最近的傳(chuan) 感器技術發展使得機器人和其他工業(ye) 係統設計實現了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳(chuan) 感器有可能改善其係統性能或功能的應用還包括：平台穩定、工業(ye) 機械運動控製、安全/監控設備和工業(ye) 車輛導航等。這種傳(chuan) 感器提供的運動信息非常有用，不僅(jin) 能改善性能，而且能提高可靠性、安全性並降低成本。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(ye) 應用處在惡劣的物理環境下，必須考慮溫度、震動、空間限製和其他因素的影響。對工程師而言，為(wei) 了從(cong) 傳(chuan) 感器獲取一致的數據，將其轉換成有用的信息，然後在係統的時序和功耗預算內(nei) 做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經驗，並且遵循良好的設計規範。

　　了解問題

　　來自慣性傳(chuan) 感器的信息經過處理和積分後，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出(見圖1)。每種類型的運動都涉及到一係列應用相關(guan) 的複雜因素，對此必須加以了解。工業(ye) 控製應用就是一個(ge) 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(qing) 斜或角度檢測常常是此類應用的核心任務，在最簡單的範例中，機械氣泡傳(chuan) 感器便可滿足需要。然而，在明確傳(chuan) 感器需求之前，需要分析最終係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(chuan) 感器能夠檢測多種運動類型

　　如果係統的運動相對而言為(wei) 靜態，簡單的角度傳(chuan) 感器可能就足夠了，但實際的技術決(jue) 策取決(jue) 於(yu) 響應時間、衝(chong) 擊和震動、尺寸、整個(ge) 使用壽命期間的性能漂移。此外，許多係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(ge) 軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳(chuan) 感器結合在一起。

　　一旦知道正確的傳(chuan) 感器類型和技術後，挑戰便轉移到了解和最終補償(chang) 傳(chuan) 感器對環境(溫度、震動、衝(chong) 擊、安裝位置、時間和其他變量)的反應。環境補償(chang) 涉及到額外的電路、測試、校準和動態調整，而每種類型的傳(chuan) 感器，甚至每個(ge) 傳(chuan) 感器都是獨一無二的，因此這又會(hui) 帶來補償(chang) 不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解傳(chuan) 感器特性。最後這一點驅使許多設計工程師采用完全集成的傳(chuan) 感器解決(jue) 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(chuan) 感器有多種類型。MEMS(微機電係統)傳(chuan) 感器是最完善的傳(chuan) 感器類型之一，已經使眾(zhong) 多應用受益。15年前，MEMS線性加速度傳(chuan) 感器(加速度計)徹底革新了汽車安全氣囊係統。自此以後，從(cong) 筆記本電腦硬盤保護到遊戲控製器中更為(wei) 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(yi) 的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩(liang) 個(ge) 多晶矽檢測結構各含一個(ge) “擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅動到諧振狀態，以產(chan) 生必要的運動，從(cong) 而在旋轉期間產(chan) 生科氏力。在各框架的兩(liang) 個(ge) 外部極限處(與(yu) 擾動運動正交)是可動指，放在固定指之間，形成一個(ge) 容性撿拾結構來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀(yi) 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係列增益和解調級，產(chan) 生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會(hui) 經轉換，送入一個(ge) 專(zhuan) 有數字校準電路。

　　傳(chuan) 感器內(nei) 核周圍的集成度和校準由最終性能要求決(jue) 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。

　在工業(ye) 市場上，諸如震動分析、平台校正、一般運動控製之類的應用都需要高集成度和高可靠度的解決(jue) 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製、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應用範例包括：

　　● 機器自動化：通過提高位置檢測精度，並且更加嚴(yan) 格地將此信息與(yu) 遠程控製或編程設置的運動相關(guan) 聯，可以使自治或遠程控製的精密儀(yi) 器和機械臂更加精確、有效。

　　● 工業(ye) 機械的狀態監控：通過將傳(chuan) 感器更深地嵌入機械內(nei) 部，並且借由傳(chuan) 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(jia) 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(chuan) 感器都有助於(yu) 其實現穩定(天線和相機)和定向導航(利用GPS和其他傳(chuan) 感器進行航位推算)。

　　工業(ye) 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、采樣速率控製、狀態監控、電源管理選項和專(zhuan) 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。在其他更複雜的情況下，還需要采用多個(ge) 傳(chuan) 感器和多種類型的傳(chuan) 感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅(jin) 限於(yu) 一個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀(yi) 檢測來補償(chang) 重力、震動及其他不符常規的行為(wei) 和影響。

　　傳(chuan) 感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償(chang) ，即使無須補償(chang) ，至少也需要加以了解。此外，慣性傳(chuan) 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(jue) 更加困難。當指定角速率傳(chuan) 感器要求時，多數工業(ye) 係統設計工程師主要關(guan) 心的是陀螺儀(yi) 穩定性(隨時間發生的偏置估算)，消費級陀螺儀(yi) 通常不會(hui) 規定這一特性。如果傳(chuan) 感器的線性加速度性能較差，那麽(me) 即使0.003°/s的良好陀螺儀(yi) 偏置穩定性也可能毫無意義(yi) 。例如，假設線性加速度特性為(wei) 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(yu) 陀螺儀(yi) 一起使用，以便檢測重力影響，並且提供必要的信息來驅動補償(chang) 過程。

　　為(wei) 了優(you) 化傳(chuan) 感器性能並盡可能縮短開發時間，需要深入了解傳(chuan) 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製，從(cong) 而減少測試時間和補償(chang) 算法開銷。麵向具體(ti) 應用的解決(jue) 方案將適當的傳(chuan) 感器與(yu) 必要的信號處理結合在一起，如果具備高性價(jia) 比並且提供現成可用的標準係統接口，這些解決(jue) 方案將能消除許多工業(ye) 客戶過去所麵臨(lin) 的實施和生產(chan) 障礙。

　　加速度、震動分析

　　在一些應用案例中，相對簡單的傳(chuan) 感器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中(例如，通過震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(chuan) 感器而構建的一個(ge) 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(chu) 器能夠識別各震動源並進行歸類，監控其隨時間的變化情況，並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(ce) 為(wei) 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(jia) 值。大多數情況下，人們(men) 希望掌控一個(ge) 係統發生的運動，並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(係統在危險情況下關(guan) 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(guan) 重要的，因此傳(chuan) 感器可用來檢測不需要的運動。#p#分頁標題#e#

　　這些特性或性能升級往往在現有係統上實施，考慮到最終係統的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳(chuan) 感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些係統的設計人員不是運動動力學方麵的專(zhuan) 家，因此，在決(jue) 定是否進行係統升級時，完全集成和校準的傳(chuan) 感器存在與(yu) 否可能是最關(guan) 鍵的因素。