MEMS加速度计怎么选择？

为应用选择最合适的加速度计可能并不容易，因为来自不同制造商的数据手册可能大相径庭，让人难以确定最为重要的技术指标是什么。本系列的第一部分三大维度+关键指标，选出最适合你的MEMS加速度计 ，我们讨论了加速度计的关键参数和特性，以及它们与倾斜和稳定应用的关系。

薄坤坤

2019-8-13 15:45:23

今天分享的是本系列的第二部分，我们将从可穿戴设备、状态监控和物联网应用的角度重点讨论各项关键技术指标和特性。
可穿戴设备

关键指标：低功耗、小尺寸、旨在增强节能性能的集成特性以及可用性。
用于电池供电型可穿戴应用的加速度计的关键指标是超低功耗（通常为μA级），以确保尽量延长电池寿命。其他关键指标是尺寸和集成的特性，比如备用ADC通道和深度FIFO，其作用是增进终端应用的电源管理和功能性。由于这些原因，可穿戴应用中通常采用MEMS加速度计。
表1所示为部分生命体征监测(VSM)应用及其在具体应用中的对应设置。用于可穿戴应用的加速度计通常可以对运动分类；检测自由落体；测量运动是否存在以确定是使系统上电、关断还是休眠；辅助实现数据融合，供ECG和其他VSM测量使用。同样的加速度计也用在无线传感器网络和物联网应用中，因为它们具有超低功耗的特性。

在为超低功耗应用选择加速度计时，必须在数据手册中标称的功耗水平下观察传感器的功能。要观察的一项关键指标是带宽和采样速率是否会降至无法测量可用加速度数据的水平。有些竞争产品通过每秒关断并唤醒的方式达到维持低功耗的目的，但这样做会错过关键的加速度数据，因为有效采样速率下降了。为了测量实时人体运动的范围，需要大幅提高功耗。
ADXL362和ADXL363不会通过欠采样混叠输入信号；它们采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。功耗随采样速率动态变化，如图1所示。需要注意的是，这些器件可在功耗仅为3 μA的状态下，以最高400 Hz的速率进行采样。在可穿戴设备中，这些较高的数据速率可实现额外的功能，如单击/双击检测。采样速率可降至6 Hz，以便在被拾起时或者检测到运动时设备能启动，此时的平均功耗为270 nA。这也使ADXL362和ADXL363非常适合植入式应用，因为在这种应用中电池更换非常困难。

图1. ADXL362电源电流与输出数据速率的关系

今天分享的是本系列的第二部分，我们将从可穿戴设备、状态监控和物联网应用的角度重点讨论各项关键技术指标和特性。
可穿戴设备

关键指标：低功耗、小尺寸、旨在增强节能性能的集成特性以及可用性。
用于电池供电型可穿戴应用的加速度计的关键指标是超低功耗（通常为μA级），以确保尽量延长电池寿命。其他关键指标是尺寸和集成的特性，比如备用ADC通道和深度FIFO，其作用是增进终端应用的电源管理和功能性。由于这些原因，可穿戴应用中通常采用MEMS加速度计。
表1所示为部分生命体征监测(VSM)应用及其在具体应用中的对应设置。用于可穿戴应用的加速度计通常可以对运动分类；检测自由落体；测量运动是否存在以确定是使系统上电、关断还是休眠；辅助实现数据融合，供ECG和其他VSM测量使用。同样的加速度计也用在无线传感器网络和物联网应用中，因为它们具有超低功耗的特性。

