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作者：BOB SCANNELL，ADI公司 運動信息不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。 最近的傳感器技術發(fā)展使得機器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設計實現(xiàn)了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設備和工業(yè)車輛導航等。這種傳感器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。 然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業(yè)應用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、振動、空間限制和其他因素的影響。就工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的信息，然后在系統(tǒng)的時序和功耗預算內(nèi)做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經(jīng)驗，并且遵循良好的設計規(guī)范。 了解問題 來自慣性傳感器的信息經(jīng)過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出（參見圖 1）。每種類型的運動都涉及到一系列應用相關的復雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設備對這些應用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應用的核心任務，在最簡單的范例中，機械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統(tǒng)的完整運動動力學特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預期。 
圖 1：當今的慣性傳感器能夠檢測多種運動類型 如果系統(tǒng)的運動相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術決策取決于響應時間、沖擊和振動、尺寸、整個使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統(tǒng)涉及到多種類型的運動（如旋轉(zhuǎn)和加速度等），而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結合在一起。 一旦知道正確的傳感器類型和技術后，挑戰(zhàn)便轉(zhuǎn)移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境（溫度、振動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量）的反應。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個傳感器都是獨一無二的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅(qū)使許多設計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。 線性速率抑或角速率？ 慣性傳感器有多種類型。MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經(jīng)使眾多應用受益。15 年前，MEMS 線性加速度傳感器（加速度計）徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本硬盤保護到游戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現(xiàn)。 根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS 結構也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結構各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅(qū)動到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運動，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個外部極限處（與擾動運動正交）是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結構來檢測科氏運動。當 MEMS 陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調(diào)級，產(chǎn)生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個專有數(shù)字校準電路。 傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進行運動校準，以便實現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。 調(diào)理和處理 在工業(yè)市場上，諸如振動分析、平臺校正、一般運動控制之類的應用都需要高集成度和高可靠度的解決方案，而且在許多情況下檢測元件是直接嵌入到現(xiàn)有設備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應用范例包括： • 機器自動化：通過提高位置檢測精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設置的運動相關聯(lián)，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、有效。 • 工業(yè)機械的狀態(tài)監(jiān)控：通過將傳感器更深地嵌入機械內(nèi)部，并且藉由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實用的價值。 • 移動通信和監(jiān)控：無論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實現(xiàn)穩(wěn)定（天線和相機）和定向?qū)Ш剑ɡ?GPS 和其他傳感器進行航位推算）。 工業(yè)檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助 I/O 功能等，來支持各種不同的性能、集成度和接口 要求。在其他更復雜的情況下，還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限于一個或兩個軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補償重力、振動及其他不符常規(guī)的行為和影響。 傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償，即使無需補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問題的解決更加困難。當指定角速率傳感器要求時，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設計工程師主要關心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使 0.003°/s 的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無意義。例如，假設線性加速度特性為 0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡單情況下，這將給 0.003°/s 的偏置穩(wěn)定性增加 0.1°的誤差。加速度計通常與陀螺儀一起使用，以便檢測重力影響，并且提供必要的信息來驅(qū)動補償過程。 為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應用環(huán)境。校準計劃可以針對影響最大的因素進行定制，從而減少測試時間和補償算法開銷。面向具體應用的解決方案將適當?shù)膫鞲衅髋c必要的信號處理結合在一起，如果具備高性價比并且提供現(xiàn)成可用的標準系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過去所面臨的實施和生產(chǎn)障礙。 加速度、振動分析 在一些應用案例中，相對簡單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中（例如通過振動分析進行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當多的處理過程才能實現(xiàn)所需的輸出。 圍繞慣性傳感器而構建的的一個高集成度器件示例是ADIS16227（參見圖 2），它是一款完全自治的頻域振動監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對簡單的 g/mV 輸出，而是提供特 定應用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512 點實值 FFT和片上存儲器能夠識別各振動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應。
圖2：ADIS16227 具備檢測和分析功能，可簡化設計，左側為功能框圖 能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設想到的領域都具有應用價值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，并利用該信息提高性能（響應時間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險情況下關機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動才是至關重要的，因此傳感器可用來檢測不需要的運動。 這些特性或性能升級往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS 慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設計人員不是運動動力學方面的專家，因此，在決定是否進行系統(tǒng)升級時，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關鍵的因素。 |
