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型的運(yùn)動(dòng),、位置和方向輸出（見圖1）,。每種類型的運(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型的傳感器結(jié)合在一起,。
一旦知道正確的傳感器類型和技術(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型。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器是最完善的傳感器類型之一,，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)）徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng),。自此以后,，從筆記本電腦硬盤保護(hù)到游戲控制器中更為直觀的用戶運(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)專有數(shù)字校準(zhǔn)電路,。
傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準(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)償算法開銷,。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，如果具備高性價(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（見圖2），它是一款完全自治的頻域震動(dòng)監(jiān)控器,。此類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,，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,。