详解集成式MEMS惯性传感器之于工业控制的作用

完全集成和校准的MEMS惯性传感器的出现，可能是促使平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备、机器人、工业车辆导航和机械调平等领域系统升级的关键因素。
　　

最近的传感器技术发展使得工业系统设计实现革命性的进步。惯性传感器能够改善系统性能的应用包括：平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备、机器人、工业车辆导航和机械调平等。这种传感器提供的运动信息非常有用，不仅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。
　　

然而，要想获得这些好处，必须克服一些障碍，因为许多工业应用处在恶劣的物理环境下，需要考虑温度、振动、空间限制和其他因素的影响。就工程师而言，为了从传感器获取一致的数据，将其转换成有用的信息，然后在系统的时序和功耗预算内做出反应，工程师必须拥有多种技术领域的知识和经验，并且遵循良好的设计规范。
　　

了解问题
来自惯性传感器的信息经过处理和积分后，可以提供许多不同类型的运动、位置和方向输出。每种类型的运动都涉及到一系列应用相关的复杂因素，对此必须加以了解。工业控制应用就是一个很好的例子，某种形式的指向或转向设备对这些应用十分有用。倾斜或角度检测常常是此类应用的核心任务，在最简单的范例中，机械气泡传感器便可满足需要。然而，在明确传感器需求之前，必须分析最终系统的完整运动动力学特性、环境、寿命周期和可靠性预期。如果系统的运动相对而言为静态，简单的角度传感器可能就足够了，但实际的技术决策取决于响应时间、冲击和振动、尺寸、整个寿命期间的性能漂移。此外，许多系统涉及到多种类型的运动（如旋转和加速度等），而且往往在多个轴上工作，这就需要考虑将多种类型的传感器结合在一起。
　

一旦知道正确的传感器类型和技术后，挑战便转移到了解和最终补偿传感器对环境（温度、振动、冲击、安装位置、时间和其他变量）的反应。环境补偿涉及到额外的电路、测试、校准和动态调整，而每种类型的传感器，甚至每个传感器都是独一无二的，因此这又会带来补偿不足或过度的额外风险，除非工程师对传感器特性有着详尽的了解。最后这一点驱使许多设计工程师采用完全集成的传感器解决方案，以便消除运用和实施过程中的障碍。
　　

惯性传感器：线性速率和角速率传感器
惯性传感器有多种类型。MEMS（微机电系统）传感器是最完善的传感器类型之一，已经使广泛的应用受益。15年前，MEMS线性速率传感器（加速度计）彻底革新了汽车安全气囊系统。自此以后，从笔记本硬盘保护到游戏控制器中更为直观的用户运动捕捉，各种独特的功能和应用得以实现。
　　根据谐振器陀螺仪的原理，MEMS结构也可提供角速率检测。两个多晶硅检测结构各含一个扰动框架，通过静电将扰动框架驱动到谐振状态，以产生必要的运动，从而在旋转期间产生科氏力。在各框架的两个外部极限处（与扰动运动正交）是可动指，放在固定指之间，形成一个容性捡拾结构来检测科氏运动。当MEMS陀螺仪旋转时，可动指的位置变化通过电容的变化进行检测，由此得到的信号被送入一系列增益和解调级，产生电速率信号输出。某些情况下，该信号经转换后送入一个专有数字校准电路。

传感器内核周围的集成度和校准由最终性能要求决定，但在许多情况下，可能需要进行运动校准，以便实现最高的性能水平和稳定性。
　　

工业环境：集成信号调理和传感器处理
在工业市场上，诸如振动分析、平台校正、一般运动控制之类的应用需要高集成度和高可靠度的解决方案，检测元件在许多情况下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：

工业机械的状态监控：通过将传感器更深地嵌入机械内部，并且藉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，可以获得切实的效益。

机器自动化：通过提高精度，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、高效。

移动通信和监控：无论是陆地、航空还是海运交通工具，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