|
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展使得機器人和其他工業系統設計實現了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統性能或功能的應用還包括：平臺穩定、工業機械運動控制、安全/監控設備和工業車輛導航等。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，尤其是許多工業應用處在惡劣的物理環境下，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據，將其轉換成有用的信息，然后在系統的時序和功耗預算內做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經驗，并且遵循良好的設計規范。 了解問題 來自慣性傳感器的信息經過處理和積分后，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。工業控制應用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉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，需要分析最終系統的完整運動動力學特性、環境、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 如果系統的運動相對而言為靜態，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，許多系統涉及到多種類型的運動（如旋轉和加速度等），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，挑戰便轉移到了解和最終補償傳感器對環境（溫度、振動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量）的反應。環境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態調整，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）傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經使眾多應用受益。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。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。 根據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動到諧振狀態，以產生必要的運動，從而在旋轉期間產生科氏力。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級，產生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經轉換，送入一個專有數字校準電路。 傳感器內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，以便實現最高的性能水平和穩定性。 調理和處理 在工業市場上，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，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。 • 工業機械的狀態監控：通過將傳感器更深地嵌入機械內部，并且藉由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態變化的跡象，可以獲得更實用的價值。 • 移動通信和監控：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穩定（天線和相機）和定向導航（利用 GPS 和其他傳感器進行航位推算）。 工業檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調特性，如數字濾波、采樣速率控制、狀態監控、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，多數工業系統設計工程師主要關心的是陀螺儀穩定性（隨時間發生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規定這一特性。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±90° (1 G)的簡單情況下，這將給 0.003°/s 的偏置穩定性增加 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動補償過程。 為了優化傳感器性能并盡可能縮短開發時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應用環境。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的傳感器與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成可用的標準系統接口，這些解決方案將能消除許多工業客戶過去所面臨的實施和生產障礙。 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監控），則需要增加相當多的處理過程才能實現所需的輸出。 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，監控其隨時間的變化情況，并根據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。大多數情況下，人們希望掌控一個系統發生的運動，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有系統上實施，考慮到最終系統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。 |
