慣性感測器

慣性感測器是檢測和測量加速度、傾斜、衝擊、振動、旋轉和多自由度(DOF)運動的感測器。

慣性感測器包括加速度計（或加速度感測計）和角速度感測器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁感測器的姿態參考系統）。MEMS加速度計是利用感測質量的慣性力測量的感測器，通常由標準質量塊（感測元件）和檢測電路組成。IMU主要由三個MEMS加速度感測器及三個陀螺和解算電路組成。

慣性感測器分為兩大類：一類是角速率陀螺；另一類是線加速度計。

角速率陀螺又分為：機械式乾式﹑液浮﹑半液浮﹑氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺等）；光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。

線加速度計又分為：機械式線加速度計；撓性線加速度計；MEMS硅﹑石英線加速度計（含壓阻﹑壓電線加速度計）；石英撓性線加速度計等。

(1)．科里奧利(Coriolis)原理：也稱科氏效應（科氏力正比於輸入角速率）。該原理適用於機械式乾式﹑液浮﹑半液浮﹑氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅﹑石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺）等。Coriolis法國物理學家（1792年～1843年）。

(2)．薩格納（Sagnac）原理：也稱薩氏效應（相位差正比於輸入角速率）。該原理適用於光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。Sagnac法國物理學家（1869年～1926年），居里夫婦的朋友。1913年發明薩氏效應。

中級MEMS慣性感測器作為工業級及汽車級產品，則主要用於汽車電子穩定系統（ESP或ESC）GPS輔助導航系統，汽車安全氣囊、車輛姿態測量、精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀錶、工程機械等。

