数据分析—新一代 MEMS加速度计

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。

 

 

图1.ADXL362电源电流与输出数据速率的关系

 

 

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）

 

 

图3.转动设备故障振动伪像

 

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

 

图5.数字三轴振动传感器，集成FFT分析和存储系统

 

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。

 

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°F）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。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。

 

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。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。

 

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电路，当发生超过指定g值范围约2倍的严重超量程事件时，该电路可报警。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。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。

 

结论

 

ADI公司提供面向多种应用的广泛加速度计产品，比如航位推算、AHRS、惯性测量、汽车稳定和安全、医疗对准等。其新一代MEMS电容式加速度计非常适合要求低噪声、低功耗、高稳定性和温度稳定性的应用；具有低补偿的特性，并且集成众多智能特性，可提升系统整体性能并降低设计复杂度。

 

	Pedometer 计步器	Fall 跌落	Optical Heart Rate 光学心率	Tap (SW) 单击(SW)	Sleep 休睡	Motion Switch 运动开关	ECG	ADXL362/ ADXL363
g Setting g 设置	2 g 2 g	8 g 8 g	4 g or 8 g 4 g 或 8 g	8 g 8 g	2 g 2 g	2 g 2 g	4 g to 8 g 4 g 至 8 g	2 g to 8 g 2 g 至 8 g
ODR (Hz)	100	400	<50	400	12.5	6	<100	400
Power Consumption 功耗	1.8 μA 1.8 μA	3 μA 3 μA		3 μA 3 μA	1.5 μA 1.5 μA	0.3 μA 0.3 μA		10 nA to 3 μA 10 nA 至 3 μA
FIFO (Sample Sets or Time) FIFO（样本集或时间）	150	Deeper is better 越深越好	1 sec 1秒	Deeper is better 越深越好	20	No 否	1 sec 1秒	512 sec or 13 sec 512秒或13秒
ADC	No 否	No 否	Yes 是	No 否	No 否	No 否	Yes 是	No/yes 否/是
Noise (mg/√Hz) 噪声(mg/√Hz)	<1	<1	<1	<1	<1	<1	<1	175 μg to 500 μg 175 μg 至 500 μg
Data Collection 数据采集	24/7	24/7	Sporadic 随机	24/7	On motion 检测到运动时		Continuous during exercise 练习过程中连续	All 全部
Required Feature 必要特性	RSS, 8-bit RSS、8位	Trigger mode FIFO 触发模式 FIFO		Trigger mode FIFO 触发模式 FIFO	Low noise 低噪声	MCU off MCU关		All except RSS 全部（RSS除外）