加速度計(jì)和陀螺儀：了解運(yùn)動(dòng)指標(biāo)

許多傳感器，如接近傳感器、光學(xué)傳感器和超聲波傳感器，都是控制工程師所熟悉的。越來越多的現(xiàn)代設(shè)備正在采用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)配置文件，需要在多個(gè)軸上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)傳感

“傳感器”市場(chǎng)預(yù)計(jì)將成為未來幾年工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)增長最快的類別之一（根據(jù)MarketsandMarkets 的數(shù)據(jù)）。也許這并不奇怪，因?yàn)槁?lián)網(wǎng)“智能”設(shè)備的可用性甚至可以為小型系統(tǒng)提供數(shù)百或數(shù)千個(gè)傳感器。它們也是成本最低的工業(yè)組件之一，因此我們可能會(huì)看到傳感器的大幅增長是有道理的。

有多少種類型的傳感器？

實(shí)際上有數(shù)百個(gè)可以測(cè)量的量，包括速度、尺寸、形狀、顏色、噪聲、溫度、重量、電壓、電流、運(yùn)動(dòng)，而且這個(gè)列表還在不斷地增加。對(duì)于每個(gè)數(shù)量，都有各種各樣的傳感器以有意義的方式捕獲該數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)上，大多數(shù)工業(yè)傳感器的設(shè)計(jì)注重可靠性、耐用性和簡(jiǎn)單性，僅測(cè)量單個(gè)數(shù)量。當(dāng)您購買傳感器時(shí)，供應(yīng)商會(huì)在其自己的產(chǎn)品類別中清楚地貼上標(biāo)簽。

隨著現(xiàn)代設(shè)備變得越來越復(fù)雜，捕獲更復(fù)雜數(shù)據(jù)的要求也不斷提高。

兩種傳感器脫穎而出，從消費(fèi)設(shè)備內(nèi)部的使用發(fā)展到現(xiàn)在越來越多的工業(yè)應(yīng)用中。它們是加速度計(jì)和陀螺儀。

圖 1.用于振動(dòng)傳感的工業(yè)加速度計(jì) 圖片由Hansford Sensors提供

什么是加速度計(jì)？

加速度計(jì)測(cè)量特定方向上的速度變化。如果您加速、減速或轉(zhuǎn)彎，您就改變了某個(gè)方向的速度。

加速度計(jì)如何工作？

測(cè)量加速度的方法有很多（通常包括壓電效應(yīng)），但最常見的方法之一涉及兩個(gè)非常非常小的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，類似于梳子上的牙齒。當(dāng)彼此嵌套（但不接觸）時(shí)，存在一些電容，因?yàn)閷?dǎo)體被絕緣間隙隔開。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，牙齒會(huì)靠近或分開，從而改變電容。一旦運(yùn)動(dòng)再次穩(wěn)定（不一定停止，而是恒定值），電容就會(huì)恢復(fù)到原始水平。

圖 2.一種類型的加速度計(jì)利用導(dǎo)體之間的間隙來測(cè)量電容。圖片由Level Developments提供

通過測(cè)量該電容，傳感器可以非常準(zhǔn)確地檢測(cè)速度的任何變化。憑借小型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即使是微小的傳感器也可以容納 X、Y 甚至 Z 方向的加速度計(jì)，即 3 軸加速度計(jì)。

對(duì)于水平放置的應(yīng)用程序來說，Z 軸有點(diǎn)棘手。重力將以恒定加速度 (9.8 m/s 2 )下拉，因此模塊設(shè)計(jì)者必須能夠補(bǔ)償該值，以區(qū)分重力和實(shí)際運(yùn)動(dòng)變化。

加速度計(jì)有什么用？

當(dāng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)是決定性因素時(shí)，使用這些 3 軸加速度計(jì)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊是加速度計(jì)增長最快的工業(yè)用途之一。電機(jī)和軸承上的振動(dòng)傳感器將受益于對(duì)運(yùn)動(dòng)變化的分析。無人機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人，特別是那些可能會(huì)經(jīng)歷行駛傾斜度變化的無人機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人，也將受益于這些微型、高效的傳感器。

什么是陀螺儀？

與加速度計(jì)類似，陀螺儀可以感知方向運(yùn)動(dòng)的變化，但其方式依賴于角動(dòng)量的變化。這意味著，雖然加速度計(jì)非常擅長測(cè)量沿三個(gè)線性軸的加速度，但陀螺儀卻擅長測(cè)量旋轉(zhuǎn)或傾斜角度。

圖 3.適用于惡劣工業(yè)用途的陀螺儀（與加速度計(jì)組合）模塊。圖片由Analog Devices提供

陀螺儀如何工作？

有兩個(gè)主要原理用于捕獲旋轉(zhuǎn)位移。經(jīng)典方法使用質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)來保持直立姿勢(shì)。當(dāng)物體外部旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量保持完美水平，兩者之差就是角度。正如您所料，這種方法太大并且會(huì)遭受太多機(jī)械磨損，無法在微型工業(yè)傳感器中使用。

圖 4.石英音叉陀螺儀的模型和示意圖。圖片由玉溪師范學(xué)院信息與工程學(xué)院范茂炎提供

最現(xiàn)代的方法使用石英晶體，當(dāng)受到小電壓時(shí)，石英晶體會(huì)以非常一致的速率振動(dòng)（振蕩）。任何角位移都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻率發(fā)生輕微變化，該變化由連接到外部電路的石英音叉讀取。這種方法非常小而且非常精確。

陀螺儀有什么用？

這些傳感器實(shí)際上與加速度計(jì)一起使用，形成具有 6 個(gè)不同自由度的組合測(cè)量系統(tǒng)（三個(gè)用于線性運(yùn)動(dòng)，三個(gè)用于角運(yùn)動(dòng)）。無人機(jī)、人形機(jī)器人和其他移動(dòng)平臺(tái)都利用這些組合傳感器。

陀螺儀還可以放置在高速機(jī)械中，以測(cè)量柔性組件偏轉(zhuǎn)角的任何變化，從而允許 PID 回路補(bǔ)償不可預(yù)見的運(yùn)動(dòng)，并幫助機(jī)器更準(zhǔn)確地降落在目標(biāo)上。值得注意的是，愛普生機(jī)器人公司的 SCARA 設(shè)計(jì)配備了 Gyroplus 技術(shù)，利用這種傳感技術(shù)進(jìn)一步提高了速度和精度。

適用于多種工業(yè)應(yīng)用的多種傳感器

這些當(dāng)然不是當(dāng)今市場(chǎng)上唯一的新型傳感器，但由于它們依賴于更神秘的電氣特性，并且由于它們通常隱藏在更復(fù)雜的嵌入式控制器內(nèi)，因此它們可能更難以理解。