惯性传感器包括加速度计(也叫加速度传感器)和角速度传感器(也叫陀螺仪),以及它们的单、双、三轴组合惯性测量单元(也称IMU)和AHRS
加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成,其实就是利用加速度的原理计算物体在空间运动的状态,起初加速度计只是感应地表垂直方向加速度,早期也只是应用在检测飞机过载的仪表系统中。经过功能升级、优化,现在实际上可以感知物体任意方向上的加速度。目前主流的是3轴加速度计,测量的是物体在空间坐标系中X、Y、Z三轴上的加速度数据,可以全面反映物体平移的运动性质。
最早的陀螺仪都是机械陀螺仪,内置高速旋转的陀螺,正因为陀螺在万向支架上能够保持高速稳定旋转,所以最早陀螺仪是航海中用来辨别方向,确定姿态以及计算角速度,后来逐渐被应用在飞机仪表上。但是机械式的对加工精度要求很高,还容易受外界震动影响,所以机械陀螺仪的计算精度一直都不高。
后来为了提升精度和可适用性,陀螺仪的原理已经不单单是机械式的了,现在已经发展有激光陀螺仪(光程差原理)、光纤陀螺仪(萨格纳克效应,光程差的一种)和微机电陀螺仪(即MEMS,它是根据科里奥利力原理,利用其内部的电容变化计算角速度,微机电陀螺仪在智能手机中最为常见)。由于MEMS技术的应用,IMU的成本也下降了不少,目前应用相当广泛,绝大多数人都要用到,小到手机、汽车,大到飞机、导弹、宇宙飞船。也正是上面提到的精度不同,应用领域不同,同时成本也相差较大。
去年10月,惯性传感器巨头法国Safran收购了即将上市的挪威陀螺仪传感器和 MEMS惯性系统制造商Sensonor,以将其业务范围扩展到基于MEMS的传感器技术和相关应用领域,东莞兆恒机械在MEMS模块外壳制造领域拥有成熟的技术和经验,以及稳定合作的客户群体。
两家法国公司ECA集团和 iXblue 已进入合并前的排他性谈判阶段,此次由ECA集团推进的合并将诞生一家海事、惯性导航、空间和光子学领域的欧洲高科技领军企业,ECA和iXblue是长期合作伙伴,ECA将 iXblue 的惯性和水下定位系统集成到其用于海军水雷战的自主水下航行器中。
惯性技术与惯性传感器发展
2015-2020年,全球惯性传感器市场年均复合增长率为13.0%,2021年市场规模约为72.6亿美元。惯性技术发展之初主要用于国防军工领域,高精度、高灵敏度是面向军工惯性技术产品的主要特征。车联网、自动驾驶、汽车智能化的最重要要求是安全、可靠,然后才是舒适化,而这一切的背后都离不开传感器,特别是用途越来越广的MEMS惯性传感器,也叫惯性测量单元。
惯性传感器(IMU)主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器,其原理是采用惯性定律实现的,这些传感器从超小型的的MEMS传感器,到测量精度非常高的激光陀螺,无论尺寸只有几个毫米的MEMS传感器,到直径几近半米的光纤器件采用的都是这一原理,惯性传感器可以广泛应用在消费电子、智能玩具、汽车电子、工业自动化、智慧农业、医疗器械、仪器仪表、机器人、工程机械、导航系统、卫星通信、军工武器等众多领域。
目前明显的高端惯性传感器细分市场
惯性传感器在导航和飞行控制系统、所有类型的商用飞机以及卫星轨迹校正和稳定中必不可少。
SpaceX和OneWeb等用于全球互联网宽带和远程地球监测的微型和纳米卫星星座的兴起,正在推动对卫星惯性传感器的需求达到前所未有的水平。
商业火箭发射器子系统对惯性传感器的需求不断增长,进一步提高了市场需求。
机器人、物流和自动化系统都需要惯性传感器。
此外,随着自动驾驶汽车趋势的持续,产业物流链正在发生转变。
下游需求大增推进国内市场使用量暴涨
目前,国内VR、无人机、无人驾驶、机器人等科技消费领域技术日益成熟,应用逐步普及,带动国内消费端MEMS惯性传感器市场需求与日俱增。
此外,在石油勘探、测量测绘、高速铁路、动中通、天线姿态监测、光伏跟踪系统、结构健康监测、振动监测等工业领域,智能化应用趋势明显,成为国内MEMS惯性传感器市场持续增长的另一只推手。
作为航空、航天领域关键的测量器件,惯性传感器一直是涉及国家国防安全的关键器件之一,国内惯性传感器的生产的大头一直是中航、航天、兵工、中船等和国防直接相关的国有单位。
如今国内惯性传感器市场需求持续火爆,国外技术壁垒正逐步被攻克,国内优秀惯性传感器公司正站在一个新时代的交叉点上。
随着自动驾驶项目已经开始从开发阶段逐渐过渡到中、大批量生产,可以预见该领域存在着需要降低功耗、减小尺寸、减轻重量、降低成本的同时保持或扩展性能的压力。
尤其微机电惯性器件大规模生产的实现,使得在较低精度即可满足应用需求的民用领域,惯性技术产品开始得到广泛使用,目前应用领域与规模正呈现快速增长的态势。
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