加速度計和陀螺儀：了解運動指標(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)的運動配置文件，需要在多個軸上進(jìn)行運動傳感
“傳感器”市場預(yù)計將成為未來幾年工業(yè)自動化市場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，因為聯(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？
實際上有數(shù)百個可以測量的量，包括速度、尺寸、形狀、顏色、噪聲、溫度、重量、電壓、電流、運動，而且這個列表還在不斷地增加。對于每個數(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)計注重可靠性、耐用性和簡單性，僅測量單個數(shù)量。當(dāng)您購買傳感器時，供應(yīng)商會在其自己的產(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。它們是加速度計和陀螺儀。
什么是加速度計？
加速度計測量特定方向上的速度變化。如果您加速、減速或轉(zhuǎn)彎，您就改變了某個方向的速度。
加速度計如何工作？
測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，存在一些電容，因為導(dǎo)體被絕緣間隙隔開。
當(dāng)運動發(fā)生變化時，牙齒會靠近或分開，從而改變電容。一旦運動再次穩(wěn)定（不一定停止，而是恒定值），電容就會恢復(fù)到原始水平。
通過測量該電容，傳感器可以非常準(zhǔn)確地檢測速度的任何變化。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，即 3 軸加速度計。
對于水平放置的應(yīng)用程序來說，Z 軸有點棘手。重力將以恒定加速度 (9.8 m/s 2 )下拉，因此模塊設(shè)計者必須能夠補償該值，以區(qū)分重力和實際運動變化。
加速度計有什么用？
當(dāng)復(fù)雜運動是決定性因素時，使用這些 3 軸加速度計。狀態(tài)監(jiān)測模塊是加速度計增長最快的工業(yè)用途之一。電機和軸承上的振動傳感器將受益于對運動變化的分析。無人機和移動機器人，特別是那些可能會經(jīng)歷行駛傾斜度變化的無人機和移動機器人，也將受益于這些微型、高效的傳感器。
什么是陀螺儀？
與加速度計類似，陀螺儀可以感知方向運動的變化，但其方式依賴于角動量的變化。這意味著，雖然加速度計非常擅長測量沿三個線性軸的加速度，但陀螺儀卻擅長測量旋轉(zhuǎn)或傾斜角度。
圖 3.適用于惡劣工業(yè)用途的陀螺儀（與加速度計組合）模塊。圖片由Analog Devices提供
陀螺儀如何工作？
有兩個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。當(dāng)物體外部旋轉(zhuǎn)時，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遭受太多機械磨損，無法在微型工業(yè)傳感器中使用。
最現(xiàn)代的方法使用石英晶體，當(dāng)受到小電壓時，石英晶體會以非常一致的速率振動（振蕩）。任何角位移都會導(dǎo)致振動頻率發(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？
這些傳感器實際上與加速度計一起使用，形成具有 6 個不同自由度的組合測量系統(tǒng)（三個用于線性運動，三個用于角運動）。無人機、人形機器人和其他移動平臺都利用這些組合傳感器。
陀螺儀還可以放置在高速機械中，以測量柔性組件偏轉(zhuǎn)角的任何變化，從而允許 PID 回路補償不可預(yù)見的運動，并幫助機器更準(zhǔn)確地降落在目標(biāo)上。值得注意的是，愛普生機器人公司的 SCARA 設(shè)計配備了 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。