裝配MEMS慣性傳感器的實(shí)用方法

　　引言

　　兒童和狗能夠毫不費(fèi)力地辨別方向以及控制體操動(dòng)作。有些人認(rèn)為這就像“小孩游戲”一樣簡單，直到他們?cè)噲D使機(jī)器人模仿這種本領(lǐng)。人類定向系統(tǒng)的復(fù)雜性不可思議，當(dāng)我們?cè)诘孛嫔蠒r(shí)其表現(xiàn)非常出色。相反，在飛機(jī)上時(shí)，我們則處于一種不熟悉的三維環(huán)境下，再加上缺少視覺定向參考，就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙有關(guān)，其中90%是致命的(參考文獻(xiàn)1)。

　　微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器的設(shè)計(jì)在本質(zhì)上對(duì)運(yùn)動(dòng)非常敏感，可有效檢測(cè)和處理線性加速、磁航向、海拔和角速率信息。為充分利用慣性傳感器的性能潛力，設(shè)計(jì)者必須熟悉總體機(jī)械系統(tǒng)，密切關(guān)注應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)源和諧振。

　　本文介紹了MEMS慣性傳感器(例如陀螺儀和加速計(jì))如何幫助人或機(jī)器克服空間定向障礙。文章介紹了外力和運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)工作的影響，以及元件布局和安裝條件(空間關(guān)系)對(duì)MEMS慣性傳感器性能的直接影響。系統(tǒng)配置各有不同(例如電路板尺寸、材質(zhì)、安裝方法)，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)特定的方案。文章還介紹了如何檢測(cè)并減少錯(cuò)誤的慣性信號(hào)。對(duì)于實(shí)際環(huán)境中出現(xiàn)有害的移動(dòng)信號(hào)和系統(tǒng)共振的情況，文章給出增強(qiáng)傳感器系統(tǒng)工作的實(shí)用建議。

　　人類的平衡

　　本文首先從討論平衡開始，以人類耳朵為例。圖1中的耳蝸是聽覺器官。耳膜通過我們身體中一些最小的骨骼振動(dòng)耳蝸。耳蝸長有毫毛或纖毛，并且充滿液體。當(dāng)耳蝸移動(dòng)時(shí)，液體由于慣性的原因并不移動(dòng)。纖毛感測(cè)這種運(yùn)動(dòng)差異，并將神經(jīng)脈沖傳輸至我們的腦部，表現(xiàn)為聲音。

　　圖1. 人體平衡和聽力是內(nèi)耳中復(fù)雜平衡器官的一部分

　　人耳也包含用于平衡的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。三個(gè)半規(guī)管的作用類似于相互垂直的陀螺儀，感測(cè)并將脈沖信號(hào)送至腦部，表示人的平衡狀態(tài)。不幸的是，我們感測(cè)運(yùn)動(dòng)的方式存在局限性。

　　如果運(yùn)動(dòng)小于2度每秒時(shí)，我們將感測(cè)不到;如果穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的時(shí)間超過20至25秒，我們則會(huì)停止感測(cè)運(yùn)動(dòng)。這種人類局限性會(huì)引起錯(cuò)亂。在內(nèi)耳中存在其他兩個(gè)感覺器官：橢圓囊感測(cè)線性加速度，球囊感測(cè)重力。耳朵中的全部5個(gè)感覺器官向腦部傳送身體方位和運(yùn)動(dòng)信息，幫助我們平衡。這和眼睛一起，幫助我們維持平衡，并且在頭部運(yùn)動(dòng)或身體旋轉(zhuǎn)時(shí)使我們的眼睛盯住目標(biāo)。

　　飛機(jī)中的飛行員與空間定向

　　飛行員都知道不要靠直覺(即不依賴于內(nèi)部感觀)飛行，而是要依賴于飛行儀表。這非常難以掌握，尤其在緊急和恐慌的情況下。

　　根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的信息，飛行員受一種稱為“墓地盤旋”的常見錯(cuò)覺影響。這與有意識(shí)或無意識(shí)長時(shí)間傾斜轉(zhuǎn)彎后恢復(fù)水平飛行有關(guān)。例如，當(dāng)飛行員開始傾斜向左轉(zhuǎn)彎時(shí)，最初會(huì)感覺到在相同方向的轉(zhuǎn)彎;如果繼續(xù)向左轉(zhuǎn)彎(約20秒或更長)，飛行員就會(huì)覺得飛機(jī)不再向左轉(zhuǎn)彎。此時(shí)，如果飛行員試圖將機(jī)翼調(diào)整水平，這一動(dòng)作將會(huì)使其感覺到飛機(jī)正在向相反的方向(向右)轉(zhuǎn)彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉(zhuǎn)彎的錯(cuò)覺(會(huì)非常強(qiáng)烈)，他將試圖糾正右轉(zhuǎn)的感覺，從而重新進(jìn)入最初的左轉(zhuǎn)。不幸的是，發(fā)生這一切時(shí)，飛機(jī)仍在左轉(zhuǎn)，并正在下降。正在轉(zhuǎn)彎時(shí)拉起控制桿并增加動(dòng)力不是一個(gè)好主意--只能使飛機(jī)更向左轉(zhuǎn)。如果飛行員沒有認(rèn)識(shí)到錯(cuò)覺，未能使機(jī)翼水平，飛機(jī)將繼續(xù)左轉(zhuǎn)并降低高度，直到撞擊地面(參考文獻(xiàn)2)。

　　問題是MEMS陀螺儀和加速計(jì)能夠幫助飛行員克服空間定向障礙嗎?

　　MEMS慣性傳感器是解決之道

　　人體會(huì)受到欺騙，并且在有些情況下必須依賴于外部幫助才能實(shí)現(xiàn)良好平衡。由于人體容易受空間定向障礙的影響，MEMS慣性傳感器提供了一套解決方案?？衫冒惭b正確的慣性傳感器建立慣性坐標(biāo)系參考，幫助用于判斷方向和/或運(yùn)動(dòng)。利用這些器件可避免錯(cuò)誤感觀隱患。

　　為確保慣性傳感器工作的可靠性，必須將其正確安裝和定向。對(duì)于裝配慣性傳感器，有一套良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，只要應(yīng)用得當(dāng)，可形成高性能系統(tǒng)。

　　裝配MEMS慣性傳感器的實(shí)用方法

　　從一開始就理解基本原理至關(guān)重要：發(fā)生振動(dòng)時(shí)，慣性傳感器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項(xiàng)。因此，慣性傳感器如何安裝、安裝條件，以及其放置位置/方向，均會(huì)影響總體機(jī)械系統(tǒng)特性。簡而言之，如果設(shè)計(jì)考慮不周，發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)慣性信號(hào)性能將下降。

　　注意：也強(qiáng)烈建議分析總機(jī)械系統(tǒng)及其對(duì)慣性傳感器性能的影響。