Introducción a los sensores inerciales
Los recientes avances en tecnología de sensores han revolucionado el diseño de robots y otros sistemas industriales. Además de los robots, las aplicaciones en las que los sensores inerciales tienen el potencial de mejorar el rendimiento o la funcionalidad del sistema incluyen la estabilización de plataformas, el control del movimiento de maquinaria industrial, los equipos de seguridad/monitoreo y la navegación de vehículos industriales. La información de movimiento proporcionada por dichos sensores es extremadamente útil y no sólo puede mejorar el rendimiento sino también aumentar la confiabilidad, la seguridad y reducir costos.
Sin embargo, hay algunos obstáculos que deben superarse para lograr estos beneficios, entre ellos los entornos físicos hostiles en los que se ubican muchas aplicaciones industriales y los efectos de la temperatura, la vibración, las limitaciones de espacio y otros factores que deben evitarse. consideró. Para que los ingenieros puedan obtener datos consistentes de los sensores, convertirlos en información útil y luego reaccionar dentro del tiempo y el presupuesto de energía del sistema, los ingenieros deben tener conocimiento y experiencia en múltiples áreas técnicas y seguir buenas especificaciones de diseño. Comprenda el problema
La información de los sensores inerciales se procesa e integra para proporcionar muchos tipos diferentes de salidas de movimiento, posición y orientación. Cada tipo de movimiento implica un conjunto complejo de factores relacionados con la aplicación que deben entenderse. Las aplicaciones de control industrial son un buen ejemplo para las que resulta útil algún tipo de dispositivo señalador o de dirección. La detección de inclinación o ángulo suele ser el núcleo de este tipo de aplicaciones y, en los ejemplos más sencillos, basta con un sensor mecánico de burbujas. Sin embargo, antes de poder identificar los requisitos de los sensores, es necesario analizar toda la dinámica del movimiento, el entorno, el ciclo de vida y las expectativas de confiabilidad del sistema final.
Si el movimiento del sistema es relativamente estático, un simple sensor de ángulo puede ser suficiente, pero la decisión tecnológica real depende del tiempo de respuesta, los impactos y vibraciones, el tamaño y la variación del rendimiento a lo largo de la vida útil. Además, muchos sistemas implican múltiples tipos de movimiento (como rotación y aceleración) y a menudo funcionan en múltiples ejes, lo que requiere considerar la combinación de múltiples tipos de sensores.
Una vez que se conoce el tipo de sensor y la tecnología correctos, el desafío pasa a comprender y, en última instancia, compensar la respuesta del sensor al entorno (temperatura, vibración, impacto, ubicación de montaje, tiempo y otras variables). La compensación del entorno implica circuitos adicionales, pruebas, calibración y ajustes dinámicos, y cada tipo de sensor, o incluso cada sensor, es único, por lo que esto crea el riesgo adicional de una compensación excesiva o insuficiente a menos que el ingeniero conozca bien el sensor. característica. Este último aspecto lleva a muchos ingenieros de diseño a adoptar soluciones de sensores totalmente integradas para eliminar las barreras a la adopción e implementación.
Relación lineal o velocidad angular
Existen muchos tipos de sensores inerciales. Los sensores MEMS (sistemas microelectromecánicos) son uno de los tipos de sensores mejor establecidos y han beneficiado a numerosas aplicaciones. Hace quince años, los sensores de aceleración lineal (acelerómetros) MEMS revolucionaron los sistemas de bolsas de aire para automóviles. Desde entonces, se han habilitado una variedad de funciones y aplicaciones únicas, desde la protección del disco duro de las computadoras portátiles hasta la captura de movimiento del usuario más intuitiva en los controladores de juegos.
Basada en el principio del giroscopio resonador, la estructura MEMS también puede proporcionar detección de velocidad angular. Dos estructuras de detección de polisilicio contienen cada una un "marco de perturbación" que es impulsado electrostáticamente a resonancia para crear el movimiento necesario para crear la fuerza de Coriolis durante la rotación. En los dos límites exteriores de cada cuadro (ortogonales al movimiento de perturbación) hay dedos móviles, colocados entre los dedos fijos, formando una estructura de captación capacitiva para detectar el movimiento de Coriolis. A medida que el giroscopio MEMS gira, los cambios en la posición del dedo móvil se detectan a través de cambios en la capacitancia, y la señal resultante se alimenta a una serie de etapas de ganancia y demodulación para producir una salida de señal de velocidad eléctrica. En algunos casos, la señal se convierte y se introduce en un circuito de calibración digital patentado.
El nivel de integración y calibración alrededor del núcleo del sensor está determinado por los requisitos de rendimiento finales, pero en muchos casos puede ser necesaria la calibración del movimiento para lograr los niveles más altos de rendimiento y estabilidad.
Acondicionamiento y Procesamiento
En el mercado industrial, aplicaciones como análisis de vibraciones, calibración de plataformas y control de movimiento general requieren soluciones altamente integradas y altamente confiables, y en muchos casos el elemento sensor Está integrado directamente en el equipo existente. Además, se deben proporcionar suficientes capacidades de control, calibración y programación para que el dispositivo sea verdaderamente autónomo. Algunos ejemplos de aplicaciones incluyen:
● Automatización de máquinas: al mejorar la precisión de la detección de posición y correlacionar más rigurosamente esta información con el movimiento programado o controlado remotamente, los instrumentos de precisión y los brazos robóticos autónomos o controlados remotamente son más precisos y eficientes.
