利用MEMS慣性傳感器改善控制

工業(yè)檢測市場(chǎng)異常紛繁多樣，必須通過(guò)集成嵌入式可調特性，如數字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監控、電源管理選項和專(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)單的慣性運動(dòng)，例如僅限于一個(gè)或兩個(gè)軸的運動(dòng)，也可能需要同時(shí)采用加速度計和陀螺儀檢測來(lái)補償重力、震動(dòng)及其他不符常規的行為和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時(shí)候需要對此進(jìn)行補償，即使無(wú)須補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問(wèn)題的解決更加困難。當指定角速率傳感器要求時(shí)，多數工業(yè)系統設計工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩定性（隨時(shí)間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會(huì )規定這一特性。如果傳感器的線(xiàn)性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩定性也可能毫無(wú)意義。例如，假設線(xiàn)性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉±90° (1 G)的簡(jiǎn)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(lái)驅動(dòng)補償過(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用環(huán)境。校準計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)間和補償算法開(kāi)銷(xiāo)。面向具體應用的解決方案將適當的傳感器與必要的信號處理結合在一起，如果具備高性?xún)r(jià)比并且提供現成可用的標準系統接口，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
在一些應用案例中，相對簡(jiǎn)單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中（例如，通過(guò)震動(dòng)分析進(jìn)行狀態(tài)監控），則需要增加相當多的處理過(guò)程才能實(shí)現所需的輸出。

圍繞慣性傳感器而構建的一個(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)監控器。此類(lèi)器件可能不提供相對簡(jiǎn)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(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(lèi)，監控其隨時(shí)間的變化情況，并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(jiǎn)化設計，左側為功能框圖

能夠檢測和了解運動(dòng)可能對幾乎所有設想到的領(lǐng)域都具有應用價(jià)值。大多數情況下，人們希望掌控一個(gè)系統發(fā)生的運動(dòng)，并利用該信息提高性能（響應時(shí)間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統在危險情況下關(guān)機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動(dòng)才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來(lái)檢測不需要的運動(dòng)。

這些特性或性能升級往往在現有系統上實(shí)施，考慮到最終系統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，這些系統的設計人員不是運動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面的專(zhuān)家，因此，在決定是否進(jìn)行系統升級時(shí)，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。