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            利用MEMS慣性傳感技術實現應用變革

            放大字體  縮小字體 發布日期:2020-07-01  來源:ADI  瀏覽次數:234
            核心提示:盡管MEMS(微機電系統)技術在氣囊和汽車壓力傳感器中的應用已有大約20年,但促使大眾認識到慣性傳感器作用的是Nintendo Wii和Ap
                 盡管MEMS(微機電系統)技術在氣囊和汽車壓力傳感器中的應用已有大約20年,但促使大眾認識到慣性傳感器作用的是Nintendo WiiApple iPhone

             

             

            然而,在一定程度上,流行的看法是慣性傳感器的作用主要體現在最終產品有必要檢測加速度和減速度的時候。誠然,從純科學的角度來看,確實是這樣。但是,這種看法忽視了MEMS加速度計和陀螺儀日益增加的諸多用途,比如,醫療設備、工業設備、消費類電子設備、汽車電子設備等領域。

             

            通過審視五種運動檢測模式各自的可能性,可以超越當今大量MEMS應用的范圍,極大地擴大應用選項。這五種模式是加速度(包括平移運動,如位置和方向)、振動、沖擊、傾斜和旋轉。

             

            例如,帶活動檢測功能的加速度計可以實現電源管理技術,因為該功能可以通過運動或振動的缺失來確定設備處于非活動狀態,從而告訴設備進入最低功耗模式。復雜的控制和物理按鈕逐漸被由手指觸摸動作控制的手勢識別接口取代。在其他應用案例中,最終產品變得更加精確,例如,羅盤可以對手持傾斜角進行補償。

             

            本文將舉例說明高級商用MEMS加速度計和陀螺儀將如何通過五類運動檢測實現各類最終產品的變革。

             

            運動檢測和MEMS簡介

             

            加速度、振動、沖擊、傾斜和旋轉(旋轉除外)實際上都是加速度在不同時間段的不同表現。然而,我們人類無法基于直覺將這些運動感視為加速度/減速度的變化形式。分別考察各個模式有助于預見更多可能性。

             

             

            加速度(記住,包括平移運動)衡量速度在單位時間內的變化。速度以米/(m/s)為單位,包括位移速度和運動方向。因此,加速度的單位是米/平方秒(m/s2)。負值的加速度—想像一下司機踩剎車時汽車減速—被稱為減速度。

             

            現在考慮不同時期周期的加速度。可以將振動想像成快速發生的周期性加速度和減速度。

             

            類似地,沖擊指突如其來的加速度。但與振動不同,沖擊具有非周期性,一般只發生一次。

             

            我們再次延長時間來看。當物體因運動改變傾角時,其相對于重力的位置會發生一定的變化。與振動和沖擊相比,這種運動一般非常緩慢。

             

            因為前四種運動模式檢測都涉及到加速度的某個方面,所以它們是通過g力來衡量的,即重力對地球上物體產生的力的單位(1g  =  9.8  m/s2)。MEMS加速度計通過測量重力在加速度計軸上產生的作用來檢測傾角。在三軸加速度計中,用三個獨立的輸出來測量XYZ三個運動軸上的加速度。

             

            目前,市場份額最大的加速度計用差分電容來測量g力,然后將其換算成伏特或位值(位值用于數字輸出加速度計),隨后將換算結果傳至微處理器,以便微處理器執行操作。得益于技術的最新發展,已經可以制造出微型低g和高g檢測范圍的MEMS加速度計,其帶寬比以前的加速度計要寬得多,極大地增加了潛在應用領域。低g檢測范圍小于20 g,用于處理人可以產生的運動。高g可用于檢測與機器或車輛相關的運動—實際上指人無法產生的運動。

             

            以上我們只討論了線性速度運動,這類運動包括加速度、振動、沖擊和傾斜。旋轉是測量角速率運動的一個指標。這種模式與其他模式不同,因為旋轉可能在加速度無變化的條件下發生。為了理解其原理,不妨想像有一個3軸慣性傳感器。假設該傳感器的XY兩軸與地球表面平行;Z軸指向地球中心。在此位置,Z軸的測得值為1 gX軸和Y軸為0 g。現在旋轉傳感器,使其只繞Z軸運動。X平面和Y平面只是旋轉,其值仍然為0 gZ軸仍為1 g

             

            MEMS陀螺儀用于檢測這種旋轉運動。由于某些最終產品在其他形式的運動以外還須測量旋轉,所以可以將陀螺儀集成到慣性測量單元(IMU)中,其中內嵌了一個多軸陀螺儀和一個多軸加速度計。

             

            利用加速度提升可用性,進行電源管理

             

            前面我們注意到,加速度可以用于檢測運動和位置。如此就可以用MEMS加速度計來識別設備被拿起和放下兩種狀態,檢測到后就可以產生一個中斷,使設備能自動開啟和關閉相應的功能。可以使各種功能組合保持活躍,或者使其進入最低功耗狀態。運動驅動型開/關功能非常人性化,因為它們消除了用戶的重復性動作。另外,這些功能有助于優化電源管理,延長充電間隔和電池替換周期。采用背光LCD的智能遙控是眾多潛在應用場景之一。

             

            用加速度計檢測運動并產生中斷的另一種方式是軍人或公共安全人員使用的無線電系統。為了確保通信的安全性,當無線電不是處于被佩戴或攜帶的狀態時,需要重新認證身份才能允許用戶使用。注意,為了設計出實用的便攜或小型產品,前述兩種應用場景需要采用低功耗加速度計:最多幾微安(μA)

