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為應用選擇最合適的 MEMS 加速度計——第二部分

時間：2018-04-23 10:19 來源：Analog Devices 作者：Chris Murphy

簡介

為應用選擇最合適的加速度計可能并不容易，因為來自不同制造商的數(shù)據(jù)手冊可能大相徑庭，讓人難以確定最為重要的技術指標是什么。在本文第二部分，我們將從可穿戴設備、狀態(tài)監(jiān)控和物聯(lián)網(wǎng)應用的角度重點討論各項關鍵技術指標和特性。

可穿戴設備

關鍵指標：低功耗、小尺寸、旨在增強節(jié)能性能的集成特性以及可用性。

用于電池供電型可穿戴應用的加速度計的關鍵指標是超低功耗(通常為 μA 級)，以確保盡量延長電池壽命。其他關鍵指標是尺寸和集成的特性，比如備用 ADC 通道和深度 FIFO，其作用是增進終端應用的電源管理和功能性。由于這些原因，可穿戴應用中通常采用 MEMS 加速度計。表 1 所示為部分生命體征監(jiān)測 (VSM) 應用及其在具體應用中的對應設置。用于可穿戴應用的加速度計通�？梢詫︖\動分類;檢測自由落體;測量運動是否存在以確定是使系統(tǒng)上電、關斷還是休眠;輔助實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，供 ECG 和其他 VSM 測量使用。同樣的加速度計也用在無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)應用中，因為它們具有超低功耗的特性。

在為超低功耗應用選擇加速度計時，必須在數(shù)據(jù)手冊中標稱的功耗水平下觀察傳感器的功能。要觀察的一項關鍵指標是帶寬和采樣速率是否會降至無法測量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。有些競爭產(chǎn)品通過每秒關斷并喚醒的方式達到維持低功耗的目的，但這樣做會錯過關鍵的加速度數(shù)據(jù)，因為有效采樣速率下降了。為了測量實時人體運動的范圍，需要大幅提高功耗。ADXL362 和 ADXL363 不會通過欠采樣混疊輸入信號;它們采用全數(shù)據(jù)速率對傳感器的整個帶寬進行采樣。功耗隨采樣速率動態(tài)變化，如圖 1 所示。需要注意的是，這些器件可在功耗僅為 3 μA 的狀態(tài)下，以最高 400 Hz 的速率進行采樣。在可穿戴設備中，這些較高的數(shù)據(jù)速率可實現(xiàn)額外的功能，如單擊/雙擊檢測。采樣速率可降至 6 Hz，以便在被拾起時或者檢測到運動時設備能啟動，此時的平均功耗為 270 nA。這也使 ADXL362 和 ADXL363 非常適合植入式應用，因為在這種應用中電池更換非常困難。

圖 1.ADXL362 電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關系。

表 1.VSM 可穿戴應用的運動檢測要求

在部分應用中，加速度計每秒只需輪詢一次或幾次加速度即可。對于此類應用，ADXL362 和 ADXL363 提供了一種喚醒模式，功耗僅為 270 nA。ADXL363 集成了一個三軸 MEMS 加速度計、一個溫度傳感器(典型比例因子為 0.065°C) 和一個板載 ADC 輸入(用于同步轉(zhuǎn)換外部信號)，采用小尺寸、薄型 (3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm) 封裝。加速度和溫度數(shù)據(jù)可存儲在 512 樣本多模 FIFO 緩沖器中，允許保存的數(shù)據(jù)時長高達 13 秒。

ADI 公司開發(fā)了一款僅供演示使用的 VSM 手表(如圖 2 所示)，旨在展示 ADXL362 等超低功耗器件在電池供電和空間受限應用中的潛力。

ECG 電極(用于現(xiàn)場檢查：IN+、RLD)

EDA 電極(短接，用于 ECG 現(xiàn)場檢查、IN–)

熱敏電阻

USB Type-C

ECG 電極 (IN+、IN– 和 RLD，用于監(jiān)控帶寬)

PPG 傳感器 (PD，2× 綠色 LED)

紅色 /IR LED

圖 2.VSM 手表(集成多款 ADI 器件，旨在凸顯超低功耗、小尺寸輕型產(chǎn)品)。

ADXL362 用于追蹤運動和記錄運動，幫助從其他測量結(jié)果中消除干擾偽像。

狀態(tài)監(jiān)控 (CBM)

