调理和处理 - 利用MEMS惯性传感器改善控制

　　在工业市场上，诸如震动分析、平台校正、一般运动控制之类的应用都需要高集成度和高可靠度的解决方案，而且在许多情况下检测元件是直接嵌入到现有设备中。此外，还必须提供足够的控制、校准和编程功能，使器件真正独立自足。一些应用范例包括：

　　● 机器自动化：通过提高位置检测精度，并且更加严格地将此信息与远程控制或编程设置的运动相关联，可以使自治或远程控制的精密仪器和机械臂更加精确、有效。

　　● 工业机械的状态监控：通过将传感器更深地嵌入机械内部，并且借由传感器性能和嵌入式处理而更早、更准确地掌握状态变化的迹象，可以获得更实用的价值。

　　● 移动通信和监控：无论是陆地、航空还是海上交通工具，惯性传感器都有助于其实现稳定(天线和相机)和定向导航(利用GPS和其他传感器进行航位推算)。

　　工业检测市场异常纷繁多样，必须通过集成嵌入式可调特性，如数字滤波、采样速率控制、状态监控、电源管理选项和专用辅助I/O功能等，来支持各种不同的性能、集成度和接口要求。在其他更复杂的情况下，还需要采用多个传感器和多种类型的传感器。即使看起来很简单的惯性运动，例如仅限于一个或两个轴的运动，也可能需要同时采用加速度计和陀螺仪检测来补偿重力、震动及其他不符常规的行为和影响。

　　传感器还可能具有交叉灵敏度，很多时候需要对此进行补偿，即使无须补偿，至少也需要加以了解。此外，惯性传感器的性能指标存在许多不同的标准，这使得上述问题的解决更加困难。当指定角速率传感器要求时，多数工业系统设计工程师主要关心的是陀螺仪稳定性(随时间发生的偏置估算)，消费级陀螺仪通常不会规定这一特性。如果传感器的线性加速度性能较差，那么即使0.003°/s的良好陀螺仪偏置稳定性也可能毫无意义。例如，假设线性加速度特性为0.1°/s/G，在旋转±90° (1 G)的简单情况下，这将给0.003°/s的偏置稳定性增加0.1°的误差。加速度计通常与陀螺仪一起使用，以便检测重力影响，并且提供必要的信息来驱动补偿过程。

　　为了优化传感器性能并尽可能缩短开发时间，需要深入了解传感器灵敏度和应用环境。校准计划可以针对影响最大的因素进行定制，从而减少测试时间和补偿算法开销。面向具体应用的解决方案将适当的传感器与必要的信号处理结合在一起，如果具备高性价比并且提供现成可用的标准系统接口，这些解决方案将能消除许多工业客户过去所面临的实施和生产障碍。

　　加速度、震动分析

　　在一些应用案例中，相对简单的传感器输出可能就足够了，但在另一些应用中(例如，通过震动分析进行状态监控)，则需要增加相当多的处理过程才能实现所需的输出。

　　围绕惯性传感器而构建的一个高集成度器件示例是ADIS16227(见图2)，它是一款完全自治的频域震动监控器。此类器件可能不提供相对简单的g/mV输出，而是提供特定应用分析。在本例中，其嵌入式频域处理、512点实值FFT和片上存储器能够识别各震动源并进行归类，监控其随时间的变化情况，并根据可编程的阈值做出反应。

　　图2 ADIS16227具备检测和分析功能，可简化设计，左侧为功能框图

　　能够检测和了解运动可能对几乎所有设想到的领域都具有应用价值。大多数情况下，人们希望掌控一个系统发生的运动，并利用该信息提高性能(响应时间、精度、工作速度等)，增强安全性或可靠性(系统在危险情况下关机)，或者获得其他增值特性。但在某些情况下，不运动才是至关重要的，因此传感器可用来检测不需要的运动。

　　这些特性或性能升级往往在现有系统上实施，考虑到最终系统的功耗和尺寸已确定，或者必须最小化，MEMS惯性传感器的小尺寸和低功耗特性无疑极具吸引力。某些情况下，这些系统的设计人员不是运动动力学方面的专家，因此，在决定是否进行系统升级时，完全集成和校准的传感器存在与否可能是最关键的因素。