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      MEMS 陀螺儀在惡劣高溫環(huán)境下提供準(zhǔn)確的慣性檢測(cè)

      2021-05-08 05:59:00JeffWatson
      傳感器世界 2021年3期
      關(guān)鍵詞:科氏鉆柱陀螺儀

      Jeff Watson

      ADI 公司

      0 前言

      越來(lái)越多的應(yīng)用需要從處于高溫環(huán)境中的傳感器收集數(shù)據(jù)。近年來(lái),半導(dǎo)體、無(wú)源器件和互連領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展,使得高精度數(shù)據(jù)采集和處理成為可能。但是,人們需要能夠在175 ℃高溫條件下運(yùn)行的傳感器,尤其是采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)提供的易于使用的傳感器,這一需求尚未得到滿足。相比同等的分立式傳感器,MEMS 通常更小巧,功耗和成本都更低。此外,它們還可以在同樣大小的半導(dǎo)體封裝內(nèi)集成信號(hào)調(diào)理電路。

      目前已發(fā)布高溫MEMS 加速度計(jì)ADXL206,它可以提供高精度傾斜(傾角)測(cè)量。但是,還需要更加靈活和自由,以準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)在嚴(yán)苛環(huán)境應(yīng)用下的移動(dòng),在這些環(huán)境下,最終產(chǎn)品可能遭受沖擊、振動(dòng)和劇烈移動(dòng)。這種類型的濫用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)度磨損和提前出現(xiàn)故障,由此產(chǎn)生高額的維護(hù)或停機(jī)成本。

      為了滿足這一需求,ADI 公司新開發(fā)了一款集成信號(hào)調(diào)理功能的高溫MEMS 陀螺儀,即ADXRS645。此傳感器即使在沖擊和振動(dòng)環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的角速率(轉(zhuǎn)速)測(cè)量,且額定工作溫度高達(dá)175 ℃。

      1 工作原理

      MEMS 陀螺儀利用科氏加速度來(lái)測(cè)量角速率。關(guān)于科氏效應(yīng)的解釋,從圖1 開始。設(shè)想自己站在一個(gè)靠近中心位置的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上,人相對(duì)于地面的速度以藍(lán)色箭頭的長(zhǎng)度來(lái)顯示,如果人移動(dòng)到靠近平臺(tái)外緣的位置,人相對(duì)于地面的速度會(huì)加快,具體由更長(zhǎng)的藍(lán)色箭頭表示。由徑向速度引起的切向速度的增長(zhǎng)率就是科氏加速度。

      如果Ω 表示角速率,r表示半徑,切向速度即為Ωr。所以,如果在速度為v時(shí),r改變,則會(huì)產(chǎn)生切向加速度Ωv,其值是科氏加速度的一半,另一半來(lái)自徑向速度方向的改變,總共為2Ωv。如果人施加質(zhì)量體(M),那么平臺(tái)必須施加力2MΩv來(lái)產(chǎn)生這種加速度,那么質(zhì)量體也會(huì)經(jīng)受對(duì)應(yīng)的反作用力。ADXRS645 通過(guò)使用與人在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上向中心和向外緣移動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的諧振質(zhì)量體來(lái)利用這種效應(yīng)。質(zhì)量體是采用多晶硅,通過(guò)微機(jī)械加工而成,并粘接在多晶硅框架上,所以它只能沿一個(gè)方向諧振。

      圖2 顯示,當(dāng)諧振質(zhì)量體向旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的外緣移動(dòng)時(shí),它向右加速,并向左對(duì)框架施加一個(gè)反作用力。當(dāng)它向旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí),向右施加一個(gè)力,如綠色箭頭所示。

      為了測(cè)量科氏加速度,使用與諧振運(yùn)動(dòng)方向呈90°的彈簧,將包含諧振質(zhì)量體的框架連接到襯底上,具體如圖3 所示。此圖還顯示了科氏檢測(cè)指針,它通過(guò)電容轉(zhuǎn)導(dǎo),在受到施加給質(zhì)量體的力影響時(shí)檢測(cè)框架的位移。

      圖4 顯示完整的結(jié)構(gòu),從中可以看出,當(dāng)諧振質(zhì)量體移動(dòng),陀螺儀所在的安裝平面旋轉(zhuǎn)時(shí),質(zhì)量體和其框架會(huì)受到科氏加速度影響,并因?yàn)檎駝?dòng)旋轉(zhuǎn)90°。隨著轉(zhuǎn)速加快,質(zhì)量體的位置和從對(duì)應(yīng)的電容獲取的信號(hào)發(fā)生改變。需要注意的是,陀螺儀可以按任意角度放置在旋轉(zhuǎn)物體的任意位置,只要它的檢測(cè)軸與旋轉(zhuǎn)軸平行即可。