在为超低功耗应用选择加速度计时，必须在数据手册中标称的功耗水平下观察传感器的功能。要观察的一项关键指标是带宽和采样速率是否会降至无法测量可用加速度数据的水平。有些竞争产品通过每秒关断并唤醒的方式达到维持低功耗的目的，但这样做会错过关键的加速度数据，因为有效采样速率下降了。为了测量实时人体运动的范围，需要大幅提高功耗。
ADXL362和ADXL363不会通过欠采样混叠输入信号；它们采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。功耗随采样速率动态变化，如图1所示。需要注意的是，这些器件可在功耗仅为3 μA的状态下，以最高400 Hz的速率进行采样。在可穿戴设备中，这些较高的数据速率可实现额外的功能，如单击/双击检测。采样速率可降至6 Hz，以便在被拾起时或者检测到运动时设备能启动，此时的平均功耗为270 nA。这也使ADXL362和ADXL363非常适合植入式应用，因为在这种应用中电池更换非常困难。

图1. ADXL362电源电流与输出数据速率的关系

连伴叙

2019-8-13 15:45:47

在部分应用中，加速度计每秒只需轮询一次或几次加速度即可。对于此类应用，ADXL362和ADXL363提供了一种唤醒模式，功耗仅为270 nA。ADXL363集成了一个三轴MEMS加速度计、一个温度传感器（典型比例因子为0.065°C）和一个板载ADC输入（用于同步转换外部信号），采用小尺寸、薄型(3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm)封装。加速度和温度数据可存储在512样本多模FIFO缓冲器中，允许保存的数据时长高达13秒。
ADI公司开发了一款仅供演示使用的VSM手表（如图2所示），旨在展示ADXL362等超低功耗器件在电池供电和空间受限应用中的潜力。

图2. VSM手表（集成多款ADI器件，旨在凸显超低功耗、小尺寸轻型产品）
ADXL362用于追踪运动和记录运动，帮助从其他测量结果中消除干扰伪像。
状态监控（CBM）

关键指标：低噪声、宽带宽、信号处理、g范围和低功耗
CBM需要监控多项参数，比如机器振动，其目的是发现和指示可能发生的故障。CBM是预防性维护的一个重要组成部分，其技术通常用于驱动涡轮机、风扇、泵、电机等机械。CBM加速度计的关键指标是低噪声和宽带宽。在撰写本文之时，提供3.3 kHz以上带宽的MEMS加速度计的竞争公司非常少，有些专业制造商提供的最高带宽为7 kHz。
随着工业物联网的发展，业界越来越重视减少布线和利用无线、超低功耗技术。这使得MEMS加速度计在尺寸、重量、功耗等方面领先于压电加速度计，并且有可能实现集成智能特性。CBM中最常用的传感器是压电加速度计，因为这类传感器具有良好的线性度、SNR、高温工作性能和宽带宽（典型范围为3 Hz至30 kHz，有些情况下可能高达数百kHz）。然而，压电加速度计在DC范围下的性能欠佳（如图3所示），因此在较低频率至DC范围内可能会出现大量故障，尤其是在风力涡轮机和类似的低RPM应用中。压电传感器的机械性质使其难以像MEMS一样实现大批量生产，并且成本更高，在接口和电源方面的灵活性也比较低。

图3. 转动设备故障振动伪像
MEMS电容式加速度计具有更高的集成度，功能也更为丰富，支持自检、峰值加速、频谱报警、FFT和数据存储，抗冲击性能高达10000 g，具有直流响应能力，并且尺寸更小、重量更轻。ADXL354/ ADXL355和ADXL356/ADXL357具有超低的噪声和出色的温度稳定性，非常适合状态监控应用，但其带宽限制使其无法进行更加深入的诊断分析。然而，即便带宽范围有限，这些加速度计也能提供重要的测量值；例如，在设备转速超低的风力涡轮机状态监控中。这种情况下，需要低至直流的响应。
ADXL100x系列单轴加速度计针对工业状态监控应用而优化，测量带宽高达50 kHz，g值范围高达±100 g，并且拥有超低的噪声性能——因而在性能方面可与压电加速度计不相上下。
有关ADI MEMS电容式加速度计与压电加速度计的详细讨论请参阅文章：MEMS加速度计性能已臻成熟。
ADXL1001/ADXL1002的频率响应如图4所示。旋转机械中发生的主要故障（如套筒轴承损坏、对准误差、不平衡、摩擦、松动、传动装置故障、轴承磨损和空化）都在ADXL100x系列状态监控加速度计的测量范围以内。