高精度的MEMS慣性感測器作為軍用級和宇航級產品，飛機/導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GP戰場機器人等利用MEMS慣性感測器改善控制最近的感測器技術發展使得機器人和其他工業系統設計實現了革命性的進步。除了機器人以外，慣性感測器有可能改善其系統性能或功能的應用還包括：平台穩定、工業機械運動控制、安全/監控設備和工業車輛導航等。這種感測器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性並降低成本。然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業應用處在惡劣的物理環境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，為了從感測器獲取一致的數據，將其轉換成有用的信息，然後在系統的時序和功耗預算內做出反應，工程師必須擁有多種技術領域的知識和經驗，並且遵循良好的設計規範。了解問題 來自慣性感測器的信息經過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出。每種類型的運動都涉及到一系列應用相關的複雜因素，對此必須加以了解。工業控制應用就是一個很好的例子，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應用的核心任務，在最簡單的範例中，機械氣泡感測器便可滿足需要。然而，在明確感測器需求之前，需要分析最終系統的完整運動動力學特性、環境、壽命周期和可靠性預期。如果系統的運動相對而言為靜態，簡單的角度感測器可能就足夠了，但實際的技術決策取決於響應時間、衝擊和震動、尺寸、整個使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統涉及到多種類型的運動（如旋轉和加速度等），而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的感測器結合在一起。一旦知道正確的感測器類型和技術后，挑戰便轉移到了解和最終補償感測器對環境（溫度、震動、衝擊、安裝位置、時間和其他變數）的反應。環境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態調整，而每種類型的感測器，甚至每個感測器都是獨一無二的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風險，除非工程師非常了解感測器特性。最後這一點驅使許多設計工程師採用完全集成的感測器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。線性速率抑或角速率 慣性感測器有多種類型。MEMS（微機電系統）感測器是最完善的感測器類型之一，已經使眾多應用受益。15年前，MEMS線性加速度感測器（加速度計）徹底革新了汽車安全氣囊系統。自此以後，從筆記本電腦硬碟保護到遊戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應用得以實現。根據諧振器陀螺儀的原理，MEMS結構也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結構各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅動到諧振狀態，以產生必要的運動，從而在旋轉期間產生科氏力。在各框架的兩個外部極限處（與擾動運動正交）是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結構來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀旋轉時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調級，產生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經轉換，送入一個專有數字校準電路。感測器內核周圍的集成度和校準由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進行運動校準，以便實現最高的性能水平和穩定性。調理和處理 在工業市場上，諸如震動分析、平台校正、一般運動控制之類的應用都需要高集成度和高可靠度的解決方案，而且在許多情況下檢測元件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。一些應用範例包括： ● 機器自動化：通過提高位置檢測精度，並且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設置的運動相關聯，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、有效。 ● 工業機械的狀態監控：通過將感測器更深地嵌入機械內部，並且藉由感測器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態變化的跡象，可以獲得更實用的價值。 ● 移動通信和監控：無論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性感測器都有助於其實現穩定（天線和相機）和定嚮導航（利用GPS和其他感測器進行航位推算）。工業檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調特性，如數字濾波、採樣速率控制、狀態監控、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、集成度和介面要求。在其他更複雜的情況下，還需要採用多個感測器和多種類型的感測器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限於一個或兩個軸的運動，也可能需要同時採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的行為和影響。感測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，慣性感測器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問題的解決更加困難。當指定角速率感測器要求時，多數工業系統設計工程師主要關心的是陀螺儀穩定性（隨時間發生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規定這一特性。如果感測器的線性加速度性能較差，那麼即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩定性也可能毫無意義。例如，假設線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉±90° (1 G)的簡單情況下，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，並且提供必要的信息來驅動補償過程。為了優化感測器性能並儘可能縮短開發時間，需要深入了解感測器靈敏度和應用環境。校準計劃可以針對影響最大的因素進行定製，從而減少測試時間和補償演演算法開銷。面向具體應用的解決方案將適當的感測器與必要的信號處理結合在一起，如果具備高性價比並且提供現成可用的標準系統介面，這些解決方案將能消除許多工業客戶過去所面臨的實施和生產障礙。