《電子技術(shù)應(yīng)用》
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利用 MEMS 慣性傳感器改善系統(tǒng)性能
摘要: 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(tái)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(chē)輛導(dǎo)航等。
Abstract:
Key words :

  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(tái)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(chē)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(duì)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(shí)和經(jīng)驗(yàn),并且遵循良好的設(shè)計(jì)規(guī)范。

 

  了解問(wèn)題

 

  來(lái)自慣性傳感器的信息經(jīng)過(guò)處理和積分后,可以提供許多不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)、位置和方向輸出(見(jiàn)圖1)。每種類(lèi)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(duì)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(duì)這些應(yīng)用十分有用。傾斜或角度檢測(cè)常常是此類(lèi)應(yīng)用的核心任務(wù),在最簡(jiǎn)單的范例中,機(jī)械氣泡傳感器便可滿(mǎn)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(cè)多種運(yùn)動(dòng)類(lèi)型

 

  如果系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)而言為靜態(tài),簡(jiǎn)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(lèi)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(lèi)型的傳感器結(jié)合在一起。

  一旦知道正確的傳感器類(lèi)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(duì)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(cè)試、校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)調(diào)整,而每種類(lèi)型的傳感器,甚至每個(gè)傳感器都是獨(dú)一無(wú)二的,因此這又會(huì)帶來(lái)補(bǔ)償不足或過(guò)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(guò)程中的障礙。

 

  線性速率抑或角速率

 

  慣性傳感器有多種類(lèi)型。MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))傳感器是最完善的傳感器類(lèi)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(chē)安全氣囊系統(tǒng)。自此以后,從筆記本電腦硬盤(pán)保護(hù)到游戲控制器中更為直觀的用戶(hù)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(cè)。兩個(gè)多晶硅檢測(cè)結(jié)構(gòu)各含一個(gè)“擾動(dòng)框架”,通過(guò)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(lái)檢測(cè)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(guò)電容變化進(jìn)行檢測(cè),由此得到的信號(hào)送入一系列增益和解調(diào)級(jí),產(chǎn)生電速率信號(hào)輸出。某些情況下,該信號(hào)還會(huì)經(jīng)轉(zhuǎn)換,送入一個(gè)專(zhuān)有數(shù)字校準(zhǔn)電路。

  傳感器內(nèi)核周?chē)募啥群托?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(chǎng)上,諸如震動(dòng)分析、平臺(tái)校正、一般運(yùn)動(dòng)控制之類(lèi)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(cè)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(guò)提高位置檢測(cè)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(guò)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(wú)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(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。

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