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- 加速度傳感器在AHRS中的應(yīng)用
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/5/18
特點(diǎn)
多量程系列產(chǎn)品，從 ±1g 到 ±200g
優(yōu)異的零偏置穩(wěn)定性 (小于滿量程的0.05%)
低溫度系數(shù)而不需溫度校準(zhǔn)
超小型20引腳 LCC，密封性陶瓷封裝 (8.9mm x 8.9mm)
低電壓供電
欠壓保護(hù)
符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)鉛焊接
MS9010， AHRS應(yīng)用的理想產(chǎn)品
簡(jiǎn)介
慣性導(dǎo)航是通過(guò)自帶的加速度傳感器和陀螺儀來(lái)計(jì)算物體（例如飛機(jī)）自身位置和速度的過(guò)程。姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)，即稱為AHRS，是一種可以為飛機(jī)或其它在空間中自由移動(dòng)的物體提供方向，姿態(tài)和偏航信息的多軸傳感器。
AHRS是設(shè)計(jì)來(lái)取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺飛行儀表，并能提供卓越的可靠性和準(zhǔn)確性。它由三個(gè)軸向上的固態(tài)或MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）陀螺儀，加速度傳感器和磁強(qiáng)計(jì)組成。一些AHRS使用GPS接收機(jī)，以改善陀螺儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。人們通常使用卡爾曼濾波器來(lái)計(jì)算這些多個(gè)來(lái)源的結(jié)果。
圖 1: AHRS
各組成部分的功能
捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要一個(gè)初始化過(guò)程來(lái)建立飛機(jī)機(jī)身框架與當(dāng)?shù)氐乩韰⒄障到y(tǒng)之間的關(guān)系。這個(gè)被稱為對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程通常需要設(shè)備保持穩(wěn)定一段時(shí)間，以建立該初始狀態(tài)。初始化時(shí)，慣性參考系統(tǒng)通過(guò)自校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)使地面坐標(biāo)系的縱軸與檢測(cè)到的加速度一致（調(diào)平），并且測(cè)量水平地球速率從而初步判斷方位角（陀螺儀）。如果已知該飛行器的初始姿態(tài)，并且如果陀螺儀能提供精確的數(shù)據(jù)，那么姿態(tài)處理器就足夠了。然而，初始姿態(tài)很少能夠知道，而陀螺儀也會(huì)由于零點(diǎn)漂移、開(kāi)機(jī)穩(wěn)定性等問(wèn)題而提供錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
陀螺儀和加速度傳感器都會(huì)受到零偏和零點(diǎn)漂移、對(duì)準(zhǔn)偏差、加速度誤差（加速度敏感性），非線性效應(yīng)（二階項(xiàng)或VRE）、標(biāo)度因數(shù)誤差的影響。磁力計(jì)也容易受到磁干擾，而影響對(duì)地球磁場(chǎng)的的測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)被安裝在其最終放置姿態(tài)時(shí)，這些誤差都將被校正。
AHRS最大的誤差與陀螺儀零點(diǎn)漂移方面有關(guān)。如果沒(méi)有濾波結(jié)構(gòu)來(lái)獨(dú)立地分開(kāi)加速度傳感器、陀螺儀和磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量，姿態(tài)處理器可能會(huì)偏離真實(shí)的軌跡。
卡爾曼（Kalman）濾波姿態(tài)校正元件，通過(guò)校正姿勢(shì)處理器軌跡和提供陀螺漂移狀態(tài)特征,為陀螺儀提供即時(shí)校準(zhǔn)。加速度傳感器可利用地球重力來(lái)提供姿態(tài)參考，而磁力計(jì)則利用地球的磁場(chǎng)矢量提供航向參考。
一般情況下，在AHRS應(yīng)用程序中, 加速度傳感器的作用是提供初始姿態(tài)基準(zhǔn)（調(diào)平），并在飛行過(guò)程中，通過(guò)糾正陀螺儀的漂移，提供飛行姿態(tài)的校正。
當(dāng)今市場(chǎng)上各類AHRS解決方案
高精度系統(tǒng)利用環(huán)形激光陀螺（RLG）和光纖陀螺（FOG）。由于是在自動(dòng)飛行模式下使用，它們需要非常的準(zhǔn)確，以防止大型飛機(jī)機(jī)翼在起飛和著陸時(shí)碰撞到地面，特別是在大霧和極端天氣條件下。這種類型的應(yīng)用對(duì)加速度計(jì)有著更高的要求，其所有的零偏穩(wěn)定性,包括溫度范圍、線性、二階效應(yīng)和軸偏等，都必須優(yōu)于 2mg。
低端的AHRS可以用作飛行員視線的輔助工具，或作為備份系統(tǒng)，通常不需要太高的性能。這種類型的AHRS經(jīng)常使用在小型民用飛機(jī)和一些無(wú)人機(jī)中。在這些情況下，常常使用低端的MEMS加速度傳感器和MEMS陀螺儀。
加速度傳感器的量程取決于所面向的應(yīng)用。對(duì)于高中端航姿系統(tǒng)AHRS通常所需的性能為10g到15g，至于低端解決方案常使用5g的傳感器。
航姿系統(tǒng)舉例（SAGEM防務(wù)安全系統(tǒng)提供資料）
COLIBRYS 加速度傳感器用于航姿系統(tǒng)
