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利用运动传感及惯性测量应对工业挑战

时间:2022-02-24 04:37:29 作者:CAMILO DELGADO 阅读:
工业环境是电气和电子设备最具挑战性和严格要求的应用环境之一,通常肮脏、嘈杂、并且会受到极端温度、湿度和振动的影响。本文介绍了各种传感器和惯性测量在各种工业中的主要应用,以及TDK公司能够为高端工业护航的加速度计和多轴传感器模块的优异性能。
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惯性传感器系统通常也被称为惯性测量单元(IMU),常被嵌入进机器中用以监视运动并提供解析和响应外部环境所需的信息。通常,IMU使用多轴加速度计来检测线性运动,例如加速度、冲击、倾斜和振动。一些应用还需要测量角速度,因此IMU通常包括多轴陀螺仪。

工业环境中的挑战

工业环境是电气和电子设备在其中运行的最具挑战性和严格要求的环境之一,通常肮脏、嘈杂(同时表现在声学和电气方面),并且会受到极端温度、湿度和振动的影响。

虽然“工业”一词通常是工厂和制造设施的同义词,但人们越来越多地期望监视设备、农业设备、建筑设备和自动化设备都具有相同的性能标准,这些设备在户外使用并经常受到恶劣条件和GPS能见度差的影响。在这些环境中运行的设备必须满足高性能标准,以保证其稳健性和可靠性。

今天,在恶劣环境中使用惯性运动传感器的一些最常见的应用包括:

监视工业机械的性能

将传感器深深的嵌入机器中以提供对性能变化的早期和准确检测可以获得很大价值。例如,惯性传感器可以检测由轴承磨损引起的振动频率的变化,从而可以在设备全面故障发生之前开展预防性维护。

自动驾驶汽车中的高精度导航

自动化机器在工业市场上越来越流行。全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)常用于辅助公用事业和农业无人机、精准农业和最后一英里交付装置等应用的自主导航,而这些设备经常暴露在高温、高振动和GPS能见度差等恶劣环境条件下。

振动传感

振动传感越来越流行,这也是ISO标准所要求的。今天,大多数电机、泵、输送系统甚至电动汽车的制造商都很关心在合适的时间进行维护更新,因为过早或过晚维修设备都将对生产产生负面影响。

为了预测故障,可以使用MEMS振动传感器来设计基于状态的监测系统(CBM)。CBM是更高级别的振动监测器,它将多个传感器(如温度传感器、麦克风和振动传感器)组合在一个系统中,以便为最终应用提供更好的预测性传感。这些CBM还具有学习机器行为和执行实时分析的能力。

以IIM-42352为例,这是一款3轴加速度计,旨在帮助CBM制造商满足检测振动的需求。该传感器的功能包括:

  • 3dB带宽可配置,配置为2kHz时,输出数据速率(ODR)等于8kHz,而4kHz时ODR等于16kHz。
  • 能够提供外部时钟用于系统同步
  • 低功耗,典型电流为0.25mA
  • 基于运动检测的运动唤醒(WOM)中断

图1:3轴加速度计以及振动应用示例。来源:TDK

3轴加速度计能够测量高达4kHz的振动,并能承受高达20,000g的冲击。它的外部时钟输入还允许传感器与系统的微控制器同步,从而实现0.005%的ODR精度。此功能可使系统更稳定,噪音更小。最后,WOM功能还能为使用电池作为电源的客户提供卓越的节能效果。

图2突出展示了传感器的主要功能。

参数 单位  
制造商   TDK
加速度FSR    
加速度噪声密度    
加速度非线性    
3dB带宽   4000(X,Y)1500(Z轴)
加速度温度补偿    
加速度温度灵敏度误差    
输出数据速率精度   0.005(50),外部时钟条件下
电流(测量模式下)    
尺寸    
冲击容差    
工作温度    
唤醒模式    
外部时钟输入    

图2:上述详细规格突出显示了3轴加速度计的主要性能。

高端工业护航

另外还有6轴IMU模块,例如IIM-46234和IIM-46230,它们包含了基于超低噪声MEMS传感器,即使在恶劣的工业条件下也能提供精确的惯性测量。这些模块在单个封装中整合了多个陀螺仪和加速度计的功能,是自主应用中使用的高端GNSS/INS模块等应用的理想选择。这些模块的一些最终用户包括智能农业设备、最后一英里交付系统和测量设备等,因为它们需要一流的精度和性能。

图3展示了可以从使用这些模块中受益的各种应用。

图3:展示了IMU模块可以服务的各种应用。

这些IMU模块的功能包括:

  • 偏置不稳定性低,漂移少,对温度变化不敏感。
  • 能够提供三轴、增量角和增量速度输出。
  • 工厂校准,可确保偏置灵敏度、偏差和G灵敏度在整个温度范围内的准确性。
  • 可对加速度计和陀螺仪输出测量值进行动态校正,并存储用户配置的偏置、灵敏度和偏差值。
  • GNSS/GPS中断期间的可靠性能。
  • IMU模块还包括两个为最终用户提供明显优势的功能。

它们集成了TDK专有的容错技术SensorFT,可提供内置冗余和预警系统。这意味着这些模块可以容忍一个或多个内部故障而不会完全瘫痪。此外,它们提供有关其性能水平的持续状态变化,这有助于延长最终产品的整体使用寿命和定期维护周期。

凭借以微秒为单位的精确时间戳(25ppm漂移),用户可以选择提供外部PPS同步脉冲来同步内部时间戳,或者提供UTC时间戳和PPS脉冲来将内部时间戳匹配到外部系统时间。

IIM-46234模块可以在精密应用中提供很高的性能。另一方面,IIM-46230模块能以较低的成本供货,适用于不需要相同精度水平但仍需要方便、稳健和准确的惯性测量的应用。图4说明了每个模块的功能。

图4:IIM-46234和IIM-46230模块的性能规格比较表。

IIM-46230和IIM-46234模块随附评估套件可用来方便地分析这些功能。

IMU为机器提供了检测加速度、倾斜、冲击、振动和旋转的能力,从而使机器能够感知和响应外部环境。随着电子产品在工业应用中使用的增加,IMU必须能够承受苛刻的环境条件,同时保持高水平的精度和性能。

(参考原文:Motion sensing, IMUs rising to the industrial challenge

本文为《电子工程专辑》2022年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Amy.wu
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