最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得工業(yè)系統設計實(shí)現革命性的進(jìn)步。慣性傳感器能夠改善系統性能的應用包括：平臺穩定、工業(yè)機械運動(dòng)控制、安全/監控設備、機器人、工業(yè)車(chē)輛導航和機械調平等。這種傳感器提供的運動(dòng)信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。

然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，因為許多工業(yè)應用處在惡劣的物理環(huán)境下，需要考慮溫度、振動(dòng)、空間限制和其他因素的影響。就工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數據，將其轉換成有用的信息，然后在系統的時(shí)序和功耗預算內做出反應，工程師必須擁有多種技術(shù)領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗，并且遵循良好的設計規范。

了解問(wèn)題

來(lái)自慣性傳感器的信息經(jīng)過(guò)處理和積分后，可以提供許多不同類(lèi)型的運動(dòng)、位置和方向輸出。每種類(lèi)型的運動(dòng)都涉及到一系列應用相關(guān)的復雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應用就是一個(gè)很好的例子，某種形式的指向或轉向設備對這些應用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類(lèi)應用的核心任務(wù)，在最簡(jiǎn)單的范例中，機械氣泡傳感器便可滿(mǎn)足需要。然而，在明確傳感器需求之前，必須分析最終系統的完整運動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預期。如果系統的運動(dòng)相對而言為靜態(tài)，簡(jiǎn)單的角度傳感器可能就足夠了，但實(shí)際的技術(shù)決策取決于響應時(shí)間、沖擊和振動(dòng)、尺寸、整個(gè)壽命期間的性能漂移。此外，許多系統涉及到多種類(lèi)型的運動(dòng)（如旋轉和加速度等），而且往往在多個(gè)軸上工作，這就需要考慮將多種類(lèi)型的傳感器結合在一起。

一旦知道正確的傳感器類(lèi)型和技術(shù)后，挑戰便轉移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境（溫度、振動(dòng)、沖擊、安裝位置、時(shí)間和其他變量）的反應。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動(dòng)態(tài)調整，而每種類(lèi)型的傳感器，甚至每個(gè)傳感器都是獨一無(wú)二的，因此這又會(huì )帶來(lái)補償不足或過(guò)度的額外風(fēng)險，除非工程師對傳感器特性有著(zhù)詳盡的了解。最后這一點(diǎn)驅使許多設計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實(shí)施過(guò)程中的障礙。

慣性傳感器：線(xiàn)性速率和角速率傳感器

慣性傳感器有多種類(lèi)型。MEMS（微機電系統）傳感器是最完善的傳感器類(lèi)型之一，已經(jīng)使廣泛的應用受益。15年前，MEMS線(xiàn)性速率傳感器（加速度計）徹底革新了汽車(chē)安全氣囊系統。自此以后，從筆記本硬盤(pán)保護到游戲控制器中更為直觀(guān)的用戶(hù)運動(dòng)捕捉，各種獨特的功能和應用得以實(shí)現。

根據諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩個(gè)多晶硅檢測結構各含一個(gè)擾動(dòng)框架，通過(guò)靜電將擾動(dòng)框架驅動(dòng)到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運動(dòng)，從而在旋轉期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個(gè)外部極限處（與擾動(dòng)運動(dòng)正交）是可動(dòng)指，放在固定指之間，形成一個(gè)容性撿拾結構來(lái)檢測科氏運動(dòng)。當MEMS陀螺儀旋轉時(shí)，可動(dòng)指的位置變化通過(guò)電容的變化進(jìn)行檢測，由此得到的信號被送入一系列增益和解調級，產(chǎn)生電速率信號輸出。某些情況下，該信號經(jīng)轉換后送入一個(gè)專(zhuān)有數字校準電路。

傳感器內核周?chē)募啥群托视勺罱K性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進(jìn)行運動(dòng)校準，以便實(shí)現最高的性能水平和穩定性。