             

            運動檢測的另一種應用是在醫療設備中,如自動體外除顫器(AED)。一般情況下,根據設計,AED產生電擊,使病人的心肝恢復跳動。如果失敗,就必須實施人工心肺復蘇術(CPR)。經驗不足的救助人員可能無法將病人的胸部按壓到位,無法進行有效的CPR。把加速度計嵌入AED胸墊,通過測量胸墊移動的距離,可以向救助人員提供反饋,使其知道要施加多大的壓力。

             

            利用振動進行監控,實現節能

             

            振動的輕微變動是軸承磨損、機械組件定位失調和其他機械(包括工業設備)故障的前兆。帶寬超寬的超小型MEMS加速度計是監控電機、風扇和壓縮機內部振動的理想解決方案。如果能進行預防性維護,制造企業就能避免損壞昂貴的設備,預防故障,防止造成代價巨大的生產效率損失。

             

            也可以通過測量設備振動特征的變化來檢測機器是否經過調節優化,其工作模式有利于節能。除非經過校正,否則,這種低效工作模式可能會傷害到企業的綠色制造事業,增加電費開支,或者最終還會導致設備損壞。

             

            沖擊、手勢識別等

             

            許多筆記本電腦中采用的磁盤驅動器保護功能是沖擊檢測目前最為廣泛的應用。一個加速度計檢測表明筆記本電腦正在跌落微小的g力,這些g力是沖擊事件的前兆:沖擊地板。在數毫秒以內,系統會命令硬盤驅動器磁頭停止運行。磁頭停止運行后,在沖擊持續過程中,磁頭不再與磁盤盤片接觸,從而防止損壞驅動器,避免數據丟失。

             

            手勢識別接口是這類慣性檢測技術一種極具前景的新用途。通過輕擊、雙擊、搖動等確定性手勢,用戶可以激活不同功能或者調整工作模式。在物理按鈕和開關難以操作的情況下,手勢識別可以提高設備的可用性。無按鈕設計不但可以降低系統總成本,還可以提高最終產品的耐用性,比如水下攝像機,按鈕周圍的開口會使水浸入相機機身。

             

            小型消費電子產品只是基于加速度計的手勢識別技術的一個應用領域。得益于超小型低功耗MEMS加速度計,輕擊式接口可能成為穿戴式和植入式醫療設備的良好選擇,比如藥物輸送泵和助聽器。

             

            利用傾斜檢測實現精密操作

             

            傾斜檢測在手勢識別接口中也有著巨大的潛力。例如,在建筑或工業檢測設備等應用中,單手操作可能更適用。不操作設備的那只手可以控制操作員站立的鏟斗或平臺,或者可能握持系繩以保證安全。操作員只需“旋轉”探針或設備即可調節設置。

             

            在這種情況下,三軸加速度計會將旋轉檢測為傾斜:測量傾角在重力條件下的低速變化,檢測重力向量的變化,并確定方向是順時針還是反時針。傾斜檢測也可以與輕擊(沖擊)識別結合起來,以便操作員能單手控制設備的更多功能。

             

            設備位置補償是傾斜測量的又一個重要用武之地。以GPS(全球定位系統)或手機中的電子羅盤為例。這里有一個著名的問題,即在羅盤不與地球表面完全平行時,結果產生的首向誤差問題。

             

            工業電子秤是另一個例子。在該應用中,必須計算裝載桶相對于地球的傾角,以獲得準確的重量讀數。壓力傳感器(如汽車和工業機器中使用的傳感器)同樣存在重力影響問題。這些傳感器含有薄膜,其撓度會隨傳感器安裝位置而變化。在所有這些情況下,MEMS加速度計會進行必要的傾角檢測,對誤差進行補償。

             

            旋轉:陀螺儀和IMU實際應用

             

            如前所述,如果把旋轉與其他慣性檢測結合起來,結果有助于改進MEMS技術的實際應用。實際上,這要求使用加速度計和陀螺儀。

             

            市場上已經出現慣性測量單元,其中包括一個多軸加速度計、一個多軸陀螺儀,并且為了進一步提高首向精度,還有一個多軸磁力計。另外,IMU還可支持全6自由度(6DoF)。這可為醫學成像設備、手術儀器、高級假肢和工業車輛自動導航等應用帶來超精細的分辨率。除高精度工作模式以外,選擇IMU的另一個優勢是其具備的多種功能可以由傳感器制造商進行預測試和預校準。

             

            IMU也可用在精度要求不太明顯的應用之中。例如,智能高爾夫球桿可以跟蹤和記錄一次揮桿的每個動作,因而有助于提高高爾夫球手的技能。球桿內集成的加速度計測量加速度和揮桿平面,陀螺儀測量揮桿過程中的內旋動作,即高爾夫球手雙手的扭動動作。這種高爾夫球桿記錄比賽或練習中采集到的數據,供以后在電腦上分析。

             

            信號處理新浪潮

             

            無論是需要用戶友好型功能,降低功耗,消除物理按鈕和控制,補償重力和位置,還是要實現更加智能化的操作,基于MEMS的慣性檢測技術都有著豐富的選項,可以有效地捕捉運動五感。

             

            諸如推出iMEMS®運動信號處理系列產品的ADI公司一樣的創新企業以巨大的領先優勢,推出了可以滿足下一波信號處理浪潮需求的各類加速度計和陀螺儀。日益增多的運動檢測應用將從這些IC解決方案的小尺寸、高分辨率、低功耗、高可靠性、信號調理電路和集成功能等特性中大受裨益。


             
             
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