Interial sensors (惯性传感器)


Inertial sensors 是基于惯性的传感器。其所包含的系列从几平方毫米大小的 MEMS inertial sensors 到极为精确但直径可达 50 厘米的环状激光陀螺仪 。在下面的加速度计和陀螺仪部分中,将详细介绍 inertial sensors 的原理。

加速度计

MEMS 惯性加速度计包含一个质点-弹簧系统(位于真空中)。加速度计上施加的加速度使弹簧系统中的质点产生一个位移。质点的位移取决于质点弹簧系统,所以校准是必须的。测量数据可以通过电容式系统读出。MEMS 加速度计具有一维、二维和三维版本。由于质点弹簧系统的尺寸直接与加速度计的分辨率(和精度)相关,所以,三维加速度计芯片的精度还不能满足高精度 MEMS AHRS(如 MTi 和 MTi-G)中的使用要求。MEMS 加速度计的主要制造商是 Analog Devices、Kionix 和 Colibrys。

陀螺仪

惯性陀螺仪包括多种类别。Ring Laser Gyroscopes (RLG) 和 Fiber Optic Gyros (FOG) 具有高可靠性,但也非常昂贵。它们依赖于测量通过一组镜子或光纤电缆以相反方向传递的光束。陀螺仪旋转使一个方向上的光束到达一组镜子/光纤电缆另一侧的时间比以相反方向传递的光束早。光学陀螺仪(如 RLG 和 FOG)非常精确,在没有参考传感器的情况下也能使用(请参见 AHRS)。这种固有精度使它们的价格非常昂贵,无法用于成本有限的应用。

另一方面,MEMS 陀螺仪相对便宜,使用参考传感器补偿降低的精度。Analog Devices 是 MEMS 陀螺仪的主要制造商。

MEMS 陀螺仪

MEMS 陀螺仪具有一个较小的振动转子, 振动频率可能只有千赫兹的十分之一.转子悬浮在弹簧系统中,由于它在加速度计中 可通过电容式系统读出,就像加速度计一样。当陀螺仪旋转时,旋转在转子上施加垂直 Coriolis 力,在转子远离旋转中心时,该力较大。因此,振荡转子在振荡两侧获取不同的读取结果,用于测量角速度。陀螺仪的典型误差是重力敏感度这是由陀螺仪内部的弹簧系统变形引起的。Xsens 也对此误差来源进行补偿。有关 MEMS 陀螺仪和加速度计精确工作的详细信息,请访问 Sensors Magazine 的网站。

典型应用

传感器系统的典型应用依传感器类型的变化而有所不同。下图显示各种等级的陀螺仪。

Grades of gyroscopes. inertial sensors

战略和战术级传感器常见于高风险应用,如国防和商用航空导航。典型偏置稳定性大于 30 deg/h 的消费级陀螺仪常用于手机应用,并且可以用于 Nintendo Wii 控制器中。对于惯性测量单元,这些陀螺仪在航位推算中的偏差太大,所以无法用于专业应用。由于 inertial sensors 的精度得以提高,一组新的陀螺仪已经出现(工业级),它们体积小,可用于无人驾驶器的稳定以及其他传感器系统的测量和校正。无人驾驶器可以是水下航行器 (Saab Seaeye Jaguar)、飞行器 (Norut) 或陆用车辆 (Wambot)。在卫星通信和传感器校正中,示例包括 EM Solutions' Ka-band Satcom system 和 Sonardyne’s USBL systems。

更全面的可能应用领域列表可在此处找到:Xsens 客户案例