應(yīng)對(duì)工業(yè)挑戰(zhàn)的慣性測(cè)量單元（IMU）應(yīng)用

慣性傳感器系統(tǒng)通常也被稱為慣性測(cè)量單元（IMU），常被嵌入進(jìn)機(jī)器中用以監(jiān)視運(yùn)動(dòng)并提供解析和響應(yīng)外部環(huán)境所需的信息。通常，IMU使用多軸加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)線性運(yùn)動(dòng)，例如加速度、沖擊、傾斜和振動(dòng)。一些應(yīng)用還需要測(cè)量角速度，因此IMU通常包括多軸陀螺儀。

工業(yè)環(huán)境中的挑戰(zhàn)

工業(yè)環(huán)境是電氣和電子設(shè)備在其中運(yùn)行的最具挑戰(zhàn)性和嚴(yán)格要求的環(huán)境之一，通常骯臟、嘈雜（同時(shí)表現(xiàn)在聲學(xué)和電氣方面），并且會(huì)受到極端溫度、濕度和振動(dòng)的影響。

雖然“工業(yè)”一詞通常是工廠和制造設(shè)施的同義詞，但人們?cè)絹?lái)越多地期望監(jiān)視設(shè)備、農(nóng)業(yè)設(shè)備、建筑設(shè)備和自動(dòng)化設(shè)備都具有相同的性能標(biāo)準(zhǔn)，這些設(shè)備在戶外使用并經(jīng)常受到惡劣條件和GPS能見度差的影響。在這些環(huán)境中運(yùn)行的設(shè)備必須滿足高性能標(biāo)準(zhǔn)，以保證其穩(wěn)健性和可靠性。

今天，在惡劣環(huán)境中使用慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的一些最常見的應(yīng)用包括：

監(jiān)視工業(yè)機(jī)械的性能

將傳感器深深的嵌入機(jī)器中以提供對(duì)性能變化的早期和準(zhǔn)確檢測(cè)可以獲得很大價(jià)值。例如，慣性傳感器可以檢測(cè)由軸承磨損引起的振動(dòng)頻率的變化，從而可以在設(shè)備全面故障發(fā)生之前開展預(yù)防性維護(hù)。

自動(dòng)駕駛汽車中的高精度導(dǎo)航

自動(dòng)化機(jī)器在工業(yè)市場(chǎng)上越來(lái)越流行。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）常用于輔助公用事業(yè)和農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和最后一英里交付裝置等應(yīng)用的自主導(dǎo)航，而這些設(shè)備經(jīng)常暴露在高溫、高振動(dòng)和GPS能見度差等惡劣環(huán)境條件下。

振動(dòng)傳感

振動(dòng)傳感越來(lái)越流行，這也是ISO標(biāo)準(zhǔn)所要求的。今天，大多數(shù)電機(jī)、泵、輸送系統(tǒng)甚至電動(dòng)汽車的制造商都很關(guān)心在合適的時(shí)間進(jìn)行維護(hù)更新，因?yàn)檫^早或過晚維修設(shè)備都將對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響。

為了預(yù)測(cè)故障，可以使用MEMS振動(dòng)傳感器來(lái)設(shè)計(jì)基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CBM）。CBM是更高級(jí)別的振動(dòng)監(jiān)測(cè)器，它將多個(gè)傳感器（如溫度傳感器、麥克風(fēng)和振動(dòng)傳感器）組合在一個(gè)系統(tǒng)中，以便為最終應(yīng)用提供更好的預(yù)測(cè)性傳感。這些CBM還具有學(xué)習(xí)機(jī)器行為和執(zhí)行實(shí)時(shí)分析的能力。

以IIM-42352為例，這是一款3軸加速度計(jì)，旨在幫助CBM制造商滿足檢測(cè)振動(dòng)的需求。該傳感器的功能包括：

• 3dB帶寬可配置，配置為2kHz時(shí)，輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）等于8kHz，而4kHz時(shí)ODR等于16kHz。
• 能夠提供外部時(shí)鐘用于系統(tǒng)同步
• 低功耗，典型電流為0.25mA
• 基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)喚醒（WOM）中斷

