通过集成MEMS惯性传感器改善工业控制

完全集成和校准的MEMS惯性传感器的可用性可能是选择进行系统升级的关键因素，例如平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备、机器人、工业车辆导航和机械调平。

最近的传感器技术发展正在实现 工业系统设计的革命性改进。 惯性传感器可以潜在改善的应用 系统性能包括平台稳定、运动 工业机械、安全/监控设备的控制， 机器人、工业车辆导航和机械 水准。此类传感器提供的运动信息 不仅可以提高性能，而且可以提高性能 还有可靠性、安全性和拥有成本。

但是，要获得这些，需要克服障碍 优势，特别是在恶劣的物理环境中 许多工业应用，其中温度、振动、 有限的空间，必须解决其他因素。提取 来自传感器的一致数据，将其转化为有用的数据 信息，并在系统时间内做出反应 和功率预算需要专业知识 许多技术领域的工程师，包括小心翼翼 设计实践。

了解问题

来自惯性传感器的信息可以被处理和 集成以导出许多不同类型的运动、位置、 和方向输出。每种类型的运动都需要广泛的 必须具有的应用相关复杂性范围 理解。一个很好的例子是工业控制 某种形式的指向或转向的应用 设备很有用。倾斜或角度感应通常位于 此类应用程序的核心，以及最简单的化身， 管内机械气泡或球传感器可能就足够了。 但是，在指定传感器需求之前，全运动 动力学、环境、生命周期和可靠性期望 必须分析终端系统。如果系统的 运动是相对静止的，一个简单的角度传感器可以是 足够;但是响应时间、冲击和振动、尺寸和 性能随寿命的漂移将推动实际技术的发展 决定。此外，许多系统涉及多个 运动类型（例如旋转加加速度），以及 经常在多个轴上运行，从而驱动 需要考虑组合多种传感器类型。

一旦知道了正确的传感器类型和技术，就可以 挑战转向理解，并最终补偿 对于传感器对环境的反应（温度， 振动、冲击、安装位置、时间和其他变量）。 此类环境补偿涉及额外的 电路、测试、校准和动态调整。 因为每种传感器类型，最终每种传感器都是 独特，存在补偿不足或过度补偿的额外风险 除非完全了解传感器特性。 最后一点是驱使许多设计师采用更多的原因 完全集成的传感器解决方案，可以减少障碍 到采用和实施。

惯性传感器组件：线性速率 和角速率传感器

惯性传感器有几种。微机电系统（微型 机电系统）传感器技术是其中之一 最成熟，并为广泛的 应用范围。MEMS线性速率传感器（加速度计） 彻底改变了汽车安全气囊系统 15年前的工业。从那时起，他们实现了独特的 硬盘保护的功能和应用 在笔记本电脑上更直观的用户动作捕捉游戏中 控制器。

MEMS结构也可提供角速率检测 基于谐振器陀螺仪的原理。二多晶硅 每个传感结构都包含一个抖动框架，即 静电驱动共振。这将产生 在旋转过程中产生科里奥利效应的必要运动。 在每个帧的两个外极端处，正交于 抖动运动，可移动手指放置在固定之间 手指形成电容式拾取结构，可感应 科里奥利运动。当MEMS陀螺旋转时，变化 通过改变可移动手指的位置来检测 电容，并将产生的信号馈送到一系列增益 和产生电速率的解调级 信号输出。在某些情况下，信号会被转换 并馈入专有的数字校准电路。

传感器周围的集成和校准水平 核心由最终性能要求决定，但是，在 在许多情况下，可能需要运动校准来实现 最高水平的性能和稳定性

工业环境：集成信号调理和传感器处理

在工业市场中，振动等应用 分析、平台调平和一般运动控制需求 高度集成和可靠的解决方案，在许多 在这种情况下，传感元件直接嵌入到 现有设备。提供足够的 控制、校准和编程功能，使 设备真正独立。一些应用示例 包括

