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Gyroscopes MEMS

Produits associés : HF2LI, HF2LI-MF, HF2LI-MOD, HF2LI-PID, HF2LI-PLL, UHFLI, UHF-PID, HF2TA

Description de l'application

La détection des mouvements de rotation est importante pour les secteurs de l'automobile et de l'aviation, ainsi que pour la navigation GPS et les systèmes de surveillance de la santé. Aujourd'hui, les gyroscopes basés sur la technologie des systèmes microélectromécaniques (MEMS) peuvent être miniaturisés pour être intégrés dans les smartphones avec une consommation d'énergie minimale. Ces systèmes surveillent le mouvement d'une masse étalon vibrante, fixée à un cadre de montage par une structure MEMS semblable à un ressort, dans toutes les directions de l'espace. Les gyroscopes MEMS sont souvent associés à des accéléromètres, ce qui permet d'obtenir des mesures en six dimensions à partir d'un seul dispositif.

La masse d'épreuve est souvent forcée à vibrer périodiquement dans une direction à l'aide d'électrodes de commande (qui identifient le mode de commande). Lorsque le dispositif subit un mouvement de rotation, la masse subit la force de Coriolis dans son plan de référence en rotation : cela se traduit par un léger déplacement dans une direction perpendiculaire à celle définie par le mode d'entraînement (comme le montre la figure). La détection de l'amplitude de ce déplacement (par ce que l'on appelle le mode de détection) fournit la vitesse angulaire de rotation. Ce type de dispositif de détection du mouvement de rotation est souvent appelé gyroscope vibratoire de Coriolis (CVG).

Stratégies de mesure

Coriolis vibratory gyroscope characterized with the Zurich Instruments HF2LI Lock-in Amplifier and the HF2TA Current Amplifier

Les mesures précises de rotation avec un CVG nécessitent un niveau élevé de contrôle sur les modes d'entraînement et de détection. Pour cela, des circuits intégrés spécifiques à l'application (ASIC) sont souvent développés.

Contrôle du mode d'entraînement

La première étape consiste à forcer la masse à vibrer à sa résonance le long du mode d'entraînement en utilisant une boucle à verrouillage de phase (PLL). Un contrôleur PID supplémentaire garantit que le mode d'entraînement a une amplitude constante en réalisant un contrôle automatique du gain (AGC). Ensemble, les deux boucles de rétroaction garantissent que le mouvement de rotation n'affecte pas le mode d'entraînement. La modulation de la porteuse en amplitude ou en fréquence peut aider à rejeter le bruit de fond et d'autres contributions parasites aux mesures gyroscopiques. Il est également possible d'effectuer une résonance paramétrique en utilisant plusieurs démodulateurs synchronisés et un balayeur paramétrique.

Configuration du mode de détection en boucle ouverte

Dans la configuration en boucle ouverte, une seule composante de sortie du démodulateur contrôle le mode de détection ; un ajustement manuel de la phase du mode de détection est nécessaire pour récupérer une amplitude directement proportionnelle à la vitesse angulaire. Cependant, la constante de temps de décroissance de l'amplitude, déterminée par le facteur de qualité et la fréquence de résonance du mode de détection, limite le temps de réponse du gyroscope à une rotation d'entrée.

Configuration du mode de détection en boucle fermée

Le contrôle en boucle fermée du mode de détection permet de réduire le temps de réponse du dispositif et d'augmenter la bande passante et la gamme dynamique du CVG. Le schéma en boucle fermée produit une force de rétroaction qui supprime le mouvement dans le mode de détection. Cette méthode d'équilibrage par la force permet un accès direct à la vitesse angulaire d'entrée par l'intermédiaire de l'amplitude de la force de rétroaction appliquée. La configuration du mode de détection en boucle fermée nécessite quatre boucles de contrôle, dont trois reposent sur des contrôleurs PID pour construire le signal de retour.

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Toutes les stratégies de contrôle du gyroscope énumérées ci-dessus peuvent être mises en œuvre et testées de manière transparente sur votre appareil avec les détections synchrones de Zurich Instruments, éliminant ainsi le besoin de développer un ASIC coûteux. Par exemple, la détection synchrone HF2LI offre une largeur de bande PLL de 50 kHz et peut ainsi réduire considérablement la complexité de fonctionnement d'un CVG - notamment dans la configuration de détection en boucle fermée. Pour les applications de détection nécessitant un fonctionnement plus rapide et des largeurs de bande de contrôle plus grandes, la détection synchrone UHFLI adapte les capacités du HF2LI pour des fréquences allant jusqu'à 600 MHz (avec une largeur de bande PLL de 300 kHz).
  • Vous pouvez caractériser le comportement du mode d'entraînement et du mode de détection grâce aux outils des domaines temporel et fréquentiel offerts par le logiciel LabOne.
  • L'électronique analogique de Zurich Instruments donne accès à des mesures différentielles de tension ou de courant (en combinant le HF2LI avec l'amplificateur de courant HF2TA), et offre plusieurs étages d'entrée pour minimiser le bruit d'entrée et maximiser le rapport signal sur bruit pour les signaux périodiques.
  • Grâce au transfert rapide des données numériques par des connexions USB ou GbE, aucune carte de numérisation supplémentaire est nécessaire pour enregistrer vos résultats de mesure.

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Vidéos

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Application Notes

Zurich Instruments

Control of MEMS Coriolis Vibratory Gyroscopes

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