Desempenho mecânico do giroscópio: o parâmetro mais importante
Mar 24, 2025
Pontos-chaveProduto: Giroscópios de Alto DesempenhoCaracterísticas:Medição precisa da taxa de rotação com baixo viésCompensação de erros de temperatura e vibraçãoEstabilidade de viés zero como indicador chave de desempenhoA sensibilidade à vibração (sensibilidade g e sensibilidade g2) impacta o desempenho.Aplicações:Aeroespacial, automotivo, industrial e eletrônicos de consumoVantagens:Alta precisão com compensação de temperatura e vibração.Estabilidade aprimorada com média de múltiplos dispositivos.Os componentes antivibração melhoram o desempenho.Limitações: A sensibilidade à vibração é uma das principais fontes de erro.A estabilidade de polarização zero pode ser alcançável apenas em condições ideais.Impactos mecânicos podem afetar o desempenho. Resumo: Ao escolher um giroscópio, é necessário considerar a minimização da principal fonte de erro. Na maioria das aplicações, a sensibilidade à vibração é a maior fonte de erro. Outros parâmetros podem ser facilmente melhorados por meio de calibração ou pela média de múltiplos sensores. A estabilidade de polarização zero é um dos componentes com menor margem de erro. Ao consultar manuais de dados de giroscópios de alto desempenho, o primeiro elemento em que a maioria dos projetistas de sistemas se concentra é a especificação de estabilidade de polarização zero. Afinal, ela descreve o limite inferior da resolução do giroscópio e é, naturalmente, o melhor indicador de seu desempenho! No entanto, giroscópios reais podem apresentar erros por diversos motivos, impossibilitando que os usuários obtenham a alta estabilidade de polarização zero prometida no manual de dados. De fato, esse alto desempenho só pode ser alcançado em laboratório. O método tradicional consiste em utilizar compensação para minimizar ao máximo o impacto dessas fontes de erro. Este artigo discutirá diversas tecnologias desse tipo e suas limitações. Por fim, abordaremos um paradigma alternativo: a seleção de giroscópios com base em seu desempenho mecânico e como melhorar sua estabilidade de polarização, se necessário. Erro ambientalTodos os giroscópios MEMS de preço médio a baixo apresentam um certo viés no instante zero e um erro de fator de escala, além de sofrerem variações com a temperatura. Portanto, a compensação de temperatura em giroscópios é uma prática comum. De modo geral, a integração de sensores de temperatura em giroscópios tem como objetivo justamente compensar essa variação. A precisão absoluta do sensor de temperatura não é o mais importante; o que importa é a repetibilidade e a alta correlação entre a temperatura medida pelo sensor e a temperatura real do giroscópio. Os sensores de temperatura dos giroscópios modernos atendem a esses requisitos com relativa facilidade. Muitas técnicas podem ser usadas para compensação de temperatura, como ajuste de curvas polinomiais, aproximação linear por partes, etc. Contanto que um número suficiente de pontos de temperatura seja registrado e medidas adequadas sejam tomadas durante o processo de calibração, a técnica específica utilizada é irrelevante. Por exemplo, tempo de armazenamento insuficiente em cada temperatura é uma fonte comum de erro. No entanto, independentemente da tecnologia utilizada ou do cuidado tomado, a histerese térmica — a diferença na saída entre o resfriamento e o aquecimento até uma temperatura específica — será o fator limitante. A Figura 1 mostra o ciclo de histerese térmica do giroscópio ADXRS453. A temperatura varia de +25 °C a +130 °C, depois a -45 °C e, finalmente, retorna a +25 °C, enquanto são registrados os resultados da medição de polarização zero do giroscópio não compensado. Há uma pequena diferença na saída de polarização zero a +25 °C entre o ciclo de aquecimento e o ciclo de resfriamento (aproximadamente 0,2 °C/s neste exemplo), conhecida como histerese térmica. Esse erro não pode ser eliminado por meio de compensação, pois ocorrerá independentemente de o giroscópio estar ligado ou não. Além disso, a magnitude da histerese é proporcional à quantidade de "excitação" térmica aplicada. Ou seja, quanto maior a faixa de temperatura aplicada ao dispositivo, maior a histerese.Figura 1. Saída de polarização zero do ADXRS453 não compensado durante o ciclo de temperatura (-45 °C a +130 °C)Se o aplicativo permitir redefinir o viés zero na inicialização (ou seja, iniciar sem rotação) ou zerar o viés zero no local, esse erro pode ser ignorado. Caso contrário, isso pode ser um fator limitante para o desempenho da estabilidade do viés zero, já que não podemos controlar as condições de transporte ou armazenamento. Anti-vibraçãoEm uma situação ideal, um giroscópio mede apenas a taxa de rotação e não interfere em