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利用集成式MEMS惯性传感器改善工业控制

导读: 完全集成和校准的MEMS惯性传感器的出现,可能是促使平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备、机器人、工业车辆导航和机械调平等领域系统升级的关键因素。

  完全集成和校准的MEMS惯性传感器的出现,可能是促使平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备、机器人、工业车辆导航和机械调平等领域系统升级的关键因素。

  最近的传感器技术发展使得工业系统设计实现革命性的进步。惯性传感器能够改善系统性能的应用包括:平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备、机器人、工业车辆导航和机械调平等。这种传感器提供的运动信息非常有用,不仅能改善性能,而且能提高可靠性、安全性并降低成本。

  然而,要想获得这些好处,必须克服一些障碍,因为许多工业应用处在恶劣的物理环境下,需要考虑温度、振动、空间限制和其他因素的影响。就工程师而言,为了从传感器获取一致的数据,将其转换成有用的信息,然后在系统的时序和功耗预算内做出反应,工程师必须拥有多种技术领域的知识和经验,并且遵循良好的设计规范。

  了解问题

  来自惯性传感器的信息经过处理和积分后,可以提供许多不同类型的运动、位置和方向输出。每种类型的运动都涉及到一系列应用相关的复杂因素,对此必须加以了解。工业控制应用就是一个很好的例子,某种形式的指向或转向设备对这些应用十分有用。倾斜或角度检测常常是此类应用的核心任务,在最简单的范例中,机械气泡传感器便可满足需要。然而,在明确传感器需求之前,必须分析最终系统的完整运动动力学特性、环境、寿命周期和可靠性预期。如果系统的运动相对而言为静态,简单的角度传感器可能就足够了,但实际的技术决策取决于响应时间、冲击和振动、尺寸、整个寿命期间的性能漂移。此外,许多系统涉及到多种类型的运动(如旋转和加速度等),而且往往在多个轴上工作,这就需要考虑将多种类型的传感器结合在一起。

  一旦知道正确的传感器类型和技术后,挑战便转移到了解和最终补偿传感器对环境(温度、振动、冲击、安装位置、时间和其他变量)的反应。环境补偿涉及到额外的电路、测试、校准和动态调整,而每种类型的传感器,甚至每个传感器都是独一无二的,因此这又会带来补偿不足或过度的额外风险,除非工程师对传感器特性有着详尽的了解。最后这一点驱使许多设计工程师采用完全集成的传感器解决方案,以便消除运用和实施过程中的障碍。

  惯性传感器:线性速率和角速率传感器

  惯性传感器有多种类型。MEMS(微机电系统)传感器是最完善的传感器类型之一,已经使广泛的应用受益。15年前,MEMS线性速率传感器(加速度计)彻底革新了汽车安全气囊系统。自此以后,从笔记本硬盘保护到游戏控制器中更为直观的用户运动捕捉,各种独特的功能和应用得以实现。

  根据谐振器陀螺仪的原理,MEMS结构也可提供角速率检测。两个多晶硅检测结构各含一个扰动框架,通过静电将扰动框架驱动到谐振状态,以产生必要的运动,从而在旋转期间产生科氏力。在各框架的两个外部极限处(与扰动运动正交)是可动指,放在固定指之间,形成一个容性捡拾结构来检测科氏运动。当MEMS陀螺仪旋转时,可动指的位置变化通过电容的变化进行检测,由此得到的信号被送入一系列增益和解调级,产生电速率信号输出。某些情况下,该信号经转换后送入一个专有数字校准电路。

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