平台搭建

性实验平台，使学生不但能够了解该类传感器的工作原理，还能够对其制作工艺、数据处理方法及国内外研究现状具有较深刻的了解，也正是本项目重要研究内容。

1实验平台搭建方案

硅MEMS陀螺教学实验平台工作原理如图1所示，实物图见图2。该测试平台主要由高精度转台、MEMS陀螺芯片、A/D数模转换电路、单片机数据采集系统以及LED显示装置等组成。实验过程中MEMS陀螺芯片及其测试系统（包括A/D转换电路、单片机数据采集系统以及LED显示装置）都安装在高精度转台上。高精度转台向测试系统提供高精度的角速率信号，MEMS陀螺在受到角速率载荷后输出一定幅值的模拟输出电压，经过A/D数模转换电路把模拟信号转换为数字信号输入到单片机，然后通过相关计算软件把电压信号换算成角速率信号并通过LED显示装置显示。最后，输出的速率信号可以和转台的标准信号进行对比，进而实现对传感器性能的评估。实验过程中学生可通过亲自动手操作的方式，加深对该类传感器工作原理、过程及性能指标的评价。达到较好的实验教学效果

。

图1

实验平台工作原理图

图2CRS03陀螺仪实物图

2传感器的选取

基于本实验教学系统的要求，不但要求传感器能够具有良好的输出特性，还具有良好的温度特性及抗震特性。因此，选用了性能较好的CRS03系列硅MEMS陀螺。该类传感器是基于电容检测方式，利用Corioli效应实现对角速率的测试的。因此，温度特性对其性能影响较好，性能也比较稳定。

其供电电压为4．75V 5．25V，量程可达到?100o/s。该传感器输出电压与待测角速率之间具有良好的线性关系：

V

=

1

2

V

dd

+ω?SF?

V

dd

()

5

（1）其中V0为输出电压，V dd为输入电压，ω为转动角速率，SF为比例因子。

因此，更加保证了传感器的测试精度。

3实验平台中硬件系统搭建

本实验平台中硬件系统的搭建采用A/D转换电路，单片机以及液晶显示系统。其中A/D转换电路用于实现模拟信号向数字信号的转变，单片机系统用于实现对数字信号的采集、处理，液晶显示装置用于实现对角速率参数的现实。其中单片机核心处理芯片采用了AT89S52，A/D转换芯片选用了ADS7816，而系统的供电芯片采用了78M05，以实现向单片机以及A/D转换芯片的供电。液晶显示系统采用了LCD12864。制作完毕的数据采集电路如图3所示

。

图3数据采集系统硬件电路

4系统性能评价

4．1测试原理

装配完毕的测试系统如图4所示，整个实验平台（包括MEMS陀螺）在测试过程中安装在高精度转台上，以实现对其性能的标定。测试过程中高精度转台输出一系列标准角速率信号，传感器就会输出一系列对应的电压信号，通过两者比较，就可以得出对应的线性关系。同时，还对测试装置的稳定性

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进行了测试

。

图4硅MEMS陀螺性能测试装置

4．2电压—角速度线性关系确定

在0 100o/s范围内，以20o/s为间隔，由高性能转台发出一系列角速率信号，同时，记录此时传感器的输出电压，测试结果如图5所示

。

图5测试结果图

采用最小二乘法，得到两者之间的线性关系方程为：

Y=2．497－0．02X（2）4．3系统稳定性确定

为验证传感器性能，在标定基础上，对其稳定性进行了测试。本实验中稳定性连续测试时间为15.5h，记录时间间隔为0．5h，各时间段测试得到的数据如表1所示。

由表中数据可以看出，在测试时间内，电压变化基本上在2．495V和2．540V之间变化，漂移很小，说明系统具有较好的稳定性。

5结论

本文介绍了一种硅MEMS陀螺的实验教学系统，并对其性能进行了测试。标定结果表明，传感器输出电压与输入角速率信号之间具有良好的线性关系。同时，稳定性实验说明，在15．5h的实验时间内，传感器的输出电压在2．495V和2．540V间变化，说明系统具有良好的稳定性。

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收稿日期：2012－09－03

修改日期：2012－10－11

作者简介：郭占社（1973－），男，河北邯郸人，博士，副教授，

主要研究方向为先进传感技术。

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