構(gòu)成

　　慣性傳感器包括加速度計(jì)（或加速度傳感計(jì)）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測(cè)量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。

　　MEMS加速度計(jì)是利用傳感質(zhì)量的慣性力測(cè)量的傳感器，通常由標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測(cè)電路組成。

　　IMU主要由三個(gè)MEMS加速度傳感器及三個(gè)陀螺和解算電路組成。

分類

　　慣性傳感器分為兩大類：一類是角速率陀螺；另一類是線加速度計(jì)。

　　角速率陀螺又分為：機(jī)械式干式、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(jì)又分為：機(jī)械式線加速度計(jì)；撓性線加速度計(jì)；MEMS硅、石英線加速度計(jì)（含壓阻、壓電線加速度計(jì)）；石英撓性線加速度計(jì)等。

應(yīng)用

　　低精度MEMS慣性傳感器作為消費(fèi)電子類產(chǎn)品主要用在手機(jī)、GPS導(dǎo)航、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂(lè)播放器、無(wú)線鼠標(biāo)、PD、硬盤(pán)保護(hù)器、智能玩具、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)。由于具有加速度測(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能，有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用會(huì)不斷出現(xiàn)。

　　中級(jí)MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品，則主要用于汽車(chē)電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP或ESC）GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車(chē)安全氣囊、車(chē)輛姿態(tài)測(cè)量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、儀器儀表、工程機(jī)械等。

　　高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級(jí)和宇航級(jí)產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無(wú)線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用；飛機(jī)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GP戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人等。

技術(shù)導(dǎo)航

　　固態(tài)慣性傳感器有著潛在的成本、尺寸、重量等優(yōu)勢(shì)，其在系統(tǒng)中的應(yīng)用也必然激增。隨著器件成本的降低、小尺寸傳感器的出現(xiàn)，軍事應(yīng)用也出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是隨著慣性傳感器的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)導(dǎo)航技術(shù)，它完全自主、不受干擾、輸出信息量大、輸出信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)使其在軍用航行載體和民用相關(guān)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度、成本主要取決于陀螺儀和加速度傳感器的精度和成本，尤其是陀螺儀其漂移對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)位置誤差增長(zhǎng)的影響是時(shí)間的三次方函數(shù)，而高精度的陀螺儀制造困難，成本很高，因此慣性技術(shù)界一直在尋求各種有效方法來(lái)提高陀螺儀的精度，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

　　微型機(jī)械式慣導(dǎo)傳感器將統(tǒng)治戰(zhàn)術(shù)性能要求（或以下）的應(yīng)用領(lǐng)域。軍用市場(chǎng)將推動(dòng)這些傳感器的發(fā)展，如適用靈巧飛行器、自主導(dǎo)航導(dǎo)彈、短程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)航、火力控制系統(tǒng)、雷達(dá)天線的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、復(fù)合智能小型推進(jìn)器和晶片大小的INS/GPS系統(tǒng)。洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛射彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)戰(zhàn)略制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展，將依賴于武器系統(tǒng)和戰(zhàn)略系統(tǒng)的總體性能要求。導(dǎo)航系統(tǒng)為提高導(dǎo)航精度，將繼續(xù)采用穩(wěn)定平臺(tái)式機(jī)械陀螺儀和加速度計(jì)（擺式陀螺加速度計(jì)）。

　　從20世紀(jì)50年代的液浮陀螺儀到70年代的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀；從80年代的環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀到90年代的振動(dòng)陀螺儀以及目前研究報(bào)道較多的微機(jī)械電子系統(tǒng)陀螺儀相繼出現(xiàn)，從而推動(dòng)了慣性傳感器不斷向前發(fā)展。因此對(duì)慣性傳感器的研究一直是各國(guó)慣性技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)，各種新材料、新技術(shù)在慣性傳感器研究中都有所體現(xiàn)，隨著低成本、高精度的慣性傳感器的出現(xiàn)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將成為通用、低價(jià)的導(dǎo)航系統(tǒng)。

相關(guān)介紹

　　最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得機(jī)器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了革命性的進(jìn)步。除了機(jī)器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應(yīng)用還包括：平臺(tái)穩(wěn)定、工業(yè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、安全/監(jiān)控設(shè)備和工業(yè)車(chē)輛導(dǎo)航等。這種傳感器提供的運(yùn)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，尤其是許多工業(yè)應(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動(dòng)、空間限制和其他因素的影響。對(duì)工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的信息，然后在系統(tǒng)的時(shí)序和功耗預(yù)算內(nèi)做出反應(yīng)，工程師必須擁有多種技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且遵循良好的設(shè)計(jì)規(guī)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型的運(yùn)動(dòng)、位置和方向輸出。每種類型的運(yùn)動(dòng)都涉及到一系列應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜因素，對(duì)此必須加以了解。工業(yè)控制應(yīng)用就是一個(gè)很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設(shè)備對(duì)這些應(yīng)用十分有用。傾斜或角度檢測(cè)常常是此類應(yīng)用的核心任務(wù)，在最簡(jiǎn)單的范例中，機(jī)械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統(tǒng)的完整運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。

　　如果系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)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(yīng)時(shí)間、沖擊和震動(dòng)、尺寸、整個(gè)使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統(tǒng)涉及到多種類型的運(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)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型的傳感器結(jié)合在一起。