加速度、震動分析 在一些應用案例中，相對簡單的感測器輸出可能就足夠了，但在另一些應用中（例如，通過震動分析進行狀態監控），則需要增加相當多的處理過程才能實現所需的輸出。圍繞慣性感測器而構建的一個高集成度器件示例是ADIS16227，它是一款完全自治的頻域震動監控器。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並進行歸類，監控其隨時間的變化情況，並根據可編程的閾值做出反應。能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設想到的領域都具有應用價值。大多數情況下，人們希望掌控一個系統發生的運動，並利用該信息提高性能（響應時間、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，不運動才是至關重要的，因此感測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有系統上實施，考慮到最終系統的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性感測器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些系統的設計人員不是運動動力學方面的專家，因此，在決定是否進行系統升級時，完全集成和校準的感測器存在與否可能是最關鍵的因素。術語1. 角速率陀螺術語(1)．測量範圍（°/ S）Measurement Range也稱量程。指陀螺儀能測量正、反方向角速率的額定值範圍。在此額定值範圍內，陀螺儀刻度因數非線性滿足規定要求。(2)．刻度因數（mV /°/ S）Scale Factor (Sensitivity) 也稱刻度因子、標度因數、梯度、靈敏度。指陀螺儀輸出量與輸入角速率的比值。該比值是根據整個輸入角速率範圍內測得的輸入、輸出數據，通過最小二乘法擬合求出的直線的斜率。(3)．刻度因數非線性度（％）Scale Factor Nonlinearity指在輸入角速率範圍內，陀螺儀輸出量相對於最小二乘法擬合直線的最大的偏差值與最大輸出量之比。(4)．零偏與零偏穩定性（V；V, °/ h 或°/ S）Bias and Bias Stability零偏是指陀螺儀在零輸入狀態下的輸出。以規定時間內測得的輸出量平均值來表示。零偏穩定性是衡量陀螺儀在零輸入狀態下輸出量圍繞其均值（零偏）起伏和波動的離散程度，習慣上用均方根值表示，並以相應的等效輸入角速率表示。業界也稱零偏穩定性為零漂。而以°/ h為單位的零偏穩定性值就是人們常說的光纖陀螺儀的精度。 (5)．分辨力（°/ S）Resolution表示陀螺儀在規定的輸入角速率下能敏感的最小輸入角速率增量。由該角速率增量所產生的輸出增量至少應等於按刻度因數所期望的輸出增量值的50%。(6)．隨機遊走係數RWC（°∕h1∕2）Random Walk Coefficient 指由白雜訊產生的隨時間累積的陀螺儀輸出誤差係數。單位：°∕h1∕2(7)．帶寬（Hz）Bandwidth指陀螺儀頻率特性測試中，規定在測得的幅頻特性的幅值降低3dB所對應的頻率範圍稱為帶寬。在該範圍內陀螺儀能夠精確線性地測量輸入的角速率。單位：Hz。(8)．輸出雜訊（mv）Output Noise當陀螺儀處於零輸入狀態時，陀螺儀直流零偏值信號中的交流分量（mv， rms）。(9)．自檢測ST（V）Self -Test指陀螺儀在正常通電狀態下，沒有角速率輸入時，自動檢測陀螺儀結構和電路正常與否的手段。在陀螺儀規定的電氣介面（ST）供規定的電壓后，在正常的輸出端輸出的電壓值符合規定的ST響應電壓值範圍時，則判該陀螺儀正常。(10)．溫度感測器輸出UT（V）Temperature Sensor Output指在陀螺儀內部獨立地設置有高精密溫度感測器，並一般給出溫度感測器在常溫下的零位電壓值（V）和靈敏度（mV/℃）。(11)．平均無故障間隔時間MTBF（hr）Mean Time Between Failures 指陀螺儀兩次故障之間時間的平均值（hr）。它是衡量陀螺儀使用可靠程度的可靠性指標。(12)．零偏置 Bias Set零偏置是指陀螺儀在零輸入狀態下的輸出電壓不是零伏，而為偏離零伏的某一電壓值。一般MEMS陀螺儀把零位調偏設置為2.5V的零偏值。2．線加速度計術語（1）測量範圍（g）Measurement Range也稱量程。是指加速度計能測量正反方向線加速度的額定值範圍。在此額定值範圍內，加速度計刻度因數非線性度滿足規定要求。（2）刻度因數（mV/g）Scale Factor (Sensitivity) 也稱刻度因子、標度因數、梯度、靈敏度。指加速度計輸出量與輸入線加速度的比值。（3）刻度因數非線性度（％）Scale Factor Nonlinearity指在輸入線加速度範圍內，加速度計輸出量相對於最小二乘法擬合直線的最大偏差值與最大輸出量之比。（4）分辨力（mg或μg）Resolution表示加速度計能敏感的最小輸入線加速度值。（5）帶寬（Hz）Bandwidth指加速度計頻率特性測試中，規定在測得的幅頻特性的幅值降低3dB所對應的頻率範圍稱為帶寬。在該範圍內加速度計能夠精確線性地測量輸入線加速度。（6）輸出雜訊（mv）Output Noise當加速度計處於零輸入狀態時，加速度計的直流零偏置信號中的交流分量（rms）稱之為輸出雜訊。（7）自檢測ST（V）Self -Test指加速度計在正常通電狀態下，沒有輸入線加速度時，自動檢測加速度計結構和電路正常與否的手段。在加速度計規定的電氣介面（ST）供規定的電壓后，在正常的輸出端輸出的電壓值符合規定的ST響應電壓值範圍時，則判該加速度計正常。（8）溫度感測器輸出UT（V）Temperature Sensor Output指在加速度計內部獨立地設置有高精密溫度感測器，並一般給出溫度感測器在常溫下的零位電壓值（V）和靈敏度值（m V /℃）。（9）平均無故障間隔時間MTBF（hr）Mean Time Between Failures指加速度計兩次故障之間時間的平均值（hr）。它是衡量加速度計使用可靠程度的可靠性指標。應用低精度MEMS慣性感測器作為消費電子類產品主要用在手機、GPS導航、遊戲機、數碼相機、音樂播放器、無線滑鼠、PD、硬碟保護器、智能玩具、計步器、防盜系統。由於具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應用會不斷出現。中級MEMS慣性感測器作為工業級及汽車級產品，則主要用於汽車電子穩定系統（ESP或ESC）GPS輔助導航系統，汽車安全氣囊、車輛姿態測量、精密農業、工業自動化、大型醫療設備、機器人、儀器儀錶、工程機械等。高精度的MEMS慣性感測器作為軍用級和宇航級產品，主要要求高精度、全溫區、抗衝擊等指數。主要用於通訊衛星無線、導彈導引頭、光學瞄準系統等穩定性應用；飛機/導彈飛行控制、姿態控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用、遠程飛行器船舶儀器、戰場機器人等。GX-G10系列產品將微慣性導航技術和GPS技術結合，開發的系列組合定位及測姿產品，充分利用了兩者的優勢，提高了動靜態性能指標，具有廣闊的應用前景。產品使用GPS雙天線進行方向測量和定位，同時內部集成了航姿參考系統AHRS，可靜態及動態測量全姿態角度，並可在GPS失鎖時提供一定精度的方向信息，並且無累計誤差。系統功耗低，定位、定向、重捕速度快，當GPS工作正常時測向精度不受磁場影響。根據天線基線，可達0.3至0.1度的測向精度。