關鍵指標：低噪聲、寬帶寬、信號處理、g范圍和低功耗。

CBM 需要監(jiān)控多項參數(shù)，比如機器振動，其目的是發(fā)現(xiàn)和指示可能發(fā)生的故障。CBM 是預防性維護的一個重要組成部分，其技術通常用于驅(qū)動渦輪機、風扇、泵、電機等機械。CBM 加速度計的關鍵指標是低噪聲和寬帶寬。在撰寫本文之時，提供 3.3 kHz 以上帶寬的 MEMS 加速度計的競爭公司非常少，有些專業(yè)制造商提供的最高帶寬為 7 kHz。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，業(yè)界越來越重視減少布線和利用無線、超低功耗技術。這使得 MEMS 加速度計在尺寸、重量、功耗等方面領先于壓電加速度計，并且有可能實現(xiàn)集成智能特性。CBM 中最常用的傳感器是壓電加速度計，因為這類傳感器具有良好的線性度、SNR、高溫工作性能和寬帶寬(典型范圍為 3 Hz 至 30 kHz，有些情況下可能高達數(shù)百 kHz)。然而，壓電加速度計在 DC 范圍下的性能欠佳(如圖 3 所示)，因此在較低頻率至 DC 范圍內(nèi)可能會出現(xiàn)大量故障，尤其是在風力渦輪機和類似的低 RPM 應用中。壓電傳感器的機械性質(zhì)使其難以像 MEMS 一樣實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，并且成本更高，在接口和電源方面的靈活性也比較低。

MEMS 電容式加速度計具有更高的集成度，功能也更為豐富，支持自檢、峰值加速、頻譜報警、FFT 和數(shù)據(jù)存儲，抗沖擊性能高達 10000 g，具有直流響應能力，并且尺寸更小、重量更輕。ADXL354/ ADXL355 和 ADXL356/ADXL357 具有超低的噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性，非常適合狀態(tài)監(jiān)控應用，但其帶寬限制使其無法進行更加深入的診斷分析。然而，即便帶寬范圍有限，這些加速度計也能提供重要的測量值;例如，在設備轉(zhuǎn)速超低的風力渦輪機狀態(tài)監(jiān)控中。這種情況下，需要低至直流的響應。

ADXL100x 系列單軸加速度計針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控應用而優(yōu)化，測量帶寬高達 50 kHz，g 值范圍高達 ±100 g，并且擁有超低的噪聲性能——因而在性能方面可與壓電加速度計不相上下。

General Machine Vibrations (ISO 10816)

一般機器振動(ISO 10816)

10 Hz to 1 kHz or 2 Hz to 1 kHz

10 Hz至1 kHz或2 Hz至1 kHz

Mechanical Wear

機械磨損

2 kHz to 6 kHz

2 kHz至6 kHz

Unbalance, Looseness, Rubbing

不平衡、松動、摩擦

Misalignment

對準誤差

Crash

碰撞

Sleeve Bearings

套筒軸承

Mechanical Wear

機械磨損

2 kHz to 6 kHz

2 kHz至6 kHz

Gearing, Screw ...

傳動裝置、螺絲…

Roller Bearings: Wear

滾珠軸承：磨損

Cavitation, Fluid Noise

空化、流噪聲

Lubrication

潤滑

Vibration Frequency

振動頻率

Fault

故障

圖 3.轉(zhuǎn)動設備故障振動偽像。

有關 ADI MEMS 電容式加速度計與壓電加速度計的詳細討論請參閱以下文章：MEMS 加速度計性能已臻成熟。

ADXL1001/ADXL1002 的頻率響應如圖 4 所示。旋轉(zhuǎn)機械中發(fā)生的主要故障(如套筒軸承損壞、對準誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化)都在 ADXL100x 系列狀態(tài)監(jiān)控加速度計的測量范圍以內(nèi)。