　　一旦知道正確的傳感器類型和技術(shù)后，挑戰(zhàn)便轉(zhuǎn)移到了解和最終補(bǔ)償傳感器對(duì)環(huán)境（溫度、震動(dòng)、沖擊、安裝位置、時(shí)間和其他變量）的反應(yīng)。環(huán)境補(bǔ)償涉及到額外的電路、測(cè)試、校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個(gè)傳感器都是獨(dú)一無(wú)二的，因此這又會(huì)帶來(lái)補(bǔ)償不足或過(guò)度的額外風(fēng)險(xiǎn)，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點(diǎn)驅(qū)使許多設(shè)計(jì)工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運(yùn)用和實(shí)施過(guò)程中的障礙。

線性速率抑或角速率

　　慣性傳感器有多種類型。MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經(jīng)使眾多應(yīng)用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器（加速度計(jì)）徹底革新了汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本電腦硬盤(pán)保護(hù)到游戲控制器中更為直觀的用戶運(yùn)動(dòng)捕捉，各種獨(dú)特的功能和應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

　　根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結(jié)構(gòu)也可提供角速率檢測(cè)。兩個(gè)多晶硅檢測(cè)結(jié)構(gòu)各含一個(gè)“擾動(dòng)框架”，通過(guò)靜電將擾動(dòng)框架驅(qū)動(dòng)到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運(yùn)動(dòng)，從而在旋轉(zhuǎn)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(yùn)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(jié)構(gòu)來(lái)檢測(cè)科氏運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，可動(dòng)指的位置變化通過(guò)電容變化進(jìn)行檢測(cè)，由此得到的信號(hào)送入一系列增益和解調(diào)級(jí)，產(chǎn)生電速率信號(hào)輸出。某些情況下，該信號(hào)還會(huì)經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個(gè)專有數(shù)字校準(zhǔn)電路。

　　傳感器內(nèi)核周?chē)募啥群托?zhǔn)由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。

調(diào)理和處理

　　在工業(yè)市場(chǎng)上，諸如震動(dòng)分析、平臺(tái)校正、一般運(yùn)動(dòng)控制之類的應(yīng)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(cè)元件是直接嵌入到現(xiàn)有設(shè)備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準(zhǔn)和編程功能，使器件真正獨(dú)立自足。一些應(yīng)用范例包括：

　　● 機(jī)器自動(dòng)化：通過(guò)提高位置檢測(cè)精度，并且更加嚴(yán)格地將此信息與遠(yuǎn)程控制或編程設(shè)置的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，可以使自治或遠(yuǎn)程控制的精密儀器和機(jī)械臂更加精確、有效。

　　● 工業(yè)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)控：通過(guò)將傳感器更深地嵌入機(jī)械內(nèi)部，并且借由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準(zhǔn)確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實(shí)用的價(jià)值。

　　● 移動(dòng)通信和監(jiān)控：無(wú)論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定（天線和相機(jī)）和定向?qū)Ш剑ɡ肎PS和其他傳感器進(jìn)行航位推算）。

　　工業(yè)檢測(cè)市場(chǎng)異常紛繁多樣，必須通過(guò)集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項(xiàng)和專用輔助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(fù)雜的情況下，還需要采用多個(gè)傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來(lái)很簡(jiǎn)單的慣性運(yùn)動(dòng)，例如僅限于一個(gè)或兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，也可能需要同時(shí)采用加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)來(lái)補(bǔ)償重力、震動(dòng)及其他不符常規(guī)的行為和影響。

　　傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時(shí)候需要對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，即使無(wú)須補(bǔ)償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標(biāo)存在許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，這使得上述問(wèn)題的解決更加困難。當(dāng)指定角速率傳感器要求時(shí)，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時(shí)間發(fā)生的偏置估算），消費(fèi)級(jí)陀螺儀通常不會(huì)規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無(wú)意義。例如，假設(shè)線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡(jiǎn)單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計(jì)通常與陀螺儀一起使用，以便檢測(cè)重力影響，并且提供必要的信息來(lái)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)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(yīng)用環(huán)境。校準(zhǔn)計(jì)劃可以針對(duì)影響最大的因素進(jìn)行定制，從而減少測(cè)試時(shí)間和補(bǔ)償算法開(kāi)銷。面向具體應(yīng)用的解決方案將適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c必要的信號(hào)處理結(jié)合在一起，如果具備高性價(jià)比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過(guò)去所面臨的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。

加速度、震動(dòng)分析

　　在一些應(yīng)用案例中，相對(duì)簡(jiǎn)單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應(yīng)用中（例如，通過(guò)震動(dòng)分析進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當(dāng)多的處理過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)所需的輸出。

　　圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的一個(gè)高集成度器件示例是ADIS16227，它是一款完全自治的頻域震動(dòng)監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對(duì)簡(jiǎn)單的g/mV輸出，而是提供特定應(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點(diǎn)實(shí)值FFT和片上存儲(chǔ)器能夠識(shí)別各震動(dòng)源并進(jìn)行歸類，監(jiān)控其隨時(shí)間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

　　能夠檢測(cè)和了解運(yùn)動(dòng)可能對(duì)幾乎所有設(shè)想到的領(lǐng)域都具有應(yīng)用價(jià)值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，并利用該信息提高性能（響應(yīng)時(shí)間、精度、工作速度等），增強(qiáng)安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險(xiǎn)情況下關(guān)機(jī)），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運(yùn)動(dòng)才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來(lái)檢測(cè)不需要的運(yùn)動(dòng)。

　　這些特性或性能升級(jí)往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，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(tǒng)的設(shè)計(jì)人員不是運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面的專家，因此，在決定是否進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，完全集成和校準(zhǔn)的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。