構(gòu)成

　　慣性傳感器包括加速度計（或加速度傳感計）和角速度傳感器（陀螺）以及它們的單、雙、三軸組合IMU（慣性測量單元），AHRS（包括磁傳感器的姿態(tài)參考系統(tǒng)）。

　　MEMS加速度計是利用傳感質(zhì)量的慣性力測量的傳感器，通常由標準質(zhì)量塊（傳感元件）和檢測電路組成。

　　IMU主要由三個MEMS加速度傳感器及三個陀螺和解算電路組成。

分類

　　慣性傳感器分為兩大類：一類是角速率陀螺；另一類是線加速度計。

　　角速率陀螺又分為：機械式干式、液浮、半液浮、氣浮角速率陀螺；撓性角速率陀螺；MEMS硅、石英角速率陀螺（含半球諧振角速率陀螺等）；光纖角速率陀螺；激光角速率陀螺等。

　　線加速度計又分為：機械式線加速度計；撓性線加速度計；MEMS硅、石英線加速度計（含壓阻、壓電線加速度計）；石英撓性線加速度計等。

應(yīng)用

　　低精度MEMS慣性傳感器作為消費電子類產(chǎn)品主要用在手機、GPS導(dǎo)航、游戲機、數(shù)碼相機、音樂播放器、無線鼠標、PD、硬盤保護器、智能玩具、計步器、防盜系統(tǒng)。由于具有加速度測量、傾斜測量、振動測量甚至轉(zhuǎn)動測量等基本測量功能，有待挖掘的消費電子應(yīng)用會不斷出現(xiàn)。

　　中級MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級及汽車級產(chǎn)品，則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP或ESC）GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，汽車安全氣囊、車輛姿態(tài)測量、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、大型醫(yī)療設(shè)備、機器人、儀器儀表、工程機械等。

　　高精度的MEMS慣性傳感器作為軍用級和宇航級產(chǎn)品，主要要求高精度、全溫區(qū)、抗沖擊等指數(shù)。主要用于通訊衛(wèi)星無線、導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、光學(xué)瞄準系統(tǒng)等穩(wěn)定性應(yīng)用；飛機/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GP戰(zhàn)場機器人等。

技術(shù)導(dǎo)航

　　固態(tài)慣性傳感器有著潛在的成本、尺寸、重量等優(yōu)勢，其在系統(tǒng)中的應(yīng)用也必然激增。隨著器件成本的降低、小尺寸傳感器的出現(xiàn)，軍事應(yīng)用也出現(xiàn)了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是隨著慣性傳感器的發(fā)展而發(fā)展起來的一門導(dǎo)航技術(shù)，它完全自主、不受干擾、輸出信息量大、輸出信息實時性強等優(yōu)點使其在軍用航行載體和民用相關(guān)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度、成本主要取決于陀螺儀和加速度傳感器的精度和成本，尤其是陀螺儀其漂移對慣導(dǎo)系統(tǒng)位置誤差增長的影響是時間的三次方函數(shù)，而高精度的陀螺儀制造困難，成本很高，因此慣性技術(shù)界一直在尋求各種有效方法來提高陀螺儀的精度，同時降低系統(tǒng)成本。

　　微型機械式慣導(dǎo)傳感器將統(tǒng)治戰(zhàn)術(shù)性能要求（或以下）的應(yīng)用領(lǐng)域。軍用市場將推動這些傳感器的發(fā)展，如適用靈巧飛行器、自主導(dǎo)航導(dǎo)彈、短程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈導(dǎo)航、火力控制系統(tǒng)、雷達天線的運動補償、復(fù)合智能小型推進器和晶片大小的INS/GPS系統(tǒng)。洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)和潛射彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)戰(zhàn)略制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展，將依賴于武器系統(tǒng)和戰(zhàn)略系統(tǒng)的總體性能要求。導(dǎo)航系統(tǒng)為提高導(dǎo)航精度，將繼續(xù)采用穩(wěn)定平臺式機械陀螺儀和加速度計（擺式陀螺加速度計）。

　　從20世紀50年代的液浮陀螺儀到70年代的動力調(diào)諧陀螺儀；從80年代的環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀到90年代的振動陀螺儀以及目前研究報道較多的微機械電子系統(tǒng)陀螺儀相繼出現(xiàn)，從而推動了慣性傳感器不斷向前發(fā)展。因此對慣性傳感器的研究一直是各國慣性技術(shù)領(lǐng)域的重點，各種新材料、新技術(shù)在慣性傳感器研究中都有所體現(xiàn)，隨著低成本、高精度的慣性傳感器的出現(xiàn)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將成為通用、低價的導(dǎo)航系統(tǒng)。

