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引言 兒童和狗能夠毫不費力地辨別方向以及控制體操動作。有些人認為這就像“小孩游戲”一樣簡單，直到他們試圖使機器人模仿這種本領。人類定向系統的復雜性不可思議，當我們在地面上時其表現非常出色。相反，在飛機上時，我們則處于一種不熟悉的三維環境下，再加上缺少視覺定向參考，就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙有關，其中90%是致命的（參考文獻1）。 微機電系統(MEMS)慣性傳感器的設計在本質上對運動非常敏感，可有效檢測和處理線性加速、磁航向、海拔和角速率信息。為充分利用慣性傳感器的性能潛力，設計者必須熟悉總體機械系統，密切關注應用中的運動源和諧振。 本文介紹了MEMS慣性傳感器（例如陀螺儀和加速計）如何幫助人或機器克服空間定向障礙。文章介紹了外力和運動對系統工作的影響，以及元件布局和安裝條件(空間關系)對MEMS慣性傳感器性能的直接影響。系統配置各有不同(例如電路板尺寸、材質、安裝方法)，設計者需要根據具體應用設計特定的方案。文章還介紹了如何檢測并減少錯誤的慣性信號。對于實際環境中出現有害的移動信號和系統共振的情況，文章給出增強傳感器系統工作的實用建議。 人類的平衡 本文首先從討論平衡開始，以人類耳朵為例。圖1中的耳蝸是聽覺器官。耳膜通過我們身體中一些最小的骨骼振動耳蝸。耳蝸長有毫毛或纖毛，并且充滿液體。當耳蝸移動時，液體由于慣性的原因并不移動。纖毛感測這種運動差異，并將神經脈沖傳輸至我們的腦部，表現為聲音。 圖1. 人體平衡和聽力是內耳中復雜平衡器官的一部分。 人耳也包含用于平衡的運動檢測系統。三個半規管的作用類似于相互垂直的陀螺儀，感測并將脈沖信號送至腦部，表示人的平衡狀態。不幸的是，我們感測運動的方式存在局限性。 如果運動小于2度每秒時，我們將感測不到；如果穩定運動的時間超過20至25秒，我們則會停止感測運動。這種人類局限性會引起錯亂。在內耳中存在其他兩個感覺器官：橢圓囊感測線性加速度，球囊感測重力。耳朵中的全部5個感覺器官向腦部傳送身體方位和運動信息，幫助我們平衡。這和眼睛一起，幫助我們維持平衡，并且在頭部運動或身體旋轉時使我們的眼睛盯住目標。 飛機中的飛行員與空間定向 飛行員都知道不要靠直覺(即不依賴于內部感觀)飛行，而是要依賴于飛行儀表。這非常難以掌握，尤其在緊急和恐慌的情況下。 根據美國聯邦航空管理局(FAA)的信息，飛行員受一種稱為“墓地盤旋”的常見錯覺影響。這與有意識或無意識長時間傾斜轉彎后恢復水平飛行有關。例如，當飛行員開始傾斜向左轉彎時，最初會感覺到在相同方向的轉彎；如果繼續向左轉彎(約20秒或更長)，飛行員就會覺得飛機不再向左轉彎。此時，如果飛行員試圖將機翼調整水平，這一動作將會使其感覺到飛機正在向相反的方向(向右)轉彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉彎的錯覺(會非常強烈)，他將試圖糾正右轉的感覺，從而重新進入最初的左轉。不幸的是，發生這一切時，飛機仍在左轉，并正在下降。正在轉彎時拉起控制桿并增加動力不是一個好主意——只能使飛機更向左轉。如果飛行員沒有認識到錯覺，未能使機翼水平，飛機將繼續左轉并降低高度，直到撞擊地面（參考文獻2）。 問題是MEMS陀螺儀和加速計能夠幫助飛行員克服空間定向障礙嗎？ MEMS慣性傳感器是解決之道 人體會受到欺騙，并且在有些情況下必須依賴于外部幫助才能實現良好平衡。由于人體容易受空間定向障礙的影響，MEMS慣性傳感器提供了一套解決方案�？衫冒惭b正確的慣性傳感器建立慣性坐標系參考，幫助用于判斷方向和/或運動。利用這些器件可避免錯誤感觀隱患。 為確保慣性傳感器工作的可靠性，必須將其正確安裝和定向。對于裝配慣性傳感器，有一套良好的設計實踐，只要應用得當，可形成高性能系統。 