【導(dǎo)讀】傳感器在工業(yè)控制領(lǐng)域一直發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。自從完全集成和校準(zhǔn)的MEMS慣性傳感器的出現(xiàn),工業(yè)領(lǐng)域更加勢不可擋。MEMS傳感器在工業(yè)機(jī)械運(yùn)動控制、機(jī)器人、工業(yè)車輛導(dǎo)航、平臺穩(wěn)定、等領(lǐng)域都起到了關(guān)鍵作用。
最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)革命性的進(jìn)步。慣性傳感器能夠改善系統(tǒng)性能的應(yīng)用包括:平臺穩(wěn)定、工業(yè)機(jī)械運(yùn)動控制、安全/監(jiān)控設(shè)備、機(jī)器人、工業(yè)車輛導(dǎo)航和機(jī)械調(diào)平等。這種傳感器提供的運(yùn)動信息非常有用,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,因為許多工業(yè)應(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下,需要考慮溫度、振動、空間限制和其他因素的影響。就工程師而言,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)域的知識和經(jīng)驗,并且遵循良好的設(shè)計規(guī)范。
了解問題
來自慣性傳感器的信息經(jīng)過處理和積分后,可以提供許多不同類型的運(yùn)動、位置和方向輸出。每種類型的運(yùn)動都涉及到一系列應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜因素,對此必須加以了解。工業(yè)控制應(yīng)用就是一個很好的例子,某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設(shè)備對這些應(yīng)用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應(yīng)用的核心任務(wù),在最簡單的范例中,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,必須分析最終系統(tǒng)的完整運(yùn)動動力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。如果系統(tǒng)的運(yùn)動相對而言為靜態(tài),簡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)時間、沖擊和振動、尺寸、整個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(如旋轉(zhuǎn)和加速度等),而且往往在多個軸上工作,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)償傳感器對環(huán)境(溫度、振動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量)的反應(yīng)。環(huán)境補(bǔ)償涉及到額外的電路、測試、校準(zhǔn)和動態(tài)調(diào)整,而每種類型的傳感器,甚至每個傳感器都是獨(dú)一無二的,因此這又會帶來補(bǔ)償不足或過度的額外風(fēng)險,除非工程師對傳感器特性有著詳盡的了解。最后這一點(diǎn)驅(qū)使許多設(shè)計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)施過程中的障礙。
慣性傳感器:線性速率和角速率傳感器
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)使廣泛的應(yīng)用受益。15年前,MEMS線性速率傳感器(加速度計)徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后,從筆記本硬盤保護(hù)到游戲控制器中更為直觀的用戶運(yùn)動捕捉,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。兩個多晶硅檢測結(jié)構(gòu)各含一個擾動框架,通過靜電將擾動框架驅(qū)動到諧振狀態(tài),以產(chǎn)生必要的運(yùn)動,從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個外部極限處(與擾動運(yùn)動正交)是可動指,放在固定指之間,形成一個容性撿拾結(jié)構(gòu)來檢測科氏運(yùn)動。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時,可動指的位置變化通過電容的變化進(jìn)行檢測,由此得到的信號被送入一系列增益和解調(diào)級,產(chǎn)生電速率信號輸出。某些情況下,該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入一個專有數(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)動校準(zhǔn),以便實(shí)現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。
工業(yè)環(huán)境:集成信號調(diào)理和傳感器處理
在工業(yè)市場上,諸如振動分析、平臺校正、一般運(yùn)動控制之類的應(yīng)用需要高集成度和高可靠度的解決方案,檢測元件在許多情況下是直接嵌入到現(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:
工業(yè)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控:通過將傳感器更深地嵌入機(jī)械內(nèi)部,并且藉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,可以獲得切實(shí)的效益。
機(jī)器自動化:通過提高精度,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、高效。
移動通信和監(jiān)控:無論是陸地、航空還是海運(yùn)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)檢測市場異常紛繁多樣,必須通過集成嵌入式可調(diào)特性,如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助I/O功能等,來支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復(fù)雜的情況下,還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運(yùn)動,例如僅限于一個或兩個軸的運(yùn)動,也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補(bǔ)償重力、振動及其他不規(guī)則現(xiàn)象和影響。
傳感器還可能具有交叉靈敏度,很多時候必須對此進(jìn)行補(bǔ)償,即使無需補(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),這使得上述問題的解決更加困難。當(dāng)指定慣性傳感器要求時,多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性(隨時間發(fā)生的偏置估算),消費(fèi)級陀螺儀通常不會說明這一特性。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)定性也可能毫無意義。
例如,假設(shè)線性加速度特性為0.1°/s/g,在旋轉(zhuǎn)±90°(1g)的簡單情況下,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驅(qū)動補(bǔ)償過程。
為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時間,需要深入了解傳感器靈敏度和應(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)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必要的信號處理結(jié)合在一起,如果具備高性價比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)接口,這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過去所面臨的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。
利用加速度進(jìn)行振動分析
在一些情況下,檢測元件相對靠近基本傳感器輸出端最佳,但在另一些情況下(例如通過振動分析進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控),則需要增加相當(dāng)多的處理過程才能實(shí)現(xiàn)所需的輸出。圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的高集成度器件的范例之一是ADI公司的ADIS16227(圖1),它是一款完全自治的頻域振動監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對簡單的g/mV輸出,而是提供應(yīng)用特定的分析。就ADIS16227而言,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種振動源并進(jìn)行歸類,監(jiān)控其隨時間的變化情況,并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。
檢測和了解運(yùn)動的能力幾乎對所有已設(shè)想到的應(yīng)用都具有價值。大多數(shù)情況下,人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運(yùn)動,利用該信息提高性能(響應(yīng)時間、精度、工作速度等),增強(qiáng)安全性或可靠性(系統(tǒng)在危險情況下關(guān)機(jī)),或者獲得其他增值特性。但在某些情況下,不運(yùn)動才是至關(guān)重要的,因此傳感器可用來檢測不需要的運(yùn)動。這些特性或性能升級往往是在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)施,考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸顯然已確定,或者必須最小化,MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。
某些情況下,這些系統(tǒng)的設(shè)計人員不是運(yùn)動動力學(xué)方面的專家,因此,當(dāng)決定是否進(jìn)行系統(tǒng)升級時,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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