图4. ADXL1001/ADXL1002的频率响应、高频(>5 kHz)振动响应；激光振动计控制器以ADXL1002封装为基准以提高准确性。
压电加速度计通常不集成智能特性，而MEMS电容式加速度计（如ADXL100x系列）则集成了超量程检测威廉希尔官方网站，当发生超过指定g值范围约2倍的严重超量程事件时，该威廉希尔官方网站可报警。在智能测量和监控系统的开发中，这项功能非常关键。ADXL100x运用某种内部时钟智能禁用机制来在持续发生超量程事件时保护传感器元件，比如，电机发生故障时就会出现情况。这种方式可以减轻主机处理器的负担，并能增加一个传感器节点的智能化程度——这两项都是状态监控和工业物联网解决方案的关键指标。
MEMS电容式加速度计在性能上已经取得巨大飞跃，因此，新的ADXL100x系列已经开始强力竞争并夺得以前由压电传感器主导的阵地。ADXL35x系列具有行业最佳的超低噪声性能，还能取代CBM应用中的传感器。新型CBM解决方案和模式已经开始与物联网架构相融合，形成更好的检测、连接及存储与分析系统。ADI公司的最新加速度计将为边缘节点带来更加智能的监控，帮助工厂管理方实现完全集成的振动监控和分析系统。
对这些MEMS加速度计形成进一步补充的是第一代CBM子系统，即ADIS16227及ADIS16228半自主型全集成式宽带宽振动分析系统（如图5所示）；这两款产品具有众多特性，比如六频段可编程报警、2级报警和故障定义设置、旨在减少误报的可调响应延迟、带状态标志的内部自检等。

图5. 数字三轴振动传感器，集成FFT分析和存储系统
频域处理包括针对各轴的512点、实数值FFT和FFT均值功能，后一功能可降低本底噪声变化，从而提高分辨率。ADIS16227和ADIS16228全集成式振动分析系统可以缩短设计时间，降低成本，降低处理器要求，减少空间限制，使其成为CBM应用的理想选择。

在部分应用中，加速度计每秒只需轮询一次或几次加速度即可。对于此类应用，ADXL362和ADXL363提供了一种唤醒模式，功耗仅为270 nA。ADXL363集成了一个三轴MEMS加速度计、一个温度传感器（典型比例因子为0.065°C）和一个板载ADC输入（用于同步转换外部信号），采用小尺寸、薄型(3 mm x 3.25 mm x 1.06 mm)封装。加速度和温度数据可存储在512样本多模FIFO缓冲器中，允许保存的数据时长高达13秒。
ADI公司开发了一款仅供演示使用的VSM手表（如图2所示），旨在展示ADXL362等超低功耗器件在电池供电和空间受限应用中的潜力。

图2. VSM手表（集成多款ADI器件，旨在凸显超低功耗、小尺寸轻型产品）
ADXL362用于追踪运动和记录运动，帮助从其他测量结果中消除干扰伪像。
状态监控（CBM）

关键指标：低噪声、宽带宽、信号处理、g范围和低功耗
CBM需要监控多项参数，比如机器振动，其目的是发现和指示可能发生的故障。CBM是预防性维护的一个重要组成部分，其技术通常用于驱动涡轮机、风扇、泵、电机等机械。CBM加速度计的关键指标是低噪声和宽带宽。在撰写本文之时，提供3.3 kHz以上带宽的MEMS加速度计的竞争公司非常少，有些专业制造商提供的最高带宽为7 kHz。
随着工业物联网的发展，业界越来越重视减少布线和利用无线、超低功耗技术。这使得MEMS加速度计在尺寸、重量、功耗等方面领先于压电加速度计，并且有可能实现集成智能特性。CBM中最常用的传感器是压电加速度计，因为这类传感器具有良好的线性度、SNR、高温工作性能和宽带宽（典型范围为3 Hz至30 kHz，有些情况下可能高达数百kHz）。然而，压电加速度计在DC范围下的性能欠佳（如图3所示），因此在较低频率至DC范围内可能会出现大量故障，尤其是在风力涡轮机和类似的低RPM应用中。压电传感器的机械性质使其难以像MEMS一样实现大批量生产，并且成本更高，在接口和电源方面的灵活性也比较低。

