慣性傳感器系統(tǒng)通常也被稱為慣性測量單元（IMU），常被嵌入進機器中用以監(jiān)視運動并提供解析和響應外部環(huán)境所需的信息。通常，IMU使用多軸加速度計來檢測線性運動，例如加速度、沖擊、傾斜和振動。一些應用還需要測量角速度，因此IMU通常包括多軸陀螺儀。

工業(yè)環(huán)境中的挑戰(zhàn)

工業(yè)環(huán)境是電氣和電子設備在其中運行的最具挑戰(zhàn)性和嚴格要求的環(huán)境之一，通常骯臟、嘈雜（同時表現(xiàn)在聲學和電氣方面），并且會受到極端溫度、濕度和振動的影響。

雖然“工業(yè)”一詞通常是工廠和制造設施的同義詞，但人們越來越多地期望監(jiān)視設備、農(nóng)業(yè)設備、建筑設備和自動化設備都具有相同的性能標準，這些設備在戶外使用并經(jīng)常受到惡劣條件和GPS能見度差的影響。在這些環(huán)境中運行的設備必須滿足高性能標準，以保證其穩(wěn)健性和可靠性。

今天，在惡劣環(huán)境中使用慣性運動傳感器的一些最常見的應用包括：

監(jiān)視工業(yè)機械的性能

將傳感器深深的嵌入機器中以提供對性能變化的早期和準確檢測可以獲得很大價值。例如，慣性傳感器可以檢測由軸承磨損引起的振動頻率的變化，從而可以在設備全面故障發(fā)生之前開展預防性維護。

自動駕駛汽車中的高精度導航

自動化機器在工業(yè)市場上越來越流行。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和慣性導航系統(tǒng)（INS）常用于輔助公用事業(yè)和農(nóng)業(yè)無人機、精準農(nóng)業(yè)和最后一英里交付裝置等應用的自主導航，而這些設備經(jīng)常暴露在高溫、高振動和GPS能見度差等惡劣環(huán)境條件下。

振動傳感

振動傳感越來越流行，這也是ISO標準所要求的。今天，大多數(shù)電機、泵、輸送系統(tǒng)甚至電動汽車的制造商都很關心在合適的時間進行維護更新，因為過早或過晚維修設備都將對生產(chǎn)產(chǎn)生負面影響。

為了預測故障，可以使用MEMS振動傳感器來設計基于狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)（CBM）。CBM是更高級別的振動監(jiān)測器，它將多個傳感器（如溫度傳感器、麥克風和振動傳感器）組合在一個系統(tǒng)中，以便為最終應用提供更好的預測性傳感。這些CBM還具有學習機器行為和執(zhí)行實時分析的能力。

以IIM-42352為例，這是一款3軸加速度計，旨在幫助CBM制造商滿足檢測振動的需求。該傳感器的功能包括：

• 3dB帶寬可配置，配置為2kHz時，輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）等于8kHz，而4kHz時ODR等于16kHz。
• 能夠提供外部時鐘用于系統(tǒng)同步
• 低功耗，典型電流為0.25mA
• 基于運動檢測的運動喚醒（WOM）中斷

3軸加速度計能夠測量高達4kHz的振動，并能承受高達20，000g的沖擊。它的外部時鐘輸入還允許傳感器與系統(tǒng)的微控制器同步，從而實現(xiàn)0.005%的ODR精度。此功能可使系統(tǒng)更穩(wěn)定，噪音更小。最后，WOM功能還能為使用電池作為電源的客戶提供卓越的節(jié)能效果。

圖2突出展示了傳感器的主要功能。

圖：上述詳細規(guī)格突出顯示了3軸加速度計的主要性能。

為高端工業(yè)護航

另外還有6軸IMU模塊，例如IIM-46234和IIM-46230，它們包含了基于超低噪聲MEMS傳感器，即使在惡劣的工業(yè)條件下也能提供精確的慣性測量。這些模塊在單個封裝中整合了多個陀螺儀和加速度計的功能，是自主應用中使用的高端GNSS/INS模塊等應用的理想選擇。這些模塊的一些最終用戶包括智能農(nóng)業(yè)設備、最后一英里交付系統(tǒng)和測量設備等，因為它們需要一流的精度和性能。

圖3展示了可以從使用這些模塊中受益的各種應用。

這些IMU模塊的功能包括：

• 偏置不穩(wěn)定性低，漂移少，對溫度變化不敏感。
• 能夠提供三軸、增量角和增量速度輸出。
• 工廠校準，可確保偏置靈敏度、偏差和G靈敏度在整個溫度范圍內(nèi)的準確性。
• 可對加速度計和陀螺儀輸出測量值進行動態(tài)校正，并存儲用戶配置的偏置、靈敏度和偏差值。
• GNSS/GPS中斷期間的可靠性能。
• IMU模塊還包括兩個為最終用戶提供明顯優(yōu)勢的功能。

它們集成了TDK專有的容錯技術(shù)SensorFT，可提供內(nèi)置冗余和預警系統(tǒng)。這意味著這些模塊可以容忍一個或多個內(nèi)部故障而不會完全癱瘓。此外，它們提供有關其性能水平的持續(xù)狀態(tài)變化，這有助于延長最終產(chǎn)品的整體使用壽命和定期維護周期。

憑借以微秒為單位的精確時間戳（25ppm漂移），用戶可以選擇提供外部PPS同步脈沖來同步內(nèi)部時間戳，或者提供UTC時間戳和PPS脈沖來將內(nèi)部時間戳匹配到外部系統(tǒng)時間。

IIM-46234模塊可以在精密應用中提供很高的性能。另一方面，IIM-46230模塊能以較低的成本供貨，適用于不需要相同精度水平但仍需要方便、穩(wěn)健和準確的慣性測量的應用。圖4說明了每個模塊的功能。

圖：IIM-46234和IIM-46230模塊的性能規(guī)格比較表。

IIM-46230和IIM-46234模塊隨附評估套件可用來方便地分析這些功能。

IMU為機器提供了檢測加速度、傾斜、沖擊、振動和旋轉(zhuǎn)的能力，從而使機器能夠感知和響應外部環(huán)境。隨著電子產(chǎn)品在工業(yè)應用中使用的增加，IMU必須能夠承受苛刻的環(huán)境條件，同時保持高水平的精度和性能。

作者：CAMILO DELGADO EET電子工程專輯原創(chuàng)