● Monitoreo del estado de la maquinaria industrial: al integrar sensores más profundamente en la maquinaria y aprovechar el rendimiento del sensor y el procesamiento integrado para captar señales de cambios de estado antes y con mayor precisión, se pueden obtener resultados más prácticos.
● Comunicaciones móviles y vigilancia: Los sensores inerciales ayudan a estabilizar (antenas y cámaras) y a la navegación direccional (estimación mediante GPS y otros sensores) ya sean vehículos terrestres, aéreos o marítimos.
El mercado de la inspección industrial es extremadamente diverso y debe respaldarse mediante la integración de funciones sintonizables integradas, como filtrado digital, control de frecuencia de muestreo, monitoreo de estado, opciones de administración de energía y funciones de E/S auxiliares dedicadas. Requisitos de integración e interfaz. En otros casos, más complejos, se requieren múltiples sensores y múltiples tipos de sensores. Incluso el movimiento inercial aparentemente simple, como el movimiento limitado a uno o dos ejes, puede requerir detección tanto de acelerómetro como de giroscopio para compensar la gravedad, los golpes y otros comportamientos y efectos no convencionales.
Los sensores también pueden tener sensibilidades cruzadas, que muchas veces es necesario compensar, si no compensar, al menos comprender. Además, existen muchos estándares diferentes para los indicadores de rendimiento de los sensores inerciales, lo que dificulta la solución de los problemas anteriores. Al especificar los requisitos del sensor de velocidad angular, la mayoría de los ingenieros de diseño de sistemas industriales se preocupan principalmente por la estabilidad del giroscopio (estimación de la compensación en el tiempo), una característica que normalmente no se especifica para los giroscopios de consumo. Incluso una buena estabilidad de polarización giroscópica de 0,003°/s puede carecer de sentido si el sensor tiene un rendimiento deficiente de aceleración lineal. Por ejemplo, suponiendo una característica de aceleración lineal de 0,1°/s/G, en el caso simple de una rotación de ±90° (1 G), esto añadiría un error de 0,1° a la estabilidad de polarización de 0,003°/s. Los acelerómetros se utilizan a menudo junto con giroscopios para detectar los efectos de la gravedad y proporcionar la información necesaria para impulsar el proceso de compensación.
Para optimizar el rendimiento del sensor y minimizar el tiempo de desarrollo, se requiere un conocimiento profundo de la sensibilidad del sensor y el entorno de la aplicación. Los planes de calibración se pueden personalizar para centrarse en los factores con mayor impacto, reduciendo el tiempo de prueba y compensando la sobrecarga del algoritmo. Las soluciones para aplicaciones específicas que combinan sensores apropiados con el procesamiento de señales necesario, son rentables y proporcionan interfaces de sistema estándar listas para usar, pueden eliminar las barreras de implementación y producción que muchos clientes industriales han enfrentado en el pasado.
Aceleración, análisis de vibración
En algunos casos de aplicación, una salida de sensor relativamente simple puede ser suficiente, pero en otras aplicaciones (por ejemplo, monitoreo de condición mediante análisis de vibración), entonces se necesita una cantidad adicional considerable. Se requiere procesamiento para lograr el resultado deseado.
Un ejemplo de un dispositivo altamente integrado construido alrededor de un sensor inercial es el ADIS16227, un monitor de vibración en el dominio de la frecuencia totalmente autónomo. Es posible que dichos dispositivos no proporcionen una salida g/mV relativamente simple, sino que proporcionen un análisis específico de la aplicación. En este caso, su procesamiento integrado en el dominio de la frecuencia, FFT de valor real de 512 puntos y memoria en el chip pueden identificar y clasificar fuentes de vibración individuales, monitorear sus cambios a lo largo del tiempo y reaccionar en función de umbrales programables.
Ser capaz de detectar y comprender el movimiento podría tener aplicaciones en casi todos los campos imaginables.
En la mayoría de los casos, se desea controlar los movimientos que ocurren en un sistema y utilizar esta información para mejorar el rendimiento (tiempo de respuesta, precisión, velocidad de operación, etc.), mejorar la seguridad o confiabilidad (apagado del sistema en situaciones peligrosas) u obtener otros elementos adicionales. característica de valor. Pero en algunos casos, la falta de movimiento es crítica, por lo que se pueden utilizar sensores para detectar movimientos no deseados.
Estas características o mejoras de rendimiento a menudo se implementan en sistemas existentes, considerando que el consumo de energía y el tamaño del sistema final se han determinado o deben minimizarse, las características de tamaño pequeño y bajo consumo de energía de los sensores inerciales MEMS. son sin duda extremadamente beneficiosos. En algunos casos, los diseñadores de estos sistemas no son expertos en dinámica de movimiento, por lo que la presencia o ausencia de sensores totalmente integrados y calibrados puede ser el factor más crítico a la hora de decidir si se debe realizar una actualización del sistema.