利用MEMS慣性傳感器改善控制

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　　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)計實現(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：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機(jī)械運動控制、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，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、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，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動、位置和方向輸出(見圖1)。每種類型的運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，需要分析最終系統(tǒng)的完整運動動力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。

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　　圖1 當(dāng)今的慣性傳感器能夠檢測多種運動類型

　　如果系統(tǒng)的運動相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術(shù)決策取決于響應(yīng)時間、沖擊和震動、尺寸、整個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)移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境(溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量)的反應(yīng)。環(huán)境補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一無二的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風(fēng)險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅(qū)使許多設(shè)計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。

　　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)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動捕捉，各種獨特的功能和應(yīng)用得以實現(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)來檢測科氏運動。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，可動指的位置變化通過電容變化進(jìn)行檢測，由此得到的信號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，該信號還會經(jīng)轉(zhuǎn)換，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)行運動校準(zhǔn)，以便實現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。