圖 4.ADXL1001/ADXL1002 的頻率響應、高頻 (>5 kHz) 振動響應;激光振動計控制器以 ADXL1002 封裝為基準以提高準確性。

壓電加速度計通常不集成智能特性，而 MEMS 電容式加速度計(如 ADXL100x 系列)則集成了超量程檢測電路，當發(fā)生超過指定 g 值范圍約 2 倍的嚴重超量程事件時，該電路可報警。在智能測量和監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)中，這項功能非常關鍵。ADXL100x 運用某種內(nèi)部時鐘智能禁用機制來在持續(xù)發(fā)生超量程事件時保護傳感器元件，比如，電機發(fā)生故障時就會出現(xiàn)情況。這種方式可以減輕主機處理器的負擔，并能增加一個傳感器節(jié)點的智能化程度——這兩項都是狀態(tài)監(jiān)控和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的關鍵指標。

MEMS 電容式加速度計在性能上已經(jīng)取得巨大飛躍，因此，新的 ADXL100x 系列已經(jīng)開始強力競爭并奪得以前由壓電傳感器主導的陣地。ADXL35x 系列具有行業(yè)最佳的超低噪聲性能，還能取代 CBM 應用中的傳感器。新型 CBM 解決方案和模式已經(jīng)開始與物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)相融合，形成更好的檢測、連接及存儲與分析系統(tǒng)。ADI 公司的最新加速度計將為邊緣節(jié)點帶來更加智能的監(jiān)控，幫助工廠管理方實現(xiàn)完全集成的振動監(jiān)控和分析系統(tǒng)。

對這些 MEMS 加速度計形成進一步補充的是第一代 CBM 子系統(tǒng)，即 ADIS16227 及 ADIS16228 半自主型全集成式寬帶寬振動分析系統(tǒng)(如圖 5 所示);這兩款產(chǎn)品具有眾多特性，比如六頻段可編程報警、2 級報警和故障定義設置、旨在減少誤報的可調(diào)響應延遲、帶狀態(tài)標志的內(nèi)部自檢等。頻域處理包括針對各軸的 512 點、實數(shù)值 FFT 和 FFT 均值功能，后一功能可降低本底噪聲變化，從而提高分辨率。ADIS16227 和 ADIS16228 全集成式振動分析系統(tǒng)可以縮短設計時間，降低成本，降低處理器要求，減少空間限制，使其成為 CBM 應用的理想選擇。

物聯(lián)網(wǎng)/無線傳感器網(wǎng)絡

關鍵指標：功耗、支持智能節(jié)能和測量的集成特性、小尺寸、深度 FIFO 和合適的帶寬。

整個行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的前景都心知肚明。為了實現(xiàn)這種前景，將來幾年需要部署數(shù)百萬計的傳感器。絕大多數(shù)這些傳感器都會被安裝在操作不便或空間受限的位置(如屋頂、街燈頂部、塔桅、橋梁、重型機械內(nèi)等)，以實現(xiàn)智能城市、智能農(nóng)業(yè)、智能樓宇等概念。由于存在諸如此類限制，很可能一大部分這些傳感器需要采用無線通信和電池供電方式，也可能需要某種形式的能量采集方式。

物聯(lián)網(wǎng)應用的趨勢是盡量減少以無線方式傳輸至云端或本地服務器進行存儲和分析的數(shù)據(jù)，因為現(xiàn)有方法需要很高的帶寬并且成本較高。通過在傳感器節(jié)點進行智能處理，可以把無用數(shù)據(jù)與有用數(shù)據(jù)區(qū)分開，減少傳輸大量數(shù)據(jù)的必要性，從而降低帶寬和成本要求。這就要求傳感器具備智能特性，同時還要維持超低的功耗水平。標準物聯(lián)網(wǎng)信號鏈如圖 6 所示。在網(wǎng)關以外，ADI 公司可為各個模塊提供解決方案。請注意，并非所有解決方案都需要無線連接，對于眾多應用來說，有線解決方案仍有必要，無論是 RS-485 接口(，4 mA 至 20 mA，)還是工業(yè)以太網(wǎng)等。

使節(jié)點具備一定的智能之后，就可以通過信號鏈只傳輸有用的數(shù)據(jù)——節(jié)省電能和帶寬。在 CBM 中，在傳感器節(jié)點局部完成的處理量取決于多個因素，如機器的成本和復雜性與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的成本。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從簡單的超范圍報警到數(shù)據(jù)流不盡相同。ISO 10816 等標準規(guī)定了相應的報警條件，當給定尺寸的機器以特定 RPM 轉(zhuǎn)速運行時，如果振動速度超過預設閾值，機器就會輸出報警信號。ISO 10816 的目的是優(yōu)化被測系統(tǒng)及其滾動軸承的有效壽命，因此需要減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而為在 WSN 架構(gòu)中的部署提供更好的支持。