mais nada. No entanto, em aplicações práticas, devido ao projeto mecânico assimétrico e/ou à precisão insuficiente na microfabricação, todos os giroscópios apresentam certo grau de sensibilidade à aceleração. De fato, a sensibilidade à aceleração se manifesta de diversas maneiras externas, e sua intensidade varia de acordo com o projeto. As sensibilidades mais significativas geralmente são a sensibilidade à aceleração linear (ou sensibilidade a g) e a sensibilidade à correção de vibração (ou sensibilidade a g²). Como a maioria dos giroscópios é utilizada em dispositivos que se movem e/ou giram em um campo gravitacional de 1g ao redor da Terra, a sensibilidade à aceleração costuma ser a maior fonte de erro. Os giroscópios de baixo custo geralmente adotam projetos de sistemas mecânicos extremamente simples e compactos, e seu desempenho antivibração não foi otimizado (a otimização visa o custo), portanto, vibrações podem causar impactos sérios. Não é surpreendente que a sensibilidade à aceleração (g) seja superior a 1000 °/h/g (ou 0,3 °/s/g), o que é mais de 10 vezes maior do que a de giroscópios de alto desempenho! Para esse tipo de giroscópio, a estabilidade do viés zero tem pouca importância. Uma leve rotação do giroscópio no campo gravitacional da Terra pode causar erros significativos devido à sua sensibilidade a g e g². De modo geral, esse tipo de giroscópio não especifica a sensibilidade à vibração — o valor padrão é muito alto. Alguns projetistas tentam usar acelerômetros externos para compensar a sensibilidade à aceleração (geralmente em aplicações de IMU onde o acelerômetro necessário já existe), o que de fato pode melhorar o desempenho em certas situações. No entanto, por diversos motivos, a compensação da sensibilidade à aceleração não é totalmente eficaz. A sensibilidade à aceleração da maioria dos giroscópios varia com a frequência da vibração. A Figura 2 mostra a resposta do giroscópio Silicon Sensing CRG20-01 à vibração. Observe que, embora a sensibilidade do giroscópio esteja dentro da faixa de especificação nominal (excedendo ligeiramente em algumas frequências específicas, o que pode não ser importante), a taxa de variação de CC para 100 Hz é de 12:1, portanto, a calibração não pode ser realizada simplesmente medindo a sensibilidade em CC. De fato, o plano de compensação será muito complexo, exigindo que a sensibilidade seja alterada de acordo com a frequência.Figura 2. Resposta de sensibilidade à aceleração (g) do sensor de silício CRG20-01 a diferentes tons senoidais.Outra dificuldade reside na correspondência da resposta de fase entre o acelerômetro de compensação e o giroscópio. Se a resposta de fase do giroscópio e do acelerômetro de compensação não estiver bem sincronizada, os erros de vibração de alta frequência podem ser amplificados! Disso, podemos chegar a outra conclusão: para a maioria dos giroscópios, a compensação da sensibilidade à aceleração gravitacional só é eficaz em baixas frequências. A calibração de vibração muitas vezes não é regulamentada, possivelmente devido a diferenças insignificantes ou significativas entre os componentes. Também é possível que seja simplesmente porque os fabricantes de giroscópios não estão dispostos a testar ou regular o equipamento (para ser justo, os testes podem ser difíceis). De qualquer forma, a correção de vibração deve ser levada em consideração, pois não pode ser compensada por um acelerômetro. Ao contrário da resposta de um acelerômetro, o erro de saída de um giroscópio será corrigido. A estratégia mais comum para melhorar a sensibilidade de gA segunda solução consiste em adicionar um componente mecânico antivibração, conforme ilustrado na Figura 3. A imagem mostra um giroscópio automotivo Panasonic parcialmente removido da embalagem com tampa metálica. O componente do giroscópio está isolado da tampa metálica por um componente antivibração de borracha. Componentes antivibração são muito difíceis de projetar, pois sua resposta não é uniforme em uma ampla faixa de frequência (especialmente deficiente em baixas frequências), e suas características de amortecimento variam com a temperatura e o tempo de uso. Assim como a sensibilidade, a resposta de correção de vibração de um giroscópio pode variar com a frequência. Mesmo que componentes antivibração possam ser projetados com sucesso para atenuar vibrações de banda estreita em um espectro de frequência conhecido, tais componentes não são adequados para aplicações gerais onde vibrações de banda larga podem estar presentes.Figura 3. Componentes antivibração típicosOs principais problemas causados pelo abuso mecânicoEm muitas aplicações, podem ocorrer eventos de uso indevido de curta duração que, embora não causem danos ao giroscópio, podem resultar em