利用MEMS慣性傳感器改善控制

工業(yè)檢測(cè)市場(chǎng)異常紛繁多樣，必須通過(guò)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(xiàng)和專(zhuān)用輔助I/O功能等，來(lái)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(gè)傳感器和多種類(lèi)型的傳感器。即使看起來(lái)很簡(jiǎn)單的慣性運(yùn)動(dòng)，例如僅限于一個(gè)或兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，也可能需要同時(shí)采用加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)來(lái)補(bǔ)償重力、震動(dòng)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(shí)候需要對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，即使無(wú)須補(bǔ)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(wèn)題的解決更加困難。當(dāng)指定角速率傳感器要求時(shí)，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時(shí)間發(fā)生的偏置估算），消費(fèi)級(jí)陀螺儀通常不會(huì)規(guī)定這一特性。如果傳感器的線(xiàn)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(wú)意義。例如，假設(shè)線(xiàn)性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡(jiǎn)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(jì)通常與陀螺儀一起使用，以便檢測(cè)重力影響，并且提供必要的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程。

為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，需要深入了解傳感器靈敏度和應(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)計(jì)劃可以針對(duì)影響最大的因素進(jìn)行定制，從而減少測(cè)試時(shí)間和補(bǔ)償算法開(kāi)銷(xiāo)。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(hào)處理結(jié)合在一起，如果具備高性?xún)r(jià)比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶(hù)過(guò)去所面臨的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。

加速度、震動(dòng)分析
在一些應(yīng)用案例中，相對(duì)簡(jiǎn)單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應(yīng)用中（例如，通過(guò)震動(dòng)分析進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當(dāng)多的處理過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)所需的輸出。

圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的一個(gè)高集成度器件示例是ADIS16227（見(jiàn)圖2），它是一款完全自治的頻域震動(dòng)監(jiān)控器。此類(lèi)器件可能不提供相對(duì)簡(jiǎn)單的g/mV輸出，而是提供特定應(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各震動(dòng)源并進(jìn)行歸類(lèi)，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

圖2 ADIS16227具備檢測(cè)和分析功能，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，左側(cè)為功能框圖

能夠檢測(cè)和了解運(yùn)動(dòng)可能對(duì)幾乎所有設(shè)想到的領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，并利用該信息提高性能（響應(yīng)時(shí)間、精度、工作速度等），增強(qiáng)安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險(xiǎn)情況下關(guān)機(jī)），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運(yùn)動(dòng)才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來(lái)檢測(cè)不需要的運(yùn)動(dòng)。

這些特性或性能升級(jí)往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)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(wú)疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員不是運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面的專(zhuān)家，因此，在決定是否進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，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。