相關(guān)介紹

　　最近的傳感器技術(shù)發(fā)展使得機器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了革命性的進步。除了機器人以外，慣性傳感器有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應(yīng)用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設(shè)備和工業(yè)車輛導(dǎo)航等。這種傳感器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本。

　　然而，要想獲得這些好處，必須克服一些障礙，尤其是許多工業(yè)應(yīng)用處在惡劣的物理環(huán)境下，必須考慮溫度、震動、空間限制和其他因素的影響。對工程師而言，為了從傳感器獲取一致的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成有用的信息，然后在系統(tǒng)的時序和功耗預(yù)算內(nèi)做出反應(yīng)，工程師必須擁有多種技術(shù)領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗，并且遵循良好的設(shè)計規(guī)范。 　了解問題

　　來自慣性傳感器的信息經(jīng)過處理和積分后，可以提供許多不同類型的運動、位置和方向輸出。每種類型的運動都涉及到一系列應(yīng)用相關(guān)的復(fù)雜因素，對此必須加以了解。工業(yè)控制應(yīng)用就是一個很好的例子，某種形式的指向或轉(zhuǎn)向設(shè)備對這些應(yīng)用十分有用。傾斜或角度檢測常常是此類應(yīng)用的核心任務(wù)，在最簡單的范例中，機械氣泡傳感器便可滿足需要。然而，在明確傳感器需求之前，需要分析最終系統(tǒng)的完整運動動力學(xué)特性、環(huán)境、壽命周期和可靠性預(yù)期。

　　如果系統(tǒng)的運動相對而言為靜態(tài)，簡單的角度傳感器可能就足夠了，但實際的技術(shù)決策取決于響應(yīng)時間、沖擊和震動、尺寸、整個使用壽命期間的性能漂移。此外，許多系統(tǒng)涉及到多種類型的運動（如旋轉(zhuǎn)和加速度等），而且往往在多個軸上工作，這就需要考慮將多種類型的傳感器結(jié)合在一起。

　　一旦知道正確的傳感器類型和技術(shù)后，挑戰(zhàn)便轉(zhuǎn)移到了解和最終補償傳感器對環(huán)境（溫度、震動、沖擊、安裝位置、時間和其他變量）的反應(yīng)。環(huán)境補償涉及到額外的電路、測試、校準和動態(tài)調(diào)整，而每種類型的傳感器，甚至每個傳感器都是獨一無二的，因此這又會帶來補償不足或過度的額外風(fēng)險，除非工程師非常了解傳感器特性。最后這一點驅(qū)使許多設(shè)計工程師采用完全集成的傳感器解決方案，以便消除運用和實施過程中的障礙。

線性速率抑或角速率

　　慣性傳感器有多種類型。MEMS（微機電系統(tǒng)）傳感器是最完善的傳感器類型之一，已經(jīng)使眾多應(yīng)用受益。15年前，MEMS線性加速度傳感器（加速度計）徹底革新了汽車安全氣囊系統(tǒng)。自此以后，從筆記本電腦硬盤保護到游戲控制器中更為直觀的用戶運動捕捉，各種獨特的功能和應(yīng)用得以實現(xiàn)。

　　根據(jù)諧振器陀螺儀的原理，MEMS結(jié)構(gòu)也可提供角速率檢測。兩個多晶硅檢測結(jié)構(gòu)各含一個“擾動框架”，通過靜電將擾動框架驅(qū)動到諧振狀態(tài)，以產(chǎn)生必要的運動，從而在旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生科氏力。在各框架的兩個外部極限處（與擾動運動正交）是可動指，放在固定指之間，形成一個容性撿拾結(jié)構(gòu)來檢測科氏運動。當MEMS陀螺儀旋轉(zhuǎn)時，可動指的位置變化通過電容變化進行檢測，由此得到的信號送入一系列增益和解調(diào)級，產(chǎn)生電速率信號輸出。某些情況下，該信號還會經(jīng)轉(zhuǎn)換，送入一個專有數(shù)字校準電路。

　　傳感器內(nèi)核周圍的集成度和校準由最終性能要求決定，但在許多情況下，可能需要進行運動校準，以便實現(xiàn)最高的性能水平和穩(wěn)定性。

調(diào)理和處理

　　在工業(yè)市場上，諸如震動分析、平臺校正、一般運動控制之類的應(yīng)用都需要高集成度和高可靠度的解決方案，而且在許多情況下檢測元件是直接嵌入到現(xiàn)有設(shè)備中。此外，還必須提供足夠的控制、校準和編程功能，使器件真正獨立自足。一些應(yīng)用范例包括：