图3. 转动设备故障振动伪像
MEMS电容式加速度计具有更高的集成度，功能也更为丰富，支持自检、峰值加速、频谱报警、FFT和数据存储，抗冲击性能高达10000 g，具有直流响应能力，并且尺寸更小、重量更轻。ADXL354/ ADXL355和ADXL356/ADXL357具有超低的噪声和出色的温度稳定性，非常适合状态监控应用，但其带宽限制使其无法进行更加深入的诊断分析。然而，即便带宽范围有限，这些加速度计也能提供重要的测量值；例如，在设备转速超低的风力涡轮机状态监控中。这种情况下，需要低至直流的响应。
ADXL100x系列单轴加速度计针对工业状态监控应用而优化，测量带宽高达50 kHz，g值范围高达±100 g，并且拥有超低的噪声性能——因而在性能方面可与压电加速度计不相上下。
有关ADI MEMS电容式加速度计与压电加速度计的详细讨论请参阅文章：MEMS加速度计性能已臻成熟。
ADXL1001/ADXL1002的频率响应如图4所示。旋转机械中发生的主要故障（如套筒轴承损坏、对准误差、不平衡、摩擦、松动、传动装置故障、轴承磨损和空化）都在ADXL100x系列状态监控加速度计的测量范围以内。

图4. ADXL1001/ADXL1002的频率响应、高频(>5 kHz)振动响应；激光振动计控制器以ADXL1002封装为基准以提高准确性。
压电加速度计通常不集成智能特性，而MEMS电容式加速度计（如ADXL100x系列）则集成了超量程检测威廉希尔官方网站，当发生超过指定g值范围约2倍的严重超量程事件时，该威廉希尔官方网站可报警。在智能测量和监控系统的开发中，这项功能非常关键。ADXL100x运用某种内部时钟智能禁用机制来在持续发生超量程事件时保护传感器元件，比如，电机发生故障时就会出现情况。这种方式可以减轻主机处理器的负担，并能增加一个传感器节点的智能化程度——这两项都是状态监控和工业物联网解决方案的关键指标。
MEMS电容式加速度计在性能上已经取得巨大飞跃，因此，新的ADXL100x系列已经开始强力竞争并夺得以前由压电传感器主导的阵地。ADXL35x系列具有行业最佳的超低噪声性能，还能取代CBM应用中的传感器。新型CBM解决方案和模式已经开始与物联网架构相融合，形成更好的检测、连接及存储与分析系统。ADI公司的最新加速度计将为边缘节点带来更加智能的监控，帮助工厂管理方实现完全集成的振动监控和分析系统。
对这些MEMS加速度计形成进一步补充的是第一代CBM子系统，即ADIS16227及ADIS16228半自主型全集成式宽带宽振动分析系统（如图5所示）；这两款产品具有众多特性，比如六频段可编程报警、2级报警和故障定义设置、旨在减少误报的可调响应延迟、带状态标志的内部自检等。

图5. 数字三轴振动传感器，集成FFT分析和存储系统
频域处理包括针对各轴的512点、实数值FFT和FFT均值功能，后一功能可降低本底噪声变化，从而提高分辨率。ADIS16227和ADIS16228全集成式振动分析系统可以缩短设计时间，降低成本，降低处理器要求，减少空间限制，使其成为CBM应用的理想选择。