erros significativos. Aqui estão alguns exemplos.Alguns giroscópios podem suportar sobrecarga de taxa sem apresentar desempenho anormal. A Figura 4 mostra a resposta do giroscópio Silicon Sensing CRG20 a entradas de taxa que excedem a faixa nominal em aproximadamente 70%. A curva à esquerda mostra a resposta do CRG20 quando a taxa de rotação varia de 0 °/s a 500 °/s e permanece constante. A curva à direita mostra a resposta do dispositivo quando a taxa de entrada diminui de 500 °/s para 0 °/s. Quando a taxa de entrada excede a faixa de medição nominal, a saída oscila aleatoriamente entre os valores.Figura 4. Resposta do sensor de silício CRG-20 a uma taxa de entrada de 500 °/s. Alguns giroscópios apresentam uma tendência a "travar" mesmo quando submetidos a impactos de apenas algumas centenas de gramas. Por exemplo, a Figura 5 mostra a resposta do VTI SCR1100-D04 a um impacto de 250 g com duração de 0,5 ms (o método para gerar o impacto consiste em deixar cair uma esfera de aço de 5 mm de uma altura de 40 cm sobre a placa de circuito impresso próxima ao giroscópio). O giroscópio não foi danificado pelo impacto, mas deixou de responder à entrada de taxa e precisa ser desligado e ligado novamente para reiniciar. Este não é um fenômeno raro, pois vários giroscópios apresentam comportamento semelhante. É prudente verificar se o giroscópio proposto suporta o impacto na aplicação em questão.Figura 5. Resposta do VTI SCR1100-D04 a um impacto de 250 g e 0,5 ms.Obviamente, tais erros serão surpreendentemente grandes. Portanto, é necessário identificar cuidadosamente as potenciais situações de abuso em uma determinada aplicação e verificar se o giroscópio é capaz de suportá-las. Selecionando um novo paradigmaNa análise de erros, a estabilidade do viés zero é um dos componentes de menor importância; portanto, ao escolher um giroscópio, uma abordagem mais sensata é considerar a minimização da fonte máxima de erros. Na maioria das aplicações, a sensibilidade à vibração é a maior fonte de erros. No entanto, às vezes, os usuários podem desejar menor ruído ou melhor estabilidade do viés zero do que o giroscópio selecionado oferece. Felizmente, temos uma maneira de resolver esse problema: calcular a média. Ao contrário dos erros ambientais ou de vibração relacionados ao projeto, o erro de estabilidade de polarização zero da maioria dos giroscópios apresenta características de ruído. Ou seja, a estabilidade de polarização zero de diferentes dispositivos não é correlacionada. Portanto, podemos melhorar o desempenho da estabilidade de polarização zero calculando a média de múltiplos dispositivos. Se n dispositivos forem utilizados para calcular a média, a melhoria esperada será √n. O ruído de banda larga também pode ser reduzido por um método de média semelhante. ConclusãoPor muito tempo, a estabilidade de polarização zero foi considerada o padrão absoluto para as especificações de giroscópios, mas, em aplicações práticas, a sensibilidade à vibração costuma ser um fator mais sério que limita o desempenho. Escolher um giroscópio com base em sua resistência à vibração é fundamental.-A capacidade de resposta à vibração é razoável, visto que outros parâmetros podem ser facilmente melhorados através de calibração ou da média de múltiplos sensores. Apêndice: Cálculo dos erros causados pela vibraçãoPara calcular o erro causado pela vibração em uma determinada aplicação, é necessário compreender a amplitude esperada da aceleração e a frequência na qual essa aceleração pode ocorrer.l A corrida normalmente produz um pico de 2 gramas, representando aproximadamente 4% do tempo.l A vibração do helicóptero é bastante estável. A maioria das especificações de helicópteros apresenta vibração de banda larga de 0,4 g e ciclo de trabalho de 100%.l Em águas turbulentas, embarcações (especialmente barcos pequenos) podem inclinar-se até ± 30° (produzindo ± 0,5 g de vibração). O ciclo de trabalho pode ser considerado de 20%.l Para equipamentos de construção, como niveladoras e pás carregadeiras, desde que suas lâminas ou caçambas atinjam pedras, produzirão uma força G elevada (50 g) e um impacto breve. O valor típico do ciclo de trabalho é de 1%. Ao calcular o erro causado pela vibração, é necessário considerar a sensibilidade de g e g2. Tomando como exemplo a aplicação em helicópteros, o cálculo é o seguinte:Erro = [erro de sensibilidade g] + [erro de sensibilidade g2]=[0,4 gxg sensibilidade x 3600 s/h x 100%]+[(0,4 g) 2 × sensibilidade g2 × 3600 s/h × 100%]Se a sensibilidade de g for compensada por um acelerômetro, apenas a sensibilidade de g diminui, e essa diminuição é o coeficiente de compensação. MG502MG-502 GIROSCÓPIOS DE EIXO ÚNICO MEMS DE ALTA PRECISÃO --
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