傳感器融合促進(jìn)傾角傳感智能化發(fā)展

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）傾角傳感，運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器，能夠提供相對(duì)于重力的傾角信息。這種傳感器廣泛地使用在監(jiān)控各類設(shè)備狀態(tài)的應(yīng)用中。

在一些手持設(shè)備中，低成本的表面貼裝傾角傳感器會(huì)被用來監(jiān)控握持設(shè)備的角度方便執(zhí)行自動(dòng)旋轉(zhuǎn)功能。更高端的一些應(yīng)用場景則在各類工業(yè)機(jī)械、車輛和建筑設(shè)備里，這些場景需要高性能且足夠可靠的傾角傳感器來輔助行駛控制、吊桿傾角測量、傾翻保護(hù)等等和安全息息相關(guān)的功能。

從傾角開關(guān)到MEMS

最早的傾角傳感嚴(yán)格來說并不算是傳感器，只是由底部帶導(dǎo)電板的滾球組成的開關(guān)。當(dāng)設(shè)備傾斜的角度達(dá)到某個(gè)限度后球滾到底部，與板形成電氣連接產(chǎn)生指示信號(hào)。從其原理來看我們可以將其稱之為電力機(jī)械傾角開關(guān)。

隨后，早期的傾角傳感在密封腔內(nèi)含有電阻或電容液體，當(dāng)設(shè)備發(fā)生傾斜時(shí)，液體流向發(fā)生改變，從而改變內(nèi)部電路的電阻或電容，然后再通過電路輸出直接監(jiān)控。這時(shí)候的傾角傳感已經(jīng)可以提供相當(dāng)準(zhǔn)確可靠的傾斜數(shù)據(jù)，但是不足的是傳感器本身極容易受到外部干擾，而且響應(yīng)速度并不快。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器開始發(fā)生翻天覆地的變化，現(xiàn)在的傾角傳感基本上都采用MEMS技術(shù)，將機(jī)械與電氣元件組合在芯片上。基于MEMS的傾角傳感器會(huì)在硅芯片中增加一個(gè)質(zhì)量塊，通過重力的變化影響電氣輸出。MEMS傾角傳感器，以其小體積、高性能、低成本等優(yōu)勢快速占領(lǐng)航空航天、工程機(jī)械和消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域，并且市場占比率逐年增加，在工業(yè)傾角測量里已成為首選方案。當(dāng)然在MEMS傾角傳感器下面也還有不少細(xì)分技術(shù)路線，如電容式、諧振式等。就目前國際主流MEMS傾角傳感廠商的技術(shù)路線來看，基本上都采用了電容式。

傾角檢測中的挑戰(zhàn)

雖然基于MEMS的傾角傳感相比于傳統(tǒng)的液體技術(shù)傳感已經(jīng)解決了響應(yīng)速度、使用壽命等方面的短處，但擺在MEMS傾角檢測的挑戰(zhàn)并沒有減輕。傾角傳感的功能和精確度受多種因素影響，比如上圖中的“雙軸”。軸數(shù)的選擇需要根據(jù)具體應(yīng)用來選擇，軸數(shù)選擇不合適會(huì)對(duì)測量結(jié)果有很大影響。其他的因素還包括溫度、傾角傳感器刻度、線性度和交叉軸靈敏度等。

區(qū)分靜態(tài)與動(dòng)態(tài)應(yīng)用同樣是一處挑戰(zhàn)，在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，傳感器受振動(dòng)、沖擊等額外產(chǎn)生的加速度影響，而在靜態(tài)應(yīng)用中，這些加速度通常是可以忽略的。如果傳感器捕捉了額外的加速度，任何足夠小的額外加速度都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的傾角變形。這在所有基于重力的傾角傳感中很常見的，也很容易造成較大的測量誤差。

即便傳感器本身的性能足夠優(yōu)秀，能實(shí)現(xiàn)很高的精確度，一旦額外的加速度混入其中，誤差可能瞬間超出限度。為了解決這種挑戰(zhàn)，很多廠商會(huì)使用低通濾波器來抑制振動(dòng)和沖擊，這的確解決了一部分問題，但是低通濾波器的引入又衍生出了輸出延遲的問題。

那么，如何既能抑制振動(dòng)誤差又能即時(shí)反應(yīng)傾角輸出？

智能化傾角檢測與傳感器融合

無論執(zhí)行怎樣的濾波和補(bǔ)償，單一傳感不可能面面俱到。傳感器融合是提升傾角傳感性能的一種行之有效的方法，比如加速度傳感器和陀螺儀的組合，將一個(gè)傳感器的弱項(xiàng)由另一個(gè)傳感器的強(qiáng)項(xiàng)補(bǔ)償。對(duì)于大多數(shù)動(dòng)態(tài)應(yīng)用來說，都同時(shí)需要加速度傳感器和陀螺儀來測量和評(píng)估傾斜度。

使用陀螺儀穩(wěn)定傾角傳感器可明顯減少由于速度或方向變化，以及顛簸和振動(dòng)導(dǎo)致的額外短期加速度的負(fù)面影響。如ST的IIS2ICLX，通過傳感器集合功能可有效地從其他外部傳感器收集數(shù)據(jù)，算法將不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)融合在一起，以產(chǎn)生穩(wěn)定但快速跟蹤的傾斜輸出信號(hào)，IIS2ICLX甚至還內(nèi)嵌一組獨(dú)特的AI算法；TE的AXISENSE-G也是三軸傾角傳感器、陀螺儀和溫度傳感器的大融合，算法從不同傳感器獲取數(shù)據(jù)后還能補(bǔ)償溫度效應(yīng)。

小結(jié)

傳感器融合后的傾角傳感，在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)加速度的響應(yīng)更靈敏，但又不會(huì)受到那些“額外”的加速度影響。加之各種智能化算法的引入，MEMS傾角傳感又實(shí)現(xiàn)了量程帶寬可配置、自診斷等智能化功能。在這些進(jìn)步之下，即便是在振動(dòng)和沖擊強(qiáng)烈的環(huán)境中，傾角傳感現(xiàn)在也能實(shí)現(xiàn)足夠準(zhǔn)確可靠的傾斜信息。