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引言 兒童和狗能夠毫不費力地辨別方向以及控制體操動(dòng)作。有些人認為這就像“小孩游戲”一樣簡(jiǎn)單，直到他們試圖使機器人模仿這種本領(lǐng)。人類(lèi)定向系統的復雜性不可思議，當我們在地面上時(shí)其表現非常出色。相反，在飛機上時(shí)，我們則處于一種不熟悉的三維環(huán)境下，再加上缺少視覺(jué)定向參考，就難以或不可能管理空間(距離)方位。5%至10%的一般航空事故與空間定向障礙有關(guān)，其中90%是致命的（參考文獻1）。 微機電系統(MEMS)慣性傳感器的設計在本質(zhì)上對運動(dòng)非常敏感，可有效檢測和處理線(xiàn)性加速、磁航向、海拔和角速率信息。為充分利用慣性傳感器的性能潛力，設計者必須熟悉總體機械系統，密切關(guān)注應用中的運動(dòng)源和諧振。 本文介紹了MEMS慣性傳感器（例如陀螺儀和加速計）如何幫助人或機器克服空間定向障礙。文章介紹了外力和運動(dòng)對系統工作的影響，以及元件布局和安裝條件(空間關(guān)系)對MEMS慣性傳感器性能的直接影響。系統配置各有不同(例如電路板尺寸、材質(zhì)、安裝方法)，設計者需要根據具體應用設計特定的方案。文章還介紹了如何檢測并減少錯誤的慣性信號。對于實(shí)際環(huán)境中出現有害的移動(dòng)信號和系統共振的情況，文章給出增強傳感器系統工作的實(shí)用建議。 人類(lèi)的平衡 本文首先從討論平衡開(kāi)始，以人類(lèi)耳朵為例。圖1中的耳蝸是聽(tīng)覺(jué)器官。耳膜通過(guò)我們身體中一些最小的骨骼振動(dòng)耳蝸。耳蝸長(cháng)有毫毛或纖毛，并且充滿(mǎn)液體。當耳蝸移動(dòng)時(shí)，液體由于慣性的原因并不移動(dòng)。纖毛感測這種運動(dòng)差異，并將神經(jīng)脈沖傳輸至我們的腦部，表現為聲音。 圖1. 人體平衡和聽(tīng)力是內耳中復雜平衡器官的一部分。 人耳也包含用于平衡的運動(dòng)檢測系統。三個(gè)半規管的作用類(lèi)似于相互垂直的陀螺儀，感測并將脈沖信號送至腦部，表示人的平衡狀態(tài)。不幸的是，我們感測運動(dòng)的方式存在局限性。 如果運動(dòng)小于2度每秒時(shí)，我們將感測不到；如果穩定運動(dòng)的時(shí)間超過(guò)20至25秒，我們則會(huì )停止感測運動(dòng)。這種人類(lèi)局限性會(huì )引起錯亂。在內耳中存在其他兩個(gè)感覺(jué)器官：橢圓囊感測線(xiàn)性加速度，球囊感測重力。耳朵中的全部5個(gè)感覺(jué)器官向腦部傳送身體方位和運動(dòng)信息，幫助我們平衡。這和眼睛一起，幫助我們維持平衡，并且在頭部運動(dòng)或身體旋轉時(shí)使我們的眼睛盯住目標。 飛機中的飛行員與空間定向 飛行員都知道不要靠直覺(jué)(即不依賴(lài)于內部感觀(guān))飛行，而是要依賴(lài)于飛行儀表。這非常難以掌握，尤其在緊急和恐慌的情況下。 根據美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的信息，飛行員受一種稱(chēng)為“墓地盤(pán)旋”的常見(jiàn)錯覺(jué)影響。這與有意識或無(wú)意識長(cháng)時(shí)間傾斜轉彎后恢復水平飛行有關(guān)。例如，當飛行員開(kāi)始傾斜向左轉彎時(shí)，最初會(huì )感覺(jué)到在相同方向的轉彎；如果繼續向左轉彎(約20秒或更長(cháng))，飛行員就會(huì )覺(jué)得飛機不再向左轉彎。此時(shí)，如果飛行員試圖將機翼調整水平，這一動(dòng)作將會(huì )使其感覺(jué)到飛機正在向相反的方向(向右)轉彎和傾斜。如果飛行員相信向右轉彎的錯覺(jué)(會(huì )非常強烈)，他將試圖糾正右轉的感覺(jué)，從而重新進(jìn)入最初的左轉。不幸的是，發(fā)生這一切時(shí)，飛機仍在左轉，并正在下降。正在轉彎時(shí)拉起控制桿并增加動(dòng)力不是一個(gè)好主意——只能使飛機更向左轉。如果飛行員沒(méi)有認識到錯覺(jué)，未能使機翼水平，飛機將繼續左轉并降低高度，直到撞擊地面（參考文獻2）。 問(wèn)題是MEMS陀螺儀和加速計能夠幫助飛行員克服空間定向障礙嗎？ MEMS慣性傳感器是解決之道 人體會(huì )受到欺騙，并且在有些情況下必須依賴(lài)于外部幫助才能實(shí)現良好平衡。由于人體容易受空間定向障礙的影響，MEMS慣性傳感器提供了一套解決方案�？衫冒惭b正確的慣性傳感器建立慣性坐標系參考，幫助用于判斷方向和/或運動(dòng)。