利用 MEMS 慣性傳感器改善控制

最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得機(jī)器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了革命性的進(jìn)步。除了機(jī)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(yīng)用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、安全/監(jiān)控設(shè)備和工業(yè)車輛導(dǎo)航等。這種傳感器提供的運(yùn)動(dòng)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(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動(dòng)、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，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(shí)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(yàn)，并且遵循良好的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)、位置和方向輸出（見圖1）。每種類型的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(jī)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(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。

圖1 當(dāng)今的慣性傳感器能夠檢測多種運(yùn)動(dòng)類型

如果系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實(shí)際的技術(shù)決策取決于響應(yīng)時(shí)間、沖擊和震動(dòng)、尺寸、整個(gè)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(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)和加速度等），而且往往在多個(gè)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(bǔ)償傳感器對環(huán)境（溫度、震動(dòng)、沖擊、安裝位置、時(shí)間和其他變量）的反應(yīng)。環(huán)境補(bǔ)償涉及到額外的電路、測試、校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個(gè)傳感器都是獨(dú)一無二的，因此這又會(huì)帶來補(bǔ)償不足或過度的額外風(fēng)險(xiǎn)，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點(diǎn)驅(qū)使許多設(shè)計(jì)工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運(yùn)用和實(shí)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(jī)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(yīng)用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器（加速度計(jì)）徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本電腦硬盤保護(hù)到游戲控制器中更為直觀的用戶運(yùn)動(dòng)捕捉，各種獨(dú)特的功能和應(yīng)用得以實(shí)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(gè)多晶硅檢測結(jié)構(gòu)各含一個(gè)“擾動(dòng)框架”，通過靜電將擾動(dòng)框架驅(qū)動(dòng)到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運(yùn)動(dòng)，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個(gè)外部極限處（與擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)正交）是可動(dòng)指，放在固定指之間，形成一個(gè)容性撿拾結(jié)構(gòu)來檢測科氏運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，可動(dòng)指的位置變化通過電容變化進(jìn)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(huì)經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個(gè)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)，以便實(shí)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，諸如震動(dòng)分析、平臺校正、一般運(yùn)動(dòng)控制之類的應(yīng)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(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(dú)立自足。一些應(yīng)用范例包括：

● 機(jī)器自動(dòng)化：通過提高位置檢測精度，并且更加嚴(yán)格地將此信息與遠(yuǎn)程控制或編程設(shè)置的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，可以使自治或遠(yuǎn)程控制的精密儀器和機(jī)械臂更加精確、有效。

 
● 工業(yè)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控：通過將傳感器更深地嵌入機(jī)械內(nèi)部，并且借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，可以獲得更實(shí)用的價(jià)值。

● 移動(dòng)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定（天線和相機(jī)）和定向?qū)Ш剑ɡ肎PS和其他傳感器進(jìn)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(xiàng)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(gè)傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運(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)和陀螺儀檢測來補(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)候需要對此進(jìn)行補(bǔ)償，即使無須補(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)級陀螺儀通常不會(huì)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(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(jì)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(dòng)補(bǔ)償過程。

為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(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)劃可以針對影響最大的因素進(jìn)行定制，從而減少測試時(shí)間和補(bǔ)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(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)客戶過去所面臨的實(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，相對簡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（見圖2），它是一款完全自治的頻域震動(dòng)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(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和片上存儲器能夠識別各震動(dòng)源并進(jìn)行歸類，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具備檢測和分析功能，可簡化設(shè)計(jì)，左側(cè)為功能框圖

能夠檢測和了解運(yùn)動(dòng)可能對幾乎所有設(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，因此傳感器可用來檢測不需要的運(yùn)動(dòng)。

這些特性或性能升級往往在現(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)方面的專家，因此，在決定是否進(jìn)行系統(tǒng)升級時(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。