白旭蕊

2019-8-13 15:46:07

物联网/无线传感器网络

关键指标：功耗、支持智能节能和测量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽
整个行业对物联网的前景都心知肚明。为了实现这种前景，将来几年需要部署数百万计的传感器。绝大多数这些传感器都会被安装在操作不便或空间受限的位置（如屋顶、街灯顶部、塔桅、桥梁、重型机械内等），以实现智能城市、智能农业、智能楼宇等概念。由于存在诸如此类限制，很可能一大部分这些传感器需要采用无线通信和电池供电方式，也可能需要某种形式的能量采集方式。
物联网应用的趋势是尽量减少以无线方式传输至云端或本地服务器进行存储和分析的数据，因为现有方法需要很高的带宽并且成本较高。通过在传感器节点进行智能处理，可以把无用数据与有用数据区分开，减少传输大量数据的必要性，从而降低带宽和成本要求。这就要求传感器具备智能特性，同时还要维持超低的功耗水平。标准物联网信号链如图6所示。

图6. ADI公司的边缘传感器节点解决方案
在网关以外，ADI公司可为各个模块提供解决方案。请注意，并非所有解决方案都需要无线连接，对于众多应用来说，有线解决方案仍有必要，无论是RS-485接口，4 mA至20 mA，还是工业以太网等。
使节点具备一定的智能之后，就可以通过信号链只传输有用的数据——节省电能和带宽。在CBM中，在传感器节点局部完成的处理量取决于多个因素，如机器的成本和复杂性与状态监控系统的成本。传输的数据从简单的超范围报警到数据流不尽相同。ISO10816等标准规定了相应的报警条件，当给定尺寸的机器以特定RPM转速运行时，如果振动速度超过预设阈值，机器就会输出报警信号。ISO 10816的目的是优化被测系统及其滚动轴承的有效寿命，因此需要减少传输的数据量，从而为在WSN架构中的部署提供更好的支持。
对于用在ISO 10816应用中的加速度计，要求其g值范围为50 g或以下并在低频下保持低噪声，因为系统会周期性地把加速度数据整合起来，以形成以mm/sec rms为单位的单一速度点。当整合含有低频噪声的加速度计数据时，速度输出中的误差可能会线性增大。ISO标准规定的测量范围为1 Hz至1 kHz，但用户都希望整合低至0.1 Hz的数据。传统上，在电荷耦合压电加速度计中，这受到了低频高噪声水平的限制，但ADI下一代加速度计能使本底噪声最低保持在直流水平，只受信号调理电子器件1/f的噪声转折频率的限制，通过细心的设计可使该值降至0.01 Hz。MEMS加速度计既可以用在面向低成本设备的经济型CBM应用中，也可以整合到嵌入式解决方案之中，因为与压电传感器相比，它们的尺寸更小、成本更低。
ADI公司广泛的加速度计产品是要求超低功耗的智能传感器节点的理想选择，其中集成多种特性，有助于延长电池寿命、减少带宽用量并因此降低本。物联网传感器节点的部分关键指标有低功耗（ADXL362、ADXL363）和丰富的特性集合，以实现能量管理和特定数据检测，如过阈值活动、谱线轮廓报警、峰值加速值和超长活动或非活动（ADXL372、ADXL375）。
在把加速数据存储在FIFO中并检查是否存在活动事件时，所有这些加速度计都能使整个系统处于关断状态。发生冲击事件时，事件发生前收集的数据被冻结在FIFO中。如果没有FIFO，如果要在事件发生之前捕捉样本，就要求处理器连续采样并处理加速信号，结果会大幅缩短电池寿命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存储超过13秒的数据，因而能清楚展示活动触发之前发生的事件。不使用功率占空比，而是在所有数据速率下均采用全带宽架构，由此防止输入信号混叠，从而维持超低功耗。

