為您的應(yīng)用選擇最合適的加速度計可能很困難，因為不同制造商的數(shù)據(jù)手冊可能有很大差異，導(dǎo)致對最關(guān)鍵規(guī)格的混淆。在本文的第 2 部分中，我們將重點介紹可穿戴設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵規(guī)格和功能。

可穿戴設(shè)備

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：低功耗、小尺寸、集成功能以增強節(jié)能和可用性。

電池供電、可穿戴應(yīng)用中使用的加速度計的關(guān)鍵規(guī)格是超低功耗，通常在μA范圍內(nèi)，以確保盡可能延長電池壽命。其他關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括尺寸和集成特性，例如備用ADC通道和深度FIFO，以幫助最終應(yīng)用中的電源管理和功能。由于這些原因，MEMS加速度計通常用于可穿戴應(yīng)用。表 1 按上下文顯示了一些生命體征監(jiān)測 （VSM） 應(yīng)用及其相應(yīng)的設(shè)置?？纱┐鲬?yīng)用中使用的加速度計通常對運動進行分類;提供自由落體檢測;測量是否存在運動，以提供系統(tǒng)開機、關(guān)機或睡眠;并幫助ECG和其他VSM測量的數(shù)據(jù)融合。相同的加速度計也用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，因為它們具有超低功耗。

在為超低功耗應(yīng)用選擇加速度計時，必須在數(shù)據(jù)手冊中所述的功耗水平下觀察傳感器的功能。要觀察的一個關(guān)鍵問題是，帶寬和采樣率是否降低到無法測量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。一些競爭對手的部件會自動關(guān)閉并每秒喚醒一次，以保持低功耗，并且由于有效采樣率降低，這樣做會錯過關(guān)鍵的加速度數(shù)據(jù)。為了測量實時人體運動的范圍，必須顯著增加功耗。ADXL362和ADXL363不會通過欠采樣來混疊輸入信號;它們以所有數(shù)據(jù)速率對傳感器的全帶寬進行采樣。功耗隨采樣速率動態(tài)變化，如圖1所示。值得注意的是，這些器件可以采樣高達400 Hz的電流，電流消耗僅為3 μA。這些更高的數(shù)據(jù)速率可在可穿戴設(shè)備接口中實現(xiàn)額外的功能，例如點擊/雙擊檢測。采樣速率可以降低到6 Hz，以允許器件在拾取或檢測到運動時啟動，平均電流消耗為270 nA。這也使得ADXL362和ADXL363對于電池不易更換的植入式應(yīng)用具有吸引力。

圖1.ADXL362電源電流與輸出數(shù)據(jù)速率的關(guān)系。

在某些應(yīng)用中，加速度計每秒只需輪詢一次或幾次加速度就足夠了。對于這些應(yīng)用，ADXL362和ADXL363提供僅消耗270 nA的喚醒模式。ADXL363集成了3軸MEMS加速度計、溫度傳感器（典型比例因子為0.065°C）和板載ADC輸入，用于在3 mm×3.25 mm×1.06 mm小型封裝中同步轉(zhuǎn)換外部信號。加速度和溫度數(shù)據(jù)可以存儲在 512 個樣本的多模 FIFO 緩沖器中，允許存儲長達 13 秒的數(shù)據(jù)。

ADI公司開發(fā)了一款VSM手表，僅用于演示目的，如圖2所示，以展示ADXL362等超低功耗器件在電池和空間受限應(yīng)用中的功能。

圖2.VSM手表集成了一系列ADI公司的器件，突出了超低功耗、小型、輕量化產(chǎn)品。

ADXL362用于跟蹤運動和輪廓運動，以幫助消除其他測量中不需要的偽影。

狀態(tài)監(jiān)控 （CBM）

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：低噪聲、寬帶寬、信號處理、g范圍和低功耗。

煤層氣涉及監(jiān)測機械振動等參數(shù)，目的是識別和指示故障的潛在發(fā)生。CBM是預(yù)測性維護的主要組成部分，其技術(shù)通常用于旋轉(zhuǎn)機械，如渦輪機，風(fēng)扇，泵和電機。CBM加速度計的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是低噪聲和寬帶寬。在撰寫本文時，很少有競爭對手提供帶寬高于3.3 kHz的MEMS加速度計，一些專業(yè)制造商提供高達7 kHz的帶寬。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們強調(diào)減少布線和利用無線、超低功耗技術(shù)。這使得MEMS加速度計在尺寸、重量、功耗和集成智能功能的潛力方面領(lǐng)先于壓電加速度計。CBM最常用的傳感器是壓電加速度計，因為它們具有良好的線性度、信噪比、高溫工作，并且典型帶寬為3 Hz至30 kHz，在某些情況下高達數(shù)百kHz。然而，壓電加速度計在直流附近性能較差，如圖3所示，在低至直流的頻率下會發(fā)生相當(dāng)多的故障，特別是在風(fēng)力渦輪機和類似的低RPM應(yīng)用中。壓電傳感器由于其機械性質(zhì)而無法像MEMS那樣擴展到大批量生產(chǎn)，并且在接口和電源方面也更昂貴且通用性較差。