工業(yè)環(huán)境：集成信號調理和傳感器處理

在工業(yè)市場(chǎng)上，諸如振動(dòng)分析、平臺校正、一般運動(dòng)控制之類(lèi)的應用需要高集成度和高可靠度的解決方案，檢測元件在許多情況下是直接嵌入到現有設備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應用范例包括：

工業(yè)機械的狀態(tài)監控：通過(guò)將傳感器更深地嵌入機械內部，并且藉由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得切實(shí)的效益。
機器自動(dòng)化：通過(guò)提高精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設置的運動(dòng)相關(guān)聯(lián)，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、高效。

移動(dòng)通信和監控：無(wú)論是陸地、航空還是海運交通工具，慣性傳感器都有助于其實(shí)現穩定（天線(xiàn)和相機）和定向導航（利用GPS和其他傳感器進(jìn)行航位推算）。
工業(yè)檢測市場(chǎng)異常紛繁多樣，必須通過(guò)集成嵌入式可調特性，如數字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監控、電源管理選項和專(zhuān)用輔助I/O功能等，來(lái)支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復雜的情況下，還需要采用多個(gè)傳感器和多種類(lèi)型的傳感器。即使看起來(lái)很簡(jiǎn)單的慣性運動(dòng)，例如僅限于一個(gè)或兩個(gè)軸的運動(dòng)，也可能需要同時(shí)采用加速度計和陀螺儀檢測來(lái)補償重力、振動(dòng)及其他不規則現象和影響。

傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時(shí)候必須對此進(jìn)行補償，即使無(wú)需補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問(wèn)題的解決更加困難。當指定慣性傳感器要求時(shí)，多數工業(yè)系統設計工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩定性（隨時(shí)間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會(huì )說(shuō)明這一特性。如果傳感器的線(xiàn)性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩定性也可能毫無(wú)意義。

例如，假設線(xiàn)性加速度特性為0.1°/s/g，在旋轉±90°(1g)的簡(jiǎn)單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩定性增加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(lái)驅動(dòng)補償過(guò)程。
為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，需要深入了解傳感器靈敏度和應用環(huán)境。校準計劃可以針對影響最大的因素進(jìn)行定制，從而減少測試時(shí)間和補償算法開(kāi)銷(xiāo)。面向具體應用的解決方案將適當的傳感器與必要的信號處理結合在一起，如果具備高性?xún)r(jià)比并且提供現成可用的標準接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶(hù)過(guò)去所面臨的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。

利用加速度進(jìn)行振動(dòng)分析

在一些情況下，檢測元件相對靠近基本傳感器輸出端最佳，但在另一些情況下（例如通過(guò)振動(dòng)分析進(jìn)行狀態(tài)監控），則需要增加相當多的處理過(guò)程才能實(shí)現所需的輸出。圍繞慣性傳感器而構建的高集成度器件的范例之一是ADI公司的ADIS16227（圖1），它是一款完全自治的頻域振動(dòng)監控器。此類(lèi)器件可能不提供相對簡(jiǎn)單的g/mV輸出，而是提供應用特定的分析。就ADIS16227而言，其嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和片上存儲器能夠識別各種振動(dòng)源并進(jìn)行歸類(lèi)，監控其隨時(shí)間的變化情況，并根據可編程的閾值做出反應。

檢測和了解運動(dòng)的能力幾乎對所有已設想到的應用都具有價(jià)值。大多數情況下，人們希望掌控一個(gè)系統發(fā)生的運動(dòng)，利用該信息提高性能（響應時(shí)間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統在危險情況下關(guān)機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動(dòng)才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來(lái)檢測不需要的運動(dòng)。這些特性或性能升級往往是在現有系統上實(shí)施，考慮到最終系統的功耗和尺寸顯然已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無(wú)疑極具吸引力。

某些情況下，這些系統的設計人員不是運動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面的專(zhuān)家，因此，當決定是否進(jìn)行系統升級時(shí)，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。

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