加速度计和陀螺仪：了解运动指标
许多传感器，如接近传感器、光学传感器和超声波传感器，都是控制工程师所熟悉的。越来越多的现代设备正在采用先进的运动配置文件，需要在多个轴上进行运动传感
“传感器”市场预计将成为未来几年工业自动化市场增长最快的类别之一（根据MarketsandMarkets 的数据）。也许这并不奇怪，因为联网“智能”设备的可用性甚至可以为小型系统提供数百或数千个传感器。它们也是成本最低的工业组件之一，因此我们可能会看到传感器的大幅增长是有道理的。
有多少种类型的传感器？
实际上有数百个可以测量的量，包括速度、尺寸、形状、颜色、噪声、温度、重量、电压、电流、运动，而且这个列表还在不断地增加。对于每个数量，都有各种各样的传感器以有意义的方式捕获该数据。
传统上，大多数工业传感器的设计注重可靠性、耐用性和简单性，仅测量单个数量。当您购买传感器时，供应商会在其自己的产品类别中清楚地贴上标签。
随着现代设备变得越来越复杂，捕获更复杂数据的要求也不断提高。
两种传感器脱颖而出，从消费设备内部的使用发展到现在越来越多的工业应用中。它们是加速度计和陀螺仪。
什么是加速度计？
加速度计测量特定方向上的速度变化。如果您加速、减速或转弯，您就改变了某个方向的速度。
加速度计如何工作？
测量加速度的方法有很多（通常包括压电效应），但最常见的方法之一涉及两个非常非常小的半导体结构，类似于梳子上的牙齿。当彼此嵌套（但不接触）时，存在一些电容，因为导体被绝缘间隙隔开。
当运动发生变化时，牙齿会靠近或分开，从而改变电容。一旦运动再次稳定（不一定停止，而是恒定值），电容就会恢复到原始水平。
通过测量该电容，传感器可以非常准确地检测速度的任何变化。凭借小型半导体结构，即使是微小的传感器也可以容纳 X、Y 甚至 Z 方向的加速度计，即 3 轴加速度计。
对于水平放置的应用程序来说，Z 轴有点棘手。重力将以恒定加速度 (9.8 m/s 2 )下拉，因此模块设计者必须能够补偿该值，以区分重力和实际运动变化。
加速度计有什么用？
当复杂运动是决定性因素时，使用这些 3 轴加速度计。状态监测模块是加速度计增长最快的工业用途之一。电机和轴承上的振动传感器将受益于对运动变化的分析。无人机和移动机器人，特别是那些可能会经历行驶倾斜度变化的无人机和移动机器人，也将受益于这些微型、高效的传感器。
什么是陀螺仪？
与加速度计类似，陀螺仪可以感知方向运动的变化，但其方式依赖于角动量的变化。这意味着，虽然加速度计非常擅长测量沿三个线性轴的加速度，但陀螺仪却擅长测量旋转或倾斜角度。
陀螺仪如何工作？
有两个主要原理用于捕获旋转位移。经典方法使用质量的旋转来保持直立姿势。当物体外部旋转时，旋转质量保持完美水平，两者之差就是角度。正如您所料，这种方法太大并且会遭受太多机械磨损，无法在微型工业传感器中使用。
最现代的方法使用石英晶体，当受到小电压时，石英晶体会以非常一致的速率振动（振荡）。任何角位移都会导致振动频率发生轻微变化，该变化由连接到外部电路的石英音叉读取。这种方法非常小而且非常精确。
陀螺仪有什么用？
这些传感器实际上与加速度计一起使用，形成具有 6 个不同自由度的组合测量系统（三个用于线性运动，三个用于角运动）。无人机、人形机器人和其他移动平台都利用这些组合传感器。
陀螺仪还可以放置在高速机械中，以测量柔性组件偏转角的任何变化，从而允许 PID 回路补偿不可预见的运动，并帮助机器更准确地降落在目标上。值得注意的是，爱普生机器人公司的 SCARA 设计配备了 Gyroplus 技术，利用这种传感技术进一步提高了速度和精度。
适用于多种工业应用的多种传感器
这些当然不是当今市场上唯一的新型传感器，但由于它们依赖于更神秘的电气特性，并且由于它们通常隐藏在更复杂的嵌入式控制器内，因此它们可能更难以理解。