3軸加速度計(jì)能夠測(cè)量高達(dá)4kHz的振動(dòng)，并能承受高達(dá)20，000g的沖擊。它的外部時(shí)鐘輸入還允許傳感器與系統(tǒng)的微控制器同步，從而實(shí)現(xiàn)0.005%的ODR精度。此功能可使系統(tǒng)更穩(wěn)定，噪音更小。最后，WOM功能還能為使用電池作為電源的客戶提供卓越的節(jié)能效果。

圖2突出展示了傳感器的主要功能。

圖：上述詳細(xì)規(guī)格突出顯示了3軸加速度計(jì)的主要性能。

為高端工業(yè)護(hù)航

另外還有6軸IMU模塊，例如IIM-46234和IIM-46230，它們包含了基于超低噪聲MEMS傳感器，即使在惡劣的工業(yè)條件下也能提供精確的慣性測(cè)量。這些模塊在單個(gè)封裝中整合了多個(gè)陀螺儀和加速度計(jì)的功能，是自主應(yīng)用中使用的高端GNSS/INS模塊等應(yīng)用的理想選擇。這些模塊的一些最終用戶包括智能農(nóng)業(yè)設(shè)備、最后一英里交付系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備等，因?yàn)樗鼈冃枰涣鞯木群托阅堋?/p>

圖3展示了可以從使用這些模塊中受益的各種應(yīng)用。

這些IMU模塊的功能包括：

• 偏置不穩(wěn)定性低，漂移少，對(duì)溫度變化不敏感。
• 能夠提供三軸、增量角和增量速度輸出。
• 工廠校準(zhǔn)，可確保偏置靈敏度、偏差和G靈敏度在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性。
• 可對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀輸出測(cè)量值進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，并存儲(chǔ)用戶配置的偏置、靈敏度和偏差值。
• GNSS/GPS中斷期間的可靠性能。
• IMU模塊還包括兩個(gè)為最終用戶提供明顯優(yōu)勢(shì)的功能。

它們集成了TDK專有的容錯(cuò)技術(shù)SensorFT，可提供內(nèi)置冗余和預(yù)警系統(tǒng)。這意味著這些模塊可以容忍一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部故障而不會(huì)完全癱瘓。此外，它們提供有關(guān)其性能水平的持續(xù)狀態(tài)變化，這有助于延長(zhǎng)最終產(chǎn)品的整體使用壽命和定期維護(hù)周期。

憑借以微秒為單位的精確時(shí)間戳（25ppm漂移），用戶可以選擇提供外部PPS同步脈沖來(lái)同步內(nèi)部時(shí)間戳，或者提供UTC時(shí)間戳和PPS脈沖來(lái)將內(nèi)部時(shí)間戳匹配到外部系統(tǒng)時(shí)間。

IIM-46234模塊可以在精密應(yīng)用中提供很高的性能。另一方面，IIM-46230模塊能以較低的成本供貨，適用于不需要相同精度水平但仍需要方便、穩(wěn)健和準(zhǔn)確的慣性測(cè)量的應(yīng)用。圖4說(shuō)明了每個(gè)模塊的功能。

圖：IIM-46234和IIM-46230模塊的性能規(guī)格比較表。

IIM-46230和IIM-46234模塊隨附評(píng)估套件可用來(lái)方便地分析這些功能。

IMU為機(jī)器提供了檢測(cè)加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的能力，從而使機(jī)器能夠感知和響應(yīng)外部環(huán)境。隨著電子產(chǎn)品在工業(yè)應(yīng)用中使用的增加，IMU必須能夠承受苛刻的環(huán)境條件，同時(shí)保持高水平的精度和性能。

作者：CAMILO DELGADO EET電子工程專輯原創(chuàng)