      3 電容檢測(cè)

      ADXRS645 通過(guò)附加在諧振器上的電容傳感元件來(lái)測(cè)量諧振質(zhì)量體和框架因科氏效應(yīng)產(chǎn)生的位移,具體如圖4 所示。這些元件都是硅棒,與襯底上連接的兩組固定硅棒交錯(cuò),形成兩個(gè)名義上相等的電容。角速率引起的位移會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生差分電容。

      在實(shí)際應(yīng)用中,科氏加速度是一個(gè)極小的信號(hào),會(huì)導(dǎo)致幾分之一埃的射束偏轉(zhuǎn),以及仄法級(jí)別的電容變化(1 zF=10-21F)。因此,最大限度降低對(duì)寄生源(例如溫度、封裝應(yīng)力、外部加速度和電噪聲)的相互干擾是極為重要的。這種作用一部分是通過(guò)將電子器件(包括放大器和濾波器)和機(jī)械傳感器放置在同一裸片上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是,更重要的是在信號(hào)鏈中距離盡可能遠(yuǎn)的位置實(shí)施差分測(cè)量,并將信號(hào)與諧振器速度關(guān)聯(lián)起來(lái),尤其是在處理外部加速度產(chǎn)生的影響時(shí)。

      4 振動(dòng)抑制

      理想情況下,陀螺儀只對(duì)轉(zhuǎn)速敏感,對(duì)其他東西不敏感。在實(shí)際應(yīng)用中,由于陀螺儀的機(jī)械設(shè)計(jì)不對(duì)稱,且/或微加工精度不夠,所有陀螺儀都對(duì)加速度有一定的敏感性。事實(shí)上,加速度靈敏度有多種表現(xiàn)形式,其嚴(yán)重程度因設(shè)計(jì)而異。最為嚴(yán)重的通常要屬對(duì)線性加速度的靈敏度(或g 靈敏度)和振動(dòng)整流的靈敏度(或g2靈敏度),嚴(yán)重到足以完全抵消該器件的額定偏置穩(wěn)定性。當(dāng)速率輸入量超過(guò)額定測(cè)量范圍時(shí),有些陀螺儀軌與軌之間的輸出會(huì)存在差異,其他陀螺儀在受到低至幾百g 的沖擊時(shí),會(huì)傾向于鎖死。這些陀螺儀不會(huì)受到?jīng)_擊損壞,但是也無(wú)法再對(duì)速率做出響應(yīng),需要進(jìn)行重啟。

      ADXRS645 采用了一種新穎的角速率檢測(cè)方法,使其能夠抑制高達(dá)1,000 g 的沖擊。它使用4 個(gè)諧振器對(duì)信號(hào)實(shí)施差分檢測(cè),并抑制與角移動(dòng)無(wú)關(guān)的共模外部加速度。圖5 頂部和底部的諧振器彼此獨(dú)立,并且是反相操作的,所以,它們測(cè)量的旋轉(zhuǎn)幅度相同,但輸出方向相反。因此,利用傳感器信號(hào)之間的差值來(lái)測(cè)量角速率,可以消除對(duì)兩個(gè)傳感器造成影響的非旋轉(zhuǎn)信號(hào)。信號(hào)在前置放大器前面的內(nèi)部硬連線中組合。因此,會(huì)在很大程度上防止極端加速過(guò)載到達(dá)電子器件,從而使得信號(hào)調(diào)理能在受到大型沖擊時(shí)保持角速率輸出。

      5 傳感器安裝

      圖6 所示為陀螺儀、相關(guān)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電路的簡(jiǎn)化原理圖。

      諧振器電路檢測(cè)諧振質(zhì)量體的速度,進(jìn)行放大,并驅(qū)動(dòng)諧振器,同時(shí)相對(duì)于科氏信號(hào)路徑保持一個(gè)控制良好的相位(或延遲)??剖想娐繁挥糜跈z測(cè)加速度計(jì)框架的移動(dòng),利用下游信號(hào)處理來(lái)提取科氏加速度的幅度,并生成與輸入轉(zhuǎn)速一致的輸出信號(hào)。此外,自檢功能會(huì)檢查整個(gè)信號(hào)鏈(包括傳感器)的完整性。

