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1、MEMS陀螺儀在運動相機中的應用［摘要］MEMS陀螺儀是MEMS領域傳感器中非常重要的一類器件，它具有體積小、重量輕、成本低、可靠性好和測量范圍大等優(yōu)良特性，目前在汽車和消費電子等領域有日益廣泛的應用。本文研究了MEMS陀螺儀在運動相機行業(yè)中的應用，首先介紹了MEMS陀螺儀的工作原理，然后結合目前流行的運動相機探討了MEMS陀螺儀在該領域的發(fā)展和應用，最后總結了MEMS陀螺儀在其他領域未來的發(fā)展趨勢。［關鍵詞］MEMS陀螺儀；傳感器；運動相機中圖分類號：V241.5文獻標識碼：A文章編號:1009-914X(2016)18-0089-011.引言MEMS(Mic
2、ro-Electro-MechanicalSystem)是微電子機械系統(tǒng)的簡稱，它是以微電子技術(半導體制造技術)即微米/納米技術為發(fā)展基礎的本世紀前沿技術。在MEMS中常見的微傳感器產(chǎn)品包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器和MEMS濕度傳感器等以及它們的集成產(chǎn)品。陀螺儀的回轉效應是指在一定的初始狀態(tài)和一定的外力矩作用下，陀螺不停地做自轉運動，于此同時，它還環(huán)繞著另一個固定的轉軸不停地做旋轉，這個固定的轉軸的指向不會跟著承載陀螺儀的支架的旋轉發(fā)生變化，這體現(xiàn)了角動量守恒原理。但是MEMS陀螺儀的工作原理與此不同，因為利用微
3、機械技術在陀螺儀硅片襯底上加工出一個可轉動的結構難度很大，MEMS陀螺儀則利用科里奧效應測量運動物體的角速率。1.MEMS陀螺儀介紹2.1工作原理如上圖所示，一個質(zhì)量為m的物體上的質(zhì)點以速度沿著X軸做連續(xù)運動，圖中藍色箭頭所示即是。只要從外部施加一個旋轉角速率，就會出現(xiàn)一個切向力——科里奧利力，力的方向和質(zhì)點運動方向相互垂直，圖中黃色箭頭所示即時。產(chǎn)生的科里奧利力會使上述的感應質(zhì)點發(fā)生相應的位移，力學表達式為?，F(xiàn)在，經(jīng)常使用的MEMS陀螺儀大部分采用調(diào)音叉結構。調(diào)音叉結構由兩個振動并時刻在地做反向運動的質(zhì)點組成，如圖2所示。當對質(zhì)點施加角速率時，根據(jù)科里奧利效應
4、，每個質(zhì)點上會產(chǎn)生相反方向的科里奧利力，傳感器感應部分的運動電極即轉子位于固定電極即定子的一側，科里奧利力使質(zhì)點產(chǎn)生的位移將引起定子和轉子之間電容值得變化，電容變化量與角速率成正比，所以，在MEMS陀螺儀輸入單元施加的角速率值被轉化為一個可以用相應電路檢測的電參數(shù)。2.2硬件組成MEMS陀螺儀內(nèi)部的結構簡圖如圖3所示。其中信號調(diào)節(jié)電路由電機驅動電路部分和加速傳感器感應電路兩部分組成，電機驅動電路部分利用靜電激勵原理，使驅動電路發(fā)生前后振蕩，通過振蕩為可以給機械元件提供勵磁；加速傳感器感應電路部分則通過測算電容差值的變化來測量科里奧利力在感應質(zhì)點上發(fā)生的位移。這是
5、一個可靠穩(wěn)健的技術，它可以輸出一個強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數(shù)字信號。系統(tǒng)的控制電路具有節(jié)電措施的電源關斷功能，當傳感器功能不使用時，整個傳感器會進行關閉，或讓其進入深度睡眠模式，從而可以大大降低陀螺儀的總功耗量，為設備持久使用提供一種節(jié)能方案。當需要檢測傳感器上施加的角速率時，在檢測到使用者的命令后，傳感器可從睡眠模式中立即喚醒。1.MEMS陀螺儀在運動相機中的應用近些年來，運動攝像機逐漸流行，人們可以把它固定在移動的車體或頭盔上，同樣也可以用于在水中或者其他不同惡劣環(huán)境中拍攝圖片和影像，受到了青年人和戶外運動愛好者的青睞。運動相機會時常處于顛
6、簸抖動狀態(tài)，因此，消除抖動對于運動相機拍攝很重要，否則會造成拍攝出來的視頻或者照片清晰度不夠，甚至可能出現(xiàn)重影或者模糊不清的糟糕情形。宄其原因，這是在我們拍攝過程中，光線進入圖像感知器后，在感光過程中的細微抖動造成的。實現(xiàn)防抖動的方式有很多種，較常見的是電子防抖和光學防抖兩種方式。電子防抖主要使用數(shù)字電路對拍攝畫面進行調(diào)整處理，具有成本低廉的特點，但它大大降低了圖像傳感器的利用率，會影響和損失畫面清晰度和分辨率。與電子防抖比較而言，光學防抖原理很簡單，我們可以在鏡頭內(nèi)安裝MEMS陀螺儀，根據(jù)上述原理來消除攝像機鏡頭的微小抖動。當MEMS陀螺儀感知到鏡頭微小的抖動
7、時，就會馬上將采集到的抖動信號快速反饋給相機的微處理器，通過微處理器的消抖和合適的濾波算法來得到相應數(shù)據(jù)，對鏡頭的位移量進行精確補償，運動相機會根據(jù)補償量調(diào)用補償鏡頭組或者移動圖像傳感器，以達到消除抖動的目的，來確保鏡頭的穩(wěn)定性。系統(tǒng)嬌正的過程如圖4所示。使用安裝有MEMS陀螺儀的運動相機同樣可以在比較顛簸或者抖動較大的場合拍攝清晰的畫面，滿足廣大戶外運動者對于拍攝畫面的要求。1.總結MEMS陀螺儀除了在運動相機有深入應用外，還可以廣泛應用在如下領域：游戲：可通過MEMS陀螺儀實現(xiàn)高速游戲，這些游戲需要偵測快速揮動，如高爾夫和斗劍等；人機交互：MEMS陀螺儀可以
8、像鼠標作為一種人機交互的
