惯性传感器的分类及应用

惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动的传感器。惯性传感器是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。最近的传感器技术发展使得机器人和其他工业系统设计实现了革命性的进步。除了机器人以外，惯性传感器有可能改善其系统性能或功能的应用还包括：平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备和工业车辆导航等，以下对惯性传感器的相关内容进行了着重介绍和阐述，以便增进对惯性传感器的了解。

一、惯性传感器基本知识  

(一) 惯性传感器的应用  

低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、GPS导航、游戏机、数码相机、音乐播放器、无线鼠标、PD、硬盘保护器、智能玩具、计步器、防盗系统。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待挖掘的消费电子应用会不断出现。  

中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品，则主要用于汽车电子稳定系统(ESP或ESC)GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。  

高精度的MEMS惯性传感器作为军用级和宇航级产品，主要要求高精度、全温区、抗冲击等指数。主要用于通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用;飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GP战场机器人等。  

(二) 惯性传感器的分类  

惯性传感器分为两大类：一类是角速率陀螺;另一类是线加速度计。  

角速率陀螺又分为：机械式干式﹑液浮﹑半液浮﹑气浮角速率陀螺;挠性角速率陀螺;MEMS硅﹑石英角速率陀螺(含半球谐振角速率陀螺等);光纤角速率陀螺;激光角速率陀螺等。  

线加速度计又分为：机械式线加速度计;挠性线加速度计;MEMS硅﹑石英线加速度计(含压阻﹑压电线加速度计);石英挠性线加速度计等。  

(三) 惯性传感器的构成  

惯性传感器包括加速度计(或加速度传感计)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元)，AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。  

MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量的传感器，通常由标准质量块(传感元件)和检测电路组成。  

IMU主要由三个MEMS加速度传感器及三个陀螺和解算电路组成。  

二、惯性传感器误差源  

大多数惯性传感器都有几个误差源。有些很容易处理，有些则不那么容易。以下是一些：  

1.空偏置误差(或加速度计时的零g偏置误差)  

空偏置误差只是惯性传感器偏离零时的误差正在经历无刺激 - 加速度计为零g或陀螺仪无旋转。通常，所有传感器都表现出至少两种形式的零偏差误差：初始零偏差误差和由于温度引起的零偏差误差。初始偏置误差很容易纠正 - 只需在没有刺激的情况下测量传感器的输出，并从理想情况下减去它。存储该值并将其添加到所有后续测量中。由于温度导致的零偏置误差更难以处理，因为校正系数通常随传感器而变化，并且每个单元必须单独进行温度补偿。数据表应提供空偏差误差的规范。  

2.比例因子误差  

比例因子误差是传感器灵敏度与理想值的偏差。可能存在初始温度和过温温度组分。正如零偏差误差一样，两者都可以通过校准来校正。比例因子校准更加困难，因为它要求用户将已知的刺激应用于传感器。 ADI公司的惯性传感器通常具有很小的初始比例因子误差，甚至由于温度引起的比例因子误差更小。  

3.噪音  

所有惯性传感器都有噪音。通常，噪声与带宽成比例，因此用户必须根据它们将使用的带宽来计算噪声的重要性。所有ADI公司惯性传感器的噪声本质上都是高斯噪声(噪声能量在所有频率都相同)，因此它非常简单。使用单极输出滤波器时，传感器的RMS噪声为：RMS NOISE =噪声密度*√(带宽*π/ 2)。噪声密度应在传感器的数据表中指定。还有一些其他误差源不太重要，如非线性，比率等。这超出了本FAQ的范围。

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