      6 應(yīng)用示例

      對(duì)于電子設(shè)備來(lái)說(shuō),最嚴(yán)苛的使用環(huán)境莫過(guò)于石油和天然氣的井下鉆井行業(yè)。這些系統(tǒng)利用大量傳感器來(lái)更好地了解鉆柱在地表下的運(yùn)行狀況,以優(yōu)化操作并防止造成損壞。鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速以RPM為單位測(cè)量,是鉆機(jī)操作員時(shí)刻需要掌握的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。以前,這個(gè)指標(biāo)由磁力計(jì)計(jì)算得出,但是,磁力計(jì)容易受到鉆機(jī)套管和周圍井眼中的鐵質(zhì)材料影響,它們還必須采用特殊的無(wú)磁性鉆環(huán)(外殼)。

      除了簡(jiǎn)單的RPM 測(cè)量之外,人們?cè)絹?lái)越熱衷于了解鉆柱的移動(dòng)(或鉆柱動(dòng)態(tài)),以更好地管理施加的力的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向等參數(shù)。鉆柱動(dòng)態(tài)如果管理不善,可能導(dǎo)致鉆柱高度振動(dòng)和出現(xiàn)極不穩(wěn)定的移動(dòng),這會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域的鉆井時(shí)間延長(zhǎng)、設(shè)備過(guò)早故障、鉆頭轉(zhuǎn)向困難,且會(huì)對(duì)鉆井本身造成損壞。在極端情況下,設(shè)備可能斷裂并殘留在鉆井中,之后需要支付極高的成本才能取回。

      因鉆柱參數(shù)管理不善會(huì)導(dǎo)致一種特別有害的移動(dòng),即粘滑。粘滑是指鉆頭卡住,但鉆柱頂部繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。鉆頭被卡住后,鉆柱底部持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)收緊,直到達(dá)到足夠扭矩,造成斷裂和松脫,這種斷裂通常非常劇烈。發(fā)生這種情況時(shí),鉆頭上會(huì)出現(xiàn)按轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的大尖峰。粘滑一般周期性發(fā)生,可以持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。對(duì)粘滑的典型RPM 響應(yīng)如圖7 所示。由于地表的鉆柱繼續(xù)正常運(yùn)行,鉆機(jī)操作員通常無(wú)法意識(shí)到井下正在發(fā)生這種非常具有破壞性的現(xiàn)象。

      在這種應(yīng)用中,一個(gè)關(guān)鍵的測(cè)量方法是準(zhǔn)確、頻繁地測(cè)量鉆頭附近的轉(zhuǎn)速。陀螺儀(例如具有振動(dòng)抑制效果的ADXRS645)非常適合執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù),因?yàn)槠錅y(cè)量不受鉆柱的線性移動(dòng)影響。在出現(xiàn)高度振動(dòng)和不穩(wěn)定移動(dòng)時(shí),磁力儀計(jì)算得出的轉(zhuǎn)速易受噪聲和誤差影響?;谕勇輧x的解決方案能夠即時(shí)測(cè)量得出轉(zhuǎn)速,且不使用易受沖擊和振動(dòng)影響的過(guò)零或其他算法。

      此外,相比磁通磁力計(jì)解決方案,基于陀螺儀的電路體積更小,需要的元器件數(shù)量更少,而前者需要多個(gè)磁力計(jì)軸和額外的驅(qū)動(dòng)電路。ADXRS645 中集成了信號(hào)調(diào)理功能。此器件采用低功耗、低引腳數(shù)封裝,支持高溫IC 對(duì)陀螺儀模擬輸出采樣并將其數(shù)字化。采用圖8 中所示的簡(jiǎn)化信號(hào)鏈可以實(shí)現(xiàn)提供數(shù)字輸出、額定溫度為175 ℃的陀螺儀電路。

      7 總結(jié)

      本文介紹了一款可在175 ℃高溫環(huán)境下使用的MEMS 陀螺儀——ADXRS645。此傳感器能在惡劣的環(huán)境應(yīng)用中準(zhǔn)確測(cè)量角速率,防止沖擊和振動(dòng)造成影響。此陀螺儀由一系列高溫IC 提供支持,以獲取信號(hào)并進(jìn)行處理。ADXRS645 是ADI 公司面向鉆探應(yīng)用而設(shè)計(jì)的精密高溫器件組合的最新產(chǎn)品。隨著井下鉆探工業(yè)已經(jīng)開始采用大量傳感器,以更好地了解鉆柱在地下的運(yùn)動(dòng)情況,從而優(yōu)化作業(yè),防止鉆柱損壞,提高生產(chǎn)力。借助ADXRS645 可確保鉆柱正常作業(yè),從而使石油和天然氣工業(yè)的鉆探設(shè)備運(yùn)營(yíng)商延長(zhǎng)設(shè)備壽命,減少成本高昂的停機(jī)時(shí)間。

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