圖 5.數(shù)字三軸振動傳感器，集成 FFT 分析和存儲系統(tǒng)。

圖 6.ADI 公司的邊緣傳感器節(jié)點解決方案。

對于用在 ISO 10816 應用中的加速度計，要求其 g 值范圍為 50 g 或以下并在低頻下保持低噪聲，因為系統(tǒng)會周期性地把加速度數(shù)據(jù)整合起來，以形成以 mm/sec rms 為單位的單一速度點。當整合含有低頻噪聲的加速度計數(shù)據(jù)時，速度輸出中的誤差可能會線性增大。ISO 標準規(guī)定的測量范圍為 1 Hz 至 1 kHz，但用戶都希望整合低至 0.1 Hz 的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上，在電荷耦合壓電加速度計中，這受到了低頻高噪聲水平的限制，但 ADI 下一代加速度計能使本底噪聲最低保持在直流水平，只受信號調(diào)理電子器件 1/f 的噪聲轉(zhuǎn)折頻率的限制，通過細心的設計可使該值降至 0.01 Hz。MEMS 加速度計既可以用在面向低成本設備的經(jīng)濟型 CBM 應用中，也可以整合到嵌入式解決方案之中，因為與壓電傳感器相比，它們的尺寸更小、成本更低。

ADI 公司廣泛的加速度計產(chǎn)品是要求超低功耗的智能傳感器節(jié)點的理想選擇，其中集成多種特性，有助于延長電池壽命、減少帶寬用量并因此降低成本。物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的部分關鍵指標有低功耗 (ADXL362、ADXL363) 和豐富的特性集合，以實現(xiàn)能量管理和特定數(shù)據(jù)檢測，如過閾值活動、譜線輪廓報警、峰值加速值和超長活動或非活動 (ADXL372、ADXL375)。

在把加速數(shù)據(jù)存儲在 FIFO 中并檢查是否存在活動事件時，所有這些加速度計都能使整個系統(tǒng)處于關斷狀態(tài)。發(fā)生沖擊事件時，事件發(fā)生前收集的數(shù)據(jù)被凍結(jié)在 FIFO 中。如果沒有 FIFO，如果要在事件發(fā)生之前捕捉樣本，就要求處理器連續(xù)采樣并處理加速信號，結(jié)果會大幅縮短電池壽命。ADXL362 和 ADXL363 FIFO 可以存儲超過 13 秒的數(shù)據(jù)，因而能清楚展示活動觸發(fā)之前發(fā)生的事件。不使用功率占空比，而是在所有數(shù)據(jù)速率下均采用全帶寬架構(gòu)，由此防止輸入信號混疊，從而維持超低功耗。

資產(chǎn)狀況監(jiān)控

關鍵指標：功耗、支持智能節(jié)能和測量的集成特性、小尺寸、深度 FIFO 和合適的帶寬。

資產(chǎn)狀況監(jiān)控 (AHM) 一般指在一定時間內(nèi)對高價值資產(chǎn)進行監(jiān)控，無論是在靜止狀態(tài)或還是在運輸途中。這些資產(chǎn)可能是船運集裝箱里的貨物、遠程管道、平民、戰(zhàn)士、高密度電池等，此類資產(chǎn)容易受到撞擊或沖擊事件的影響。對于可能影響資產(chǎn)功能性或安全性的此類事件，物聯(lián)網(wǎng)提供了一種理想的報告基礎設施。對于 AHM 中使用的傳感器，關鍵指標是能測量與資產(chǎn)相關的高 g 沖擊及沖擊事件并同時保持超低功耗。當把這類傳感器嵌入電池供電或便攜式應用中時，要考慮的其他關鍵傳感器指標包括尺寸、過采樣和旨在精確處理高頻成分的抗混疊特性，還有各種智能特性，以通過增加主機處理器休眠時間并允許用中斷驅(qū)動算法檢測和捕獲沖擊特性延長電池壽命。

