利用集成式MEMS慣性傳感器改善工業(yè)控制

完全集成和校準(zhǔn)的MEMS慣性傳感器的出現(xiàn)，可能是促使平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設(shè)備、機器人、工業(yè)車輛導(dǎo)航和機械調(diào)平等領(lǐng)域系統(tǒng)升級的關(guān)鍵因素。

最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)革命性的進步。慣性傳感器能夠改善系統(tǒng)性能的應(yīng)用包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設(shè)備、機器人、工業(yè)車輛導(dǎo)航和機械調(diào)平等。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，因為許多工業(yè)應(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下，需要考慮溫度、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(yù)算內(nèi)做出反應(yīng)，工程師必須擁有多種技術(shù)領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗，并且遵循良好的設(shè)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。每種類型的運動都涉及到一系列應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應(yīng)用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設(shè)備對這些應(yīng)用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應(yīng)用的核心任務(wù)，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，必須分析最終系統(tǒng)的完整運動動力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。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(shù)決策取決于響應(yīng)時間、沖擊和振動、尺寸、整個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(jié)合在一起。

一旦知道正確的傳感器類型和技術(shù)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(yīng)。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準(zhǔn)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(fēng)險，除非工程師對傳感器特性有著詳盡的了解。最后這一點驅(qū)使許多設(shè)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。

慣性傳感器：線性速率和角速率傳感器

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)使廣泛的應(yīng)用受益。15年前，MEMS線性速率傳感器（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(yīng)用得以實現(xiàn)。

根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結(jié)構(gòu)也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)來檢測科氏運動。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，可動指的位置變化通過電容的變化進行檢測，由此得到的信號被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，該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入一個專有數(shù)字校準(zhǔn)電路。

傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準(zhǔn)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(zhǔn)，以便實現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。

工業(yè)環(huán)境：集成信號調(diào)理和傳感器處理

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(yīng)用需要高集成度和高可靠度的解決方案，檢測元件在許多情況下是直接嵌入到現(xiàn)有設(shè)備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準(zhǔn)和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應(yīng)用范例包括：

•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(zhǔn)確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得切實的效益。

•機器自動化：通過提高精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設(shè)置的運動相關(guān)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、高效。

•移動通信和監(jiān)控：無論是陸地、航空還是海運交通工具，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肎PS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(fù)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、振動及其他不規(guī)則現(xiàn)象和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候必須對此進行補償，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(biāo)存在許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，這使得上述問題的解決更加困難。當(dāng)指定慣性傳感器要求時，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師主要關(guān)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說明這一特性。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(shè)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(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)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(yīng)用的解決方案將適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c必要的信號處理結(jié)合在一起，如果具備高性價比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)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。

利用加速度進行振動分析

在一些情況下，檢測元件相對靠近基本傳感器輸出端最佳，但在另一些情況下（例如通過振動分析進行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當(dāng)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(gòu)建的高集成度器件的范例之一是ADI公司的ADIS16227（圖1），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，而是提供應(yīng)用特定的分析。就ADIS16227而言，其嵌入式頻域處理、512點實值FFT和片上存儲器能夠識別各種振動源并進行歸類，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(yīng)。

圖1. ADIS16227功能框圖

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/332253.htm檢測和了解運動的能力幾乎對所有已設(shè)想到的應(yīng)用都具有價值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，利用該信息提高性能（響應(yīng)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(guān)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(guān)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是在現(xiàn)有系統(tǒng)上實施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸顯然已確定，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(shè)計人員不是運動動力學(xué)方面的專家，因此，當(dāng)決定是否進行系統(tǒng)升級時，完全集成和校準(zhǔn)的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。(end)