對(duì)于最佳航姿系統(tǒng)AHRS性能至關(guān)重要的主要參數(shù)是零偏穩(wěn)定性(1)、標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性、軸偏、穩(wěn)定性和二階非線性效應(yīng)或振動(dòng)整流誤差（VRE）。這些參數(shù)的初始偏差，大多數(shù)可通過(guò)他們的預(yù)期值很容易地校準(zhǔn)。然而，隨著時(shí)間的推移、溫度、沖擊和振動(dòng)的影響，它們的重復(fù)性和穩(wěn)定性成為主要的問(wèn)題 。這些影響可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知的漂移，這將反過(guò)來(lái)決定加速度傳感器的級(jí)別。
(1) 根據(jù)IEEE528-2001標(biāo)準(zhǔn)一年穩(wěn)定的定義為：切換上/開(kāi)關(guān)，放置于-55°C和85°C時(shí)，-40°C至125°C的T循環(huán)， -55°C至85°C的無(wú)動(dòng)力干擾、振動(dòng)和沖擊。
MS9005 Colibrys加速度傳感器
MS8010 Colibrys加速度傳感器
Colibrys是致力于軍用、航空航天市場(chǎng)的MEMS加速度傳感器供應(yīng)商之一，并規(guī)定大量參數(shù)。MS9000.D系列是目前最新一代產(chǎn)品，是對(duì)Colibrys加速度傳感器旗艦產(chǎn)品MS8000的進(jìn)一步改進(jìn)。
MS9000提供一個(gè)更小的LCC20封裝，具有與MS8000基本性能的相同，但外形尺寸更小。MS9010.D 擁有4.5mg (1σ) 的長(zhǎng)期偏置穩(wěn)定性和優(yōu)于400ppm的標(biāo)度因數(shù)。在AHRS應(yīng)用方面，此產(chǎn)品可根據(jù)需求選擇的加速度量程有2g，5g，10g和15g。
產(chǎn)品規(guī)格
Colibrys MS產(chǎn)品是電容式MEMS加速度傳感器，它基于一個(gè)專供高穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)的體硅微機(jī)械元件，一個(gè)低功耗信號(hào)處理器ASIC，一個(gè)存儲(chǔ)補(bǔ)償值的微控制器，和一個(gè)溫度傳感器組成（如圖1所示）。該產(chǎn)品是低功耗，全標(biāo)定，堅(jiān)固和穩(wěn)定的。
它采用單電源電壓（在2.5V~5.5V之間），與低電流消耗 （在 5V電壓時(shí)，小于0.5mA）。在輸入5V電壓條件下，其輸出是一個(gè)成比例的模擬電壓，在全量程范圍內(nèi)，輸出值在0.5V~4.5V之間變化。該傳感器是一個(gè)獨(dú)立的，采用20引腳LCC陶瓷封裝，以確保產(chǎn)品的全密封性。產(chǎn)品在 -55°C~125°C溫度范圍內(nèi)工作，并能承受高達(dá)6000g的沖擊。其零偏長(zhǎng)期穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)通常小于全測(cè)量范圍的0.1 %。
工作原理
加速度傳感器的核心器件是電容式體硅微機(jī)械傳感器。COLIBRYS制造加速度傳感器的關(guān)鍵技術(shù)在于三層硅晶片結(jié)構(gòu)。
中間層硅晶片形成一個(gè)由彈簧支撐的質(zhì)量塊
這個(gè)慣性質(zhì)量塊同時(shí)也是電容式傳感器的中心電極
上下兩層硅晶片組成傳感器的外部固定電極
三層硅晶片通過(guò)“硅片高溫融接鍵合” (SFB: Silicon Fusion Bonding) 粘合在一起。該粘合工藝不僅保證了系統(tǒng)的各硅晶片之間完美平衡，同時(shí)還能構(gòu)建“彈性懸臂-質(zhì)量塊系統(tǒng)”的密閉腔體（見(jiàn)圖3）。粘合工藝是在高溫(>1000°C) 和低氣壓條件下進(jìn)行的，以保證最佳空氣阻尼和帶寬控制。這也使得可以避免任何表面污染，特別是像水分子污染，并且放松材料粘合之前的所有表面應(yīng)力。
這種“彈性懸臂—質(zhì)量塊”系統(tǒng)的測(cè)量范圍是可調(diào)的。通過(guò)改變彈性懸臂的厚度可以改變開(kāi)環(huán)測(cè)量范圍。在加速或傾斜的情況下，慣性作用使質(zhì)量塊在上下電極板之間移動(dòng)而改變電容值。這個(gè)感應(yīng)電容的差值變化可通過(guò)接口電路來(lái)測(cè)量。測(cè)量電路采用了一個(gè)自平衡電容橋?qū)⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換成使用了補(bǔ)償參數(shù)校準(zhǔn)的輸出電壓，而補(bǔ)償參數(shù)（零位修正，增益，和非線性等）則存儲(chǔ)在微處理器中。
總結(jié)
Colibrys為AHRS提供最好的MEMS電容式加速度傳感器。Colibrys將不斷地致力于研發(fā)新產(chǎn)品和新的解決方案。由于制造技術(shù)的發(fā)展, MEMS傳感器元件以及裝配工藝, 相關(guān)電子產(chǎn)品也得到不斷地改進(jìn)，特別是優(yōu)化的零偏穩(wěn)定性(“運(yùn)行中”和“運(yùn)行到運(yùn)行”的穩(wěn)定性)在眾多的AHRS 供應(yīng)商中的需求也不斷提高。
關(guān)鍵詞
AHRS: 姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)
Stability: 10g傳感器小到幾mg的年零偏穩(wěn)定性
VRE: 影響總零偏穩(wěn)定性的振動(dòng)整流誤差
T range: 寬廣的工作溫度范圍 ：從-55°C 到125°C
Low power: 在5V電壓時(shí)，電流功耗400μA
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