ADXL372 微功耗型 ±200 g MEMS 加速度計可滿足新興資產(chǎn)狀況監(jiān)控市場對智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的需求。該器件含有專門針對資產(chǎn)狀況監(jiān)控市場開發(fā)的多項獨有特性，可簡化系統(tǒng)設計，并在系統(tǒng)層次實現(xiàn)節(jié)能目的。高 g 事件(如沖擊或撞擊)通常與較寬頻率下的加速度成分密切相關。要準確捕獲這些事件，需要寬帶寬，因為在帶寬不足的條件下進行測量會顯著降低記錄事件的幅度，導致錯誤。在數(shù)據(jù)手冊中這是要特別注意的一項關鍵參數(shù)。有些器件達不到奈奎斯特采樣速率標準的要求。ADXL375 和 ADXL372 提供捕獲整個沖擊特性的選項，可用于進一步分析而無需主機處理器干預。使用沖擊中斷寄存器并結(jié)合加速度計的內(nèi)部 FIFO，可實現(xiàn)該功能。如圖 7 所示，為了在觸發(fā)事件之前確定沖擊特性，有充足 FIFO 非常重要。如果 FIFO 不足，就無法記錄和維持沖擊事件以供進一步分析。

圖 7. 準確捕獲沖擊特性。

ADXL372 的工作帶寬可在超低功耗水平下達到 3200 Hz。陡峭的濾波器滾降也有利于有效抑制帶外成分，為此，ADXL372 集成了一個四極低通抗混疊濾波器。如果沒有抗混疊濾波，凡是頻率超過輸出數(shù)據(jù)速率一半的輸入信號都會混疊進目標測量帶寬，導致測量誤差。該四極低通濾波器提供用戶可選濾波器帶寬，因而可為用戶應用帶來極大的靈活性。

借助即時導通沖擊檢測特性，用戶可以對 ADXL372 進行配置，使其能在超低功耗模式下捕獲高于特定閾值的沖擊事件。如圖 8 所示，在發(fā)生沖擊事件之后，加速度計會進入全測量模式，以便準確地捕獲沖擊特性。

圖 8. 默認閾值下的即時導通模式。

有些應用要求只記錄來自沖擊事件的峰值加速樣本，因為此類樣本本身就能提供充足的信息。ADXL372 FIFO 可以為每個軸存儲峰值加速樣本。FIFO 中可以存儲的最長時長為 1.28 秒 (400 Hz ODR 條件下，512 個單軸樣本)。3200 Hz ODR 條件下的 170 個 3 軸樣本相當于一個 50 ms 的時間窗口，足以捕獲到典型的沖擊波形。對于不要求完整事件特性的應用，通過只存儲峰值加速信息，可以大幅增加 FIFO 讀取操作之間的時間，從而實現(xiàn)進一步節(jié)能。512 個 FIFO 樣本可以通過多種方式分配，包括下列方式：

•并行 3 軸數(shù)據(jù)的 170 個樣本集

•并行 2 軸數(shù)據(jù)的 256 個樣本集(用戶可選)

•單軸數(shù)據(jù)的 512 個樣本集

•170 個沖擊事件峰值集 (x, y, z)

適當使用 FIFO，使主機處理器能在加速度計自主收集數(shù)據(jù)時長時間保持休眠，可以降低系統(tǒng)級功耗�；蛘撸褂� FIFO 收集數(shù)據(jù)可以減輕主機處理器的負荷，使它能處理其他任務。

市場上還有其他幾款具有類似高 g 性能的加速度計，但它們不適合 AHM/SHM 物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點應用，因為它們的帶寬較窄，功耗較高。在提供低功耗模式的情況下，無法進行準確測量的一般都是低帶寬。ADXL372 真正實現(xiàn)了即用即忘的 AHM/SHM 實施模式，促使最終客戶在可行的情況下重新考慮潛在資產(chǎn)類別。

結(jié)論

ADI 公司提供面向多種應用的廣泛加速度計產(chǎn)品，其中有些產(chǎn)品未在本文中重點討論，比如航位推算、AHRS、慣性測量、汽車穩(wěn)定和安全、醫(yī)療對準等。我們的新一代 MEMS 電容式加速度計非常適合要求低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性的應用;具有低補償?shù)奶匦�，并且集成眾多智能特性，可提升系統(tǒng)整體性能并降低設計復雜度。ADI 公司提供所有相關數(shù)據(jù)手冊信息，旨在幫助您為您的應用選擇最合適的器件。以上列出的所有器件以及其他器件均可供評估和原型制作使用。更多信息，請訪問：analog.com/MEMS。