利用MEMS慣性傳感器改善控制

工業(yè)檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助I/O功能等，來支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復(fù)雜的情況下，還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限于一個或兩個軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補償重力、震動及其他不符常規(guī)的行為和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償，即使無須補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標(biāo)存在許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，這使得上述問題的解決更加困難。當(dāng)指定角速率傳感器要求時，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無意義。例如，假設(shè)線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計通常與陀螺儀一起使用，以便檢測重力影響，并且提供必要的信息來驅(qū)動補償過程。

為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)計劃可以針對影響最大的因素進行定制，從而減少測試時間和補償算法開銷。面向具體應(yīng)用的解決方案將適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c必要的信號處理結(jié)合在一起，如果具備高性價比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過去所面臨的實施和生產(chǎn)障礙。

加速度、震動分析
在一些應(yīng)用案例中，相對簡單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應(yīng)用中（例如，通過震動分析進行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當(dāng)多的處理過程才能實現(xiàn)所需的輸出。

圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的一個高集成度器件示例是ADIS16227（見圖2），它是一款完全自治的頻域震動監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對簡單的g/mV輸出，而是提供特定應(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點實值FFT和片上存儲器能夠識別各震動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

圖2 ADIS16227具備檢測和分析功能，可簡化設(shè)計，左側(cè)為功能框圖

能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設(shè)想到的領(lǐng)域都具有應(yīng)用價值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，并利用該信息提高性能（響應(yīng)時間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險情況下關(guān)機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來檢測不需要的運動。

這些特性或性能升級往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設(shè)計人員不是運動動力學(xué)方面的專家，因此，在決定是否進行系統(tǒng)升級時，完全集成和校準(zhǔn)的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。