工业机械的状态监测： 可以从能力中获得实质性价值 更多 将传感器深度嵌入机器中，并获得 更早、更准确地表示病情 与传感器性能和 嵌入式处理。

机器自动化：自主或远程 受控精密仪器和机械臂可以 通过改进变得更加准确和高效 准确性，并将它们与远程更紧密地关联 受控或编程运动。

移动通信和监控：是否开启 陆基、空中或海上车辆，惯性传感器可以提供帮助 无论是在稳定（天线和摄像头）还是在 方向引导（使用 GPS 进行航位推算，其他 传感器）。

由于工业传感市场非常多样化，因此 需要广泛的性能、集成度和 必须通过集成来容纳的接口 嵌入式可调功能，如数字滤波、采样率 控制、状态监测、电源管理 选项和特定于应用程序的辅助 I/O 功能。在 其他更复杂的场景，使用多个传感器 并且还需要传感器类型。即使看似简单 惯性运动仅限于在一个或两个轴上运动 可能需要加速度计和陀螺仪检测 补偿重力、振动和其他不规则性 和影响。

此外，传感器还可以具有交叉灵敏度，在 最小，必须理解，并且经常补偿 为。不同的标准使这变得更加困难 用于惯性传感器规格。指定惯性时 传感器，大多数工业系统设计人员主要关注 具有陀螺仪稳定性（随时间推移的偏置估计），其中 通常不在消费级陀螺仪中指定。甚至一个 良好的陀螺仪偏置稳定性（0.003度/秒）有点 如果传感器性能不佳，则毫无意义 到线性加速度。线性加速度规格 例如，0.1 度/秒/g 会使 0.1 度的误差增加 偏置稳定性规格为 0.003 度/秒，在简单环境中 旋转 ±90 度 （1 克）。通常，一个 加速度计与陀螺仪结合使用 检测重力影响并提供必要的信息 以推动薪酬流程。

优化传感器性能并最大限度地减少开发 时间需要对两种传感器灵敏度都有深入的了解 和应用程序环境。校准计划可以 量身定制以解决最具影响力的元素，从而 最大限度减少测试时间和补偿算法开销。 如果制造经济高效且采用标准，则系统就绪 接口，以应用为中心的解决方案，结合了 具有必要信号处理的适当传感器可以 消除实施和生产障碍 许多工业客户过去都面临过。

利用加速提供 振动分析

在某些情况下，传感元件经过优化设计 相对接近基本传感器输出，而在其他传感器输出中 （带振动分析的状态监测），有 实现所需的大量额外处理 输出。围绕高度集成的设备示例 惯性传感器是ADI公司的ADIS16227（图1）， 完全自主的频域振动监测仪。 与相对简单的g/mv输出不同，像这样的设备 相反，这可能提供特定于应用程序的分析，在此 案例，嵌入式频域处理，512点 真正的价值FFT和板载存储提供了 识别和分类单个振动源，监测 它们随时间变化，并对可编程阈值做出反应 水平。

图1.ADIS16227原理框图

检测和理解运动的能力具有潜力 为几乎任何构想的应用程序增加价值。在大多数 在的情况下，愿望是利用一个系统的运动 体验并将该信息转化为改进 性能（响应时间、精度、操作速度）; 增强安全性或可靠性（在危险情况下关闭系统 情况）;或其他增值功能。在某些情况下，它是 缺乏运动至关重要，因此传感器可以 用于检测不需要的移动。这些功能或 性能升级通常在现有的 系统，以及MEMS的小尺寸和低功耗方面 惯性传感器组件很有吸引力，因为终端系统的 功率和尺寸包络显然已经固定 或必须最小化。

在某些情况下，这些系统的设计师不是运动的 动力学专家，从而提供完全集成的可用性 经过校准的传感器可能是以下方面的关键批准因素 选择继续进行这些系统升级。

审核编辑：郭婷