利用這些器件可避免錯誤感觀(guān)隱患。 為確保慣性傳感器工作的可靠性，必須將其正確安裝和定向。對于裝配慣性傳感器，有一套良好的設計實(shí)踐，只要應用得當，可形成高性能系統。 裝配MEMS慣性傳感器的實(shí)用方法 從一開(kāi)始就理解基本原理至關(guān)重要：發(fā)生振動(dòng)時(shí)，慣性傳感器在PCB上的位置可能是首先要考慮的事項。因此，慣性傳感器如何安裝、安裝條件，以及其放置位置/方向，均會(huì )影響總體機械系統特性。簡(jiǎn)而言之，如果設計考慮不周，發(fā)生運動(dòng)時(shí)慣性信號性能將下降。 注意：也強烈建議分析總機械系統及其對慣性傳感器性能的影響。 布置事項 首先從方向開(kāi)始。相對于一定的基準(常以選定的PCB側面為參考)放置慣性傳感器，并在貼裝回流焊接過(guò)程中保證定位不變是一項極具挑戰性的工作。此外，每級裝配(傳感器到封裝、封裝到PCB、PCB到外殼等)都會(huì )增加安裝誤差。由于傳感器裝配方位(相對于慣性坐標系)決定系統精度，所以此時(shí)必須將所有誤差降至最小。圖2所示為方位不正確引起的誤差。軟件可校準裝配誤差，但如果不限制誤差源，高階誤差會(huì )降低傳感器性能。 圖2. 慣性傳感器裝配誤差示意。圖片來(lái)源：Juansempere，en.wikipedia 熱機械應力是一種潛在誤差源，可在慣性傳感器上形成熱梯度，引起封裝應力；以及在PCB上形成熱梯度，將應力傳遞至慣性傳感器。這兩種熱效應有時(shí)難以區分，有些情況下則兩者均有。結果造成封裝應力，可引起偏差(及偏移)和靈敏度性能誤差。發(fā)熱量較大的器件應遠離慣性傳感器，但在實(shí)際的緊湊的PCB設計中，有時(shí)難以滿(mǎn)足這一要求。無(wú)論如何，必須盡一切努力使慣性傳感器遠離熱源，將溫度梯度降至最小。 裝配事項 貼裝元件時(shí)要求了解和應用適合特定回流焊的最佳溫度。由于這些操作通常側重于焊接強度、可靠性和產(chǎn)量(即成本)，有時(shí)會(huì )忽略慣性傳感器需要特殊考慮的事項。例如，非最優(yōu)化的冷卻階段會(huì )對慣性傳感器封裝形成殘余應力，從而導致性能下降，造成超出指標的偏差和縮放因子。 PCB的保形涂層常用于防止電路受潮、化學(xué)污染(例如鹽)以及其他破壞性影響。不建議慣性傳感器器件采用保形涂層。涂層會(huì )改變傳感器的機械條件，影響總機械系統特征。而且難以控制保形涂層的應用(即黏度、干燥厚度)。 機械系統事項 外部運動(dòng)源(例如慣性信號、沖擊、振動(dòng))會(huì )意外激勵PCB產(chǎn)生諧振，在最壞的工作條件下，可能發(fā)生慣性信號實(shí)際是系統諧振引起的假象的情況。這些錯誤的信號作為噪聲，掩蓋慣性信號(例如移動(dòng)和/或振動(dòng))。當發(fā)生諧振條件時(shí)，慣性傳感器相對于PCB上波谷、波節、波峰的位置會(huì )造成信號檢測性能下降。 圖3所示為慣性傳感器在PCB上的兩種布置方法，標出了主要的諧振模式。左下方位置的傳感器位于節區(藍綠色)。相對于PCB右上方的傳感器，該位置的諧振相關(guān)角速率減小。第二個(gè)慣性傳感器位于節區與波谷(以深藍色表示)斜面之間的邊緣處。該傳感器處于不平衡位置，在諧振條件下更容易發(fā)生加速度和角速率信號畸變。 圖3. PCB諧振及慣性傳感器布置模擬。下方節區內傳感器位置的諧振相關(guān)角速率信號被衰減。上方的第二個(gè)傳感器處于不平衡位置，更容易發(fā)生加速度和角速率信號畸變。感謝FEKO提供PCB圖像，版權歸其所有。 盡管有很多技術(shù)可用于減輕PCB諧振(例如電路板強化、系統阻尼、振動(dòng)隔離)，但仍需對總機械系統進(jìn)行全面分析。應執行有限元分析(FEA)，以識別所有潛在諧振模式及其相關(guān)的頻率和品質(zhì)因數。然后即可實(shí)施好的設計技巧，增強性能。 結論 本文回顧了運動(dòng)，理解了MEMS慣性傳感器對于幫助克服空間定向障礙的重要性。本文也討論了不好或不理想的布置、安裝條件及系統諧振對MEMS慣性傳感器性能的不利影響。遵循正確的設計考慮事項，完全可“繞開(kāi)”這些“困難重重”的事件，實(shí)現MEMS慣性傳感器應有的性能。 參考文獻 1.Antunano, Melchor J., "FAA:Medical Facts for Pilots," Federal Aviation Administration.Retrieved 8 Dec 2011,http://www.faa.gov/pilots/safety/pilotsafetybrochures/media/SpatialD.pdf#page=1&zoom=auto,-7,0 2.Ibid, page 5. |