　　● 機器自動化：通過提高位置檢測精度，并且更加嚴格地將此信息與遠程控制或編程設(shè)置的運動相關(guān)聯(lián)，可以使自治或遠程控制的精密儀器和機械臂更加精確、有效。

　　● 工業(yè)機械的狀態(tài)監(jiān)控：通過將傳感器更深地嵌入機械內(nèi)部，并且借由傳感器性能和嵌入式處理而更早、更準確地掌握狀態(tài)變化的跡象，可以獲得更實用的價值。

　　● 移動通信和監(jiān)控：無論是陸地、航空還是海上交通工具，慣性傳感器都有助于其實現(xiàn)穩(wěn)定（天線和相機）和定向?qū)Ш剑ɡ肎PS和其他傳感器進行航位推算）。

　　工業(yè)檢測市場異常紛繁多樣，必須通過集成嵌入式可調(diào)特性，如數(shù)字濾波、采樣速率控制、狀態(tài)監(jiān)控、電源管理選項和專用輔助I/O功能等，來支持各種不同的性能、集成度和接口要求。在其他更復(fù)雜的情況下，還需要采用多個傳感器和多種類型的傳感器。即使看起來很簡單的慣性運動，例如僅限于一個或兩個軸的運動，也可能需要同時采用加速度計和陀螺儀檢測來補償重力、震動及其他不符常規(guī)的行為和影響。

　　傳感器還可能具有交叉靈敏度，很多時候需要對此進行補償，即使無須補償，至少也需要加以了解。此外，慣性傳感器的性能指標存在許多不同的標準，這使得上述問題的解決更加困難。當指定角速率傳感器要求時，多數(shù)工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師主要關(guān)心的是陀螺儀穩(wěn)定性（隨時間發(fā)生的偏置估算），消費級陀螺儀通常不會規(guī)定這一特性。如果傳感器的線性加速度性能較差，那么即使0.003°/s的良好陀螺儀偏置穩(wěn)定性也可能毫無意義。例如，假設(shè)線性加速度特性為0.1°/s/G，在旋轉(zhuǎn)±90° (1 G)的簡單情況下，這將給0.003°/s的偏置穩(wěn)定性增加0.1°的誤差。加速度計通常與陀螺儀一起使用，以便檢測重力影響，并且提供必要的信息來驅(qū)動補償過程。

　　為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時間，需要深入了解傳感器靈敏度和應(yīng)用環(huán)境。校準計劃可以針對影響最大的因素進行定制，從而減少測試時間和補償算法開銷。面向具體應(yīng)用的解決方案將適當?shù)膫鞲衅髋c必要的信號處理結(jié)合在一起，如果具備高性價比并且提供現(xiàn)成可用的標準系統(tǒng)接口，這些解決方案將能消除許多工業(yè)客戶過去所面臨的實施和生產(chǎn)障礙。

加速度、震動分析

　　在一些應(yīng)用案例中，相對簡單的傳感器輸出可能就足夠了，但在另一些應(yīng)用中（例如，通過震動分析進行狀態(tài)監(jiān)控），則需要增加相當多的處理過程才能實現(xiàn)所需的輸出。

　　圍繞慣性傳感器而構(gòu)建的一個高集成度器件示例是ADIS16227，它是一款完全自治的頻域震動監(jiān)控器。此類器件可能不提供相對簡單的g/mV輸出，而是提供特定應(yīng)用分析。在本例中，其嵌入式頻域處理、512點實值FFT和片上存儲器能夠識別各震動源并進行歸類，監(jiān)控其隨時間的變化情況，并根據(jù)可編程的閾值做出反應(yīng)。

　　能夠檢測和了解運動可能對幾乎所有設(shè)想到的領(lǐng)域都具有應(yīng)用價值。大多數(shù)情況下，人們希望掌控一個系統(tǒng)發(fā)生的運動，并利用該信息提高性能（響應(yīng)時間、精度、工作速度等），增強安全性或可靠性（系統(tǒng)在危險情況下關(guān)機），或者獲得其他增值特性。但在某些情況下，不運動才是至關(guān)重要的，因此傳感器可用來檢測不需要的運動。

　　這些特性或性能升級往往在現(xiàn)有系統(tǒng)上實施，考慮到最終系統(tǒng)的功耗和尺寸已確定，或者必須最小化，MEMS慣性傳感器的小尺寸和低功耗特性無疑極具吸引力。某些情況下，這些系統(tǒng)的設(shè)計人員不是運動動力學(xué)方面的專家，因此，在決定是否進行系統(tǒng)升級時，完全集成和校準的傳感器存在與否可能是最關(guān)鍵的因素。