利用運動感測及慣性測量應對工業挑戰

作者 : Camilo Delgado,TDK InvenSense產品行銷暨工業業務總監

慣性感測器系統通常也被稱為慣性測量單元(IMU),常被嵌入進機器中用以監視運動並提供解析和響應外部環境所需的資訊…

慣性感測器系統通常也被稱為慣性測量單元(IMU),常被嵌入進機器中用以監視運動並提供解析和響應外部環境所需的資訊。通常,IMU使用多軸加速度計來檢測線性運動,例如加速度、衝擊、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。

工業環境中的挑戰

工業環境是電氣和電子設備在其中運作的最具挑戰性和嚴格要求的環境之一,通常骯髒、嘈雜(同時表現在聲學和電氣方面),並且會受到極端溫度、濕度和振動的影響。

雖然「工業」一詞通常是工廠和製造設備的同義詞,但人們越來越多地期望監視設備、農業設備、

建築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並經常受到惡劣條件和GPS能見度差的影響。在這些環境中運作的設備必須滿足高性能標準,以保證其穩健性和可靠性。

今天,在惡劣環境中使用慣性運動感測器的一些最常見的應用包括以下:

1.監視工業機械的性能

將感測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,慣性感測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生之前開展預防性維護。

2.自動駕駛車中的高精準度導航

自動化機器在工業市場上越來越流行。全球導航衛星系統(GNSS)和慣性導航系統(INS)常用於輔助公用事業和農業無人機、精準農業和最後一哩交送貨設備等應用的自主導航,而這些設備經常暴露在高溫、高振動和GPS能見度差等惡劣環境條件下。

振動感測

振動感測越來越流行,這也是ISO標準所要求的。今天,大多數馬達、泵、輸送系統甚至電動車的製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產生負面影響。

為了預測故障,可以使用MEMS振動感測器來設計基於狀態的監測系統(CBM)。CBM是更高等級的振動監測器,它將多個感測器(如溫度感測器、麥克風和振動感測器)組合在一個系統中,以便為最終應用提供更好的預測性感測。不僅如此,這些CBM還具有學習機器行為和執行即時分析的能力。

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

  • 3dB頻寬可配置,配置為2kHz時,輸出資料速率(ODR)等於8kHz,而4kHz時ODR等於16kHz;
  • 能夠提供外部時脈用於系統同步;
  • 低功耗,典型電流為0.25mA;
  • 基於運動檢測的運動喚醒(WOM)中斷。

 

圖1:3軸加速度計及振動應用示例。

(來源:TDK)

 

3軸加速度計能夠測量高達4kHz的振動,並能承受高達20,000g的衝擊。它的外部時脈輸入還允許感測器與系統的微控制器同步,從而實現0.005%的ODR精準度。此功能可使系統更穩定,雜訊更小。最後,WOM功能還能為使用電池作為電源的客戶提供節能效果,圖2顯示感測器的主要功能。

 

圖2:詳細規格突顯示3軸加速度計的主要性能。

(來源:TDK)

 

為高階工業護航

另外還有6軸IMU模組,例如IIM-46234和IIM-46230,它們包含了基於超低雜訊MEMS感測器,即使在惡劣的工業條件下也能提供精確的慣性測量。這些模組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階GNSS/INS模組等應用的理想選擇。這些模組的一些最終使用者包括智慧農業設備、最後一哩交送貨系統和測量設備等,因為它們需要一流的精確度和性能,圖3顯示可以從使用這些模組中受益的各種應用。

 

圖3:IMU模組可以服務的各種應用。

(來源:TDK)

 

這些IMU模組的功能包括:

  • 偏置不穩定性低、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靈敏度在整個溫度範圍內的準確性;
  • 可對加速度計和陀螺儀輸出測量值進行動態校正,並儲存使用者配置的偏置、靈敏度和偏差值;
  • GNSS/GPS中斷期間的可靠性能。

IMU模組還包括兩個為最終用戶提供明顯優勢的功能。它們整合了TDK專有的容錯技術SensorFT,可提供內建冗餘和預警系統,這意味著這些模組可以容忍一個或多個內部故障而不會完全癱瘓。此外,它們提供有關其性能水準的持續狀態變化,這有助於延長最終產品的整體使用壽命和定期維護週期。

憑藉以微秒(μs)為單位的精確時間戳記(25ppm漂移),用戶可以選擇提供外部PPS同步脈衝來同步內部時間戳記,或者提供UTC時間戳記和PPS脈衝來將內部時間戳記匹配到外部系統時間。

IIM-46234模組可以在精密應用中提供很高的性能。另一方面,IIM-46230模組能以較低的成本供貨,適用於不需要相同精準度,但仍需要方便、穩健和準確的慣性測量的應用,圖4說明了每個模組的功能。

 

圖4:IIM-46234和IIM-46230模組的性能規格比較表。

(來源:TDK)

 

IIM-46230和IIM-46234模組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、衝擊、振動和旋轉的能力,從而使機器能夠感知和回應外部環境。

隨著電子產品在工業應用中使用的增加,IMU必須能夠承受苛刻的環境條件,同時保持高水準的精準度和性能。

(參考原文:Motion sensing, IMUs rising to the industrial challenge,by Camilo Delgado)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年2月號

 

 

 

 

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