裝配MEMS慣性傳感器的實(shí)用方法

　　引言

　　兒童和狗能夠毫不費力地辨別方向以及控制體操動(dòng)作。有些人認為這就像“小孩游戲”一樣簡(jiǎn)單，直到他們試圖使機器人模仿這種本領(lǐng)。人類(lèi)定向系統的復雜性不可思議，當我們在地面上時(shí)其表現非常出色。相反，在飛機上時(shí)，我們則處于一種不熟悉的三維環(huán)境下，再加上缺少視覺(jué)定向參考，就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙有關(guān)，其中90%是致命的(參考文獻1)。

　　微機電系統(MEMS)慣性傳感器的設計在本質(zhì)上對運動(dòng)非常敏感，可有效檢測和處理線(xiàn)性加速、磁航向、海拔和角速率信息。為充分利用慣性傳感器的性能潛力，設計者必須熟悉總體機械系統，密切關(guān)注應用中的運動(dòng)源和諧振。

　　本文介紹了MEMS慣性傳感器(例如陀螺儀和加速計)如何幫助人或機器克服空間定向障礙。文章介紹了外力和運動(dòng)對系統工作的影響，以及元件布局和安裝條件(空間關(guān)系)對MEMS慣性傳感器性能的直接影響。系統配置各有不同(例如電路板尺寸、材質(zhì)、安裝方法)，設計者需要根據具體應用設計特定的方案。文章還介紹了如何檢測并減少錯誤的慣性信號。對于實(shí)際環(huán)境中出現有害的移動(dòng)信號和系統共振的情況，文章給出增強傳感器系統工作的實(shí)用建議。

　　人類(lèi)的平衡

　　本文首先從討論平衡開(kāi)始，以人類(lèi)耳朵為例。圖1中的耳蝸是聽(tīng)覺(jué)器官。耳膜通過(guò)我們身體中一些最小的骨骼振動(dòng)耳蝸。耳蝸長(cháng)有毫毛或纖毛，并且充滿(mǎn)液體。當耳蝸移動(dòng)時(shí)，液體由于慣性的原因并不移動(dòng)。纖毛感測這種運動(dòng)差異，并將神經(jīng)脈沖傳輸至我們的腦部，表現為聲音。

　　圖1. 人體平衡和聽(tīng)力是內耳中復雜平衡器官的一部分

　　人耳也包含用于平衡的運動(dòng)檢測系統。三個(gè)半規管的作用類(lèi)似于相互垂直的陀螺儀，感測并將脈沖信號送至腦部，表示人的平衡狀態(tài)。不幸的是，我們感測運動(dòng)的方式存在局限性。

　　如果運動(dòng)小于2度每秒時(shí)，我們將感測不到;如果穩定運動(dòng)的時(shí)間超過(guò)20至25秒，我們則會(huì )停止感測運動(dòng)。這種人類(lèi)局限性會(huì )引起錯亂。在內耳中存在其他兩個(gè)感覺(jué)器官：橢圓囊感測線(xiàn)性加速度，球囊感測重力。耳朵中的全部5個(gè)感覺(jué)器官向腦部傳送身體方位和運動(dòng)信息，幫助我們平衡。這和眼睛一起，幫助我們維持平衡，并且在頭部運動(dòng)或身體旋轉時(shí)使我們的眼睛盯住目標。

　　飛機中的飛行員與空間定向

　　飛行員都知道不要靠直覺(jué)(即不依賴(lài)于內部感觀(guān))飛行，而是要依賴(lài)于飛行儀表。這非常難以掌握，尤其在緊急和恐慌的情況下。

　　根據美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的信息，飛行員受一種稱(chēng)為“墓地盤(pán)旋”的常見(jiàn)錯覺(jué)影響。這與有意識或無(wú)意識長(cháng)時(shí)間傾斜轉彎后恢復水平飛行有關(guān)。例如，當飛行員開(kāi)始傾斜向左轉彎時(shí)，最初會(huì )感覺(jué)到在相同方向的轉彎;如果繼續向左轉彎(約20秒或更長(cháng))，飛行員就會(huì )覺(jué)得飛機不再向左轉彎。此時(shí)，如果飛行員試圖將機翼調整水平，這一動(dòng)作將會(huì )使其感覺(jué)到飛機正在向相反的方向(向右)轉彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉彎的錯覺(jué)(會(huì )非常強烈)，他將試圖糾正右轉的感覺(jué)，從而重新進(jìn)入最初的左轉。不幸的是，發(fā)生這一切時(shí)，飛機仍在左轉，并正在下降。正在轉彎時(shí)拉起控制桿并增加動(dòng)力不是一個(gè)好主意--只能使飛機更向左轉。如果飛行員沒(méi)有認識到錯覺(jué)，未能使機翼水平，飛機將繼續左轉并降低高度，直到撞擊地面(參考文獻2)。

　　問(wèn)題是MEMS陀螺儀和加速計能夠幫助飛行員克服空間定向障礙嗎?

　　MEMS慣性傳感器是解決之道

　　人體會(huì )受到欺騙，并且在有些情況下必須依賴(lài)于外部幫助才能實(shí)現良好平衡。由于人體容易受空間定向障礙的影響，MEMS慣性傳感器提供了一套解決方案?？衫冒惭b正確的慣性傳感器建立慣性坐標系參考，幫助用于判斷方向和/或運動(dòng)。利用這些器件可避免錯誤感觀(guān)隱患。

　　為確保慣性傳感器工作的可靠性，必須將其正確安裝和定向。對于裝配慣性傳感器，有一套良好的設計實(shí)踐，只要應用得當，可形成高性能系統。

　　裝配MEMS慣性傳感器的實(shí)用方法

　　從一開(kāi)始就理解基本原理至關(guān)重要：發(fā)生振動(dòng)時(shí)，慣性傳感器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項。因此，慣性傳感器如何安裝、安裝條件，以及其放置位置/方向，均會(huì )影響總體機械系統特性。簡(jiǎn)而言之，如果設計考慮不周，發(fā)生運動(dòng)時(shí)慣性信號性能將下降。

　　注意：也強烈建議分析總機械系統及其對慣性傳感器性能的影響。