裝配MEMS慣性傳感器的實用方法 從一開始就理解基本原理至關重要：發生振動時，慣性傳感器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項。因此，慣性傳感器如何安裝、安裝條件，以及其放置位置/方向，均會影響總體機械系統特性。簡而言之，如果設計考慮不周，發生運動時慣性信號性能將下降。 注意：也強烈建議分析總機械系統及其對慣性傳感器性能的影響。 布置事項 首先從方向開始。相對于一定的基準(常以選定的PCB側面為參考)放置慣性傳感器，并在貼裝回流焊接過程中保證定位不變是一項極具挑戰性的工作。此外，每級裝配(傳感器到封裝、封裝到PCB、PCB到外殼等)都會增加安裝誤差。由于傳感器裝配方位(相對于慣性坐標系)決定系統精度，所以此時必須將所有誤差降至最小。圖2所示為方位不正確引起的誤差。軟件可校準裝配誤差，但如果不限制誤差源，高階誤差會降低傳感器性能。 圖2. 慣性傳感器裝配誤差示意。圖片來源：Juansempere，en.wikipedia 熱機械應力是一種潛在誤差源，可在慣性傳感器上形成熱梯度，引起封裝應力；以及在PCB上形成熱梯度，將應力傳遞至慣性傳感器。這兩種熱效應有時難以區分，有些情況下則兩者均有。結果造成封裝應力，可引起偏差(及偏移)和靈敏度性能誤差。發熱量較大的器件應遠離慣性傳感器，但在實際的緊湊的PCB設計中，有時難以滿足這一要求。無論如何，必須盡一切努力使慣性傳感器遠離熱源，將溫度梯度降至最小。 裝配事項 貼裝元件時要求了解和應用適合特定回流焊的最佳溫度。由于這些操作通常側重于焊接強度、可靠性和產量(即成本)，有時會忽略慣性傳感器需要特殊考慮的事項。例如，非最優化的冷卻階段會對慣性傳感器封裝形成殘余應力，從而導致性能下降，造成超出指標的偏差和縮放因子。 PCB的保形涂層常用于防止電路受潮、化學污染(例如鹽)以及其他破壞性影響。不建議慣性傳感器器件采用保形涂層。涂層會改變傳感器的機械條件，影響總機械系統特征。而且難以控制保形涂層的應用(即黏度、干燥厚度)。 機械系統事項 外部運動源(例如慣性信號、沖擊、振動)會意外激勵PCB產生諧振，在最壞的工作條件下，可能發生慣性信號實際是系統諧振引起的假象的情況。這些錯誤的信號作為噪聲，掩蓋慣性信號(例如移動和/或振動)。當發生諧振條件時，慣性傳感器相對于PCB上波谷、波節、波峰的位置會造成信號檢測性能下降。 圖3所示為慣性傳感器在PCB上的兩種布置方法，標出了主要的諧振模式。左下方位置的傳感器位于節區(藍綠色)。相對于PCB右上方的傳感器，該位置的諧振相關角速率減小。第二個慣性傳感器位于節區與波谷(以深藍色表示)斜面之間的邊緣處。該傳感器處于不平衡位置，在諧振條件下更容易發生加速度和角速率信號畸變。 圖3. PCB諧振及慣性傳感器布置模擬。下方節區內傳感器位置的諧振相關角速率信號被衰減。上方的第二個傳感器處于不平衡位置，更容易發生加速度和角速率信號畸變。感謝FEKO提供PCB圖像，版權歸其所有。 盡管有很多技術可用于減輕PCB諧振(例如電路板強化、系統阻尼、振動隔離)，但仍需對總機械系統進行全面分析。應執行有限元分析(FEA)，以識別所有潛在諧振模式及其相關的頻率和品質因數。然后即可實施好的設計技巧，增強性能。 結論 本文回顧了運動，理解了MEMS慣性傳感器對于幫助克服空間定向障礙的重要性。本文也討論了不好或不理想的布置、安裝條件及系統諧振對MEMS慣性傳感器性能的不利影響。遵循正確的設計考慮事項，完全可“繞開”這些“困難重重”的事件，實現MEMS慣性傳感器應有的性能。 參考文獻 1.Antunano, Melchor J., "FAA:Medical Facts for Pilots," Federal Aviation Administration.Retrieved 8 Dec 2011,http://www.faa.gov/pilots/safety/pilotsafetybrochures/media/SpatialD.pdf#page=1&zoom=auto,-7,0 2.Ibid, page 5. |