物联网/无线传感器网络

关键指标：功耗、支持智能节能和测量的集成特性、小尺寸、深度FIFO和合适的带宽
整个行业对物联网的前景都心知肚明。为了实现这种前景，将来几年需要部署数百万计的传感器。绝大多数这些传感器都会被安装在操作不便或空间受限的位置（如屋顶、街灯顶部、塔桅、桥梁、重型机械内等），以实现智能城市、智能农业、智能楼宇等概念。由于存在诸如此类限制，很可能一大部分这些传感器需要采用无线通信和电池供电方式，也可能需要某种形式的能量采集方式。
物联网应用的趋势是尽量减少以无线方式传输至云端或本地服务器进行存储和分析的数据，因为现有方法需要很高的带宽并且成本较高。通过在传感器节点进行智能处理，可以把无用数据与有用数据区分开，减少传输大量数据的必要性，从而降低带宽和成本要求。这就要求传感器具备智能特性，同时还要维持超低的功耗水平。标准物联网信号链如图6所示。

图6. ADI公司的边缘传感器节点解决方案
在网关以外，ADI公司可为各个模块提供解决方案。请注意，并非所有解决方案都需要无线连接，对于众多应用来说，有线解决方案仍有必要，无论是RS-485接口，4 mA至20 mA，还是工业以太网等。
使节点具备一定的智能之后，就可以通过信号链只传输有用的数据——节省电能和带宽。在CBM中，在传感器节点局部完成的处理量取决于多个因素，如机器的成本和复杂性与状态监控系统的成本。传输的数据从简单的超范围报警到数据流不尽相同。ISO10816等标准规定了相应的报警条件，当给定尺寸的机器以特定RPM转速运行时，如果振动速度超过预设阈值，机器就会输出报警信号。ISO 10816的目的是优化被测系统及其滚动轴承的有效寿命，因此需要减少传输的数据量，从而为在WSN架构中的部署提供更好的支持。
对于用在ISO 10816应用中的加速度计，要求其g值范围为50 g或以下并在低频下保持低噪声，因为系统会周期性地把加速度数据整合起来，以形成以mm/sec rms为单位的单一速度点。当整合含有低频噪声的加速度计数据时，速度输出中的误差可能会线性增大。ISO标准规定的测量范围为1 Hz至1 kHz，但用户都希望整合低至0.1 Hz的数据。传统上，在电荷耦合压电加速度计中，这受到了低频高噪声水平的限制，但ADI下一代加速度计能使本底噪声最低保持在直流水平，只受信号调理电子器件1/f的噪声转折频率的限制，通过细心的设计可使该值降至0.01 Hz。MEMS加速度计既可以用在面向低成本设备的经济型CBM应用中，也可以整合到嵌入式解决方案之中，因为与压电传感器相比，它们的尺寸更小、成本更低。
ADI公司广泛的加速度计产品是要求超低功耗的智能传感器节点的理想选择，其中集成多种特性，有助于延长电池寿命、减少带宽用量并因此降低本。物联网传感器节点的部分关键指标有低功耗（ADXL362、ADXL363）和丰富的特性集合，以实现能量管理和特定数据检测，如过阈值活动、谱线轮廓报警、峰值加速值和超长活动或非活动（ADXL372、ADXL375）。
在把加速数据存储在FIFO中并检查是否存在活动事件时，所有这些加速度计都能使整个系统处于关断状态。发生冲击事件时，事件发生前收集的数据被冻结在FIFO中。如果没有FIFO，如果要在事件发生之前捕捉样本，就要求处理器连续采样并处理加速信号，结果会大幅缩短电池寿命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存储超过13秒的数据，因而能清楚展示活动触发之前发生的事件。不使用功率占空比，而是在所有数据速率下均采用全带宽架构，由此防止输入信号混叠，从而维持超低功耗。

王焕锁

2019-8-13 15:46:09

受到警告

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李傈吏

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薄坤坤

连伴叙

白旭蕊

王焕锁

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