MEMS電容式加速度計在自檢、峰值加速度、頻譜報警等功能方面具有更高的集成度和功能;FFT 和數(shù)據(jù)存儲，抗沖擊能力高達 10000 g，具有直流響應(yīng)，體積更小、更輕。ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357因其超低噪聲和溫度穩(wěn)定性而非常適合狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，但最終其帶寬使其無法執(zhí)行更深入的診斷分析。然而，即使在有限的帶寬范圍內(nèi)，這些加速度計也可以提供重要的測量;例如，在風(fēng)力渦輪機狀態(tài)監(jiān)測中，設(shè)備以非常低的速度旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，需要低至直流的響應(yīng)。

圖3.旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障振動偽影。

新型ADXL100x系列單軸加速度計針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測進行了優(yōu)化，提供高達50 kHz的寬測量帶寬、高達±100 g的g范圍和超低噪聲性能，在性能方面與壓電加速度計不相上下。有關(guān)ADI公司MEMS電容式加速度計與壓電加速度計的更詳細討論，請參見本文：MEMS加速度計性能成熟。

ADXL1001/ADXL1002的頻率響應(yīng)如圖4所示。旋轉(zhuǎn)機械中發(fā)生的大多數(shù)故障，如套筒軸承損壞、不對中、不平衡、摩擦、松動、齒輪故障、軸承磨損和氣蝕，都發(fā)生在ADXL100x系列狀態(tài)監(jiān)測加速度計的測量范圍內(nèi)。

圖4.ADXL1001/ADXL1002的頻率響應(yīng)，高頻（>5 kHz）振動響應(yīng);激光測振儀控制器參考用于精度的ADXL1002封裝。

壓電加速度計通常不集成智能功能，而ADXL100x系列等MEMS電容式加速度計提供內(nèi)置超量程檢測電路，該電路提供警報，指示發(fā)生大于指定g范圍約2×的重大超量程事件。這是開發(fā)智能測量和監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。ADXL100x對內(nèi)部時鐘進行一些智能禁用，以便在連續(xù)超量程事件（例如電機發(fā)生故障時發(fā)生的超量程事件）期間保護傳感器元件。這減輕了主機處理器的負擔(dān)，并可以為傳感器節(jié)點增加智能，這兩者都是狀態(tài)監(jiān)控和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

MEMS電容式加速度計在性能方面取得了巨大的飛躍，以至于新的ADXL100x系列正在競爭并贏得以前由壓電傳感器主導(dǎo)的插座。ADXL35x系列提供業(yè)界最佳的超低噪聲性能，還可取代CBM應(yīng)用中的傳感器。CBM的新解決方案和方法正在與物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)融合到更好的傳感、連接、存儲和分析系統(tǒng)中。ADI公司最新的加速度計可在邊緣節(jié)點實現(xiàn)更智能的監(jiān)控，幫助工廠管理人員實現(xiàn)完全集成的振動監(jiān)測和分析系統(tǒng)。

CBM、ADIS16227和ADIS16228的第一代子系統(tǒng)是全集成的寬帶寬振動分析系統(tǒng)，如圖5所示，具有六個頻譜帶的可編程報警、用于警告和故障定義的2級設(shè)置、可調(diào)節(jié)的響應(yīng)延遲以減少誤報等功能。 以及帶有狀態(tài)標(biāo)志的內(nèi)部自檢。頻域處理包括每個軸的 512 點實值 FFT，以及 FFT 平均，可減少本底噪聲變化以獲得更精細的分辨率。ADIS16227和ADIS16228完全集成的振動分析系統(tǒng)可以縮短設(shè)計時間，降低成本，最大限度地降低處理器要求，并減少空間限制，使其成為CBM應(yīng)用的理想選擇。

圖5.具有FFT分析和存儲功能的數(shù)字三軸振動傳感器。

物聯(lián)網(wǎng)/無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：功耗、允許智能節(jié)能和測量的集成功能、小尺寸、深度FIFO和合適的帶寬。

物聯(lián)網(wǎng)的前景在整個行業(yè)中都得到了很好的理解。為了實現(xiàn)這一承諾，未來幾年必須部署數(shù)百萬個傳感器。這些傳感器中的絕大多數(shù)將被放置在難以接近或空間受限的位置，如屋頂、路燈頂部、塔桅桿、橋梁、重型機械內(nèi)部等，從而實現(xiàn)智能城市、智能農(nóng)業(yè)、智能建筑等概念。由于這些限制，這些傳感器中很大一部分可能需要無線通信，以及電池供電，也許還需要某種形式的能量收集。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的趨勢是盡量減少無線傳輸?shù)皆苹虮镜胤?wù)器進行存儲和分析的數(shù)據(jù)，因為現(xiàn)有方法使用多余的帶寬并且價格昂貴。傳感器節(jié)點的智能處理可以區(qū)分無用數(shù)據(jù)和無用數(shù)據(jù)，最大限度地減少傳輸大量數(shù)據(jù)的要求，從而降低帶寬和成本。這就要求傳感器在保持超低功耗的同時包含智能功能。標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)信號鏈如圖6所示。ADI公司為網(wǎng)關(guān)以外的所有模塊提供解決方案。請注意，并非所有解決方案都需要無線連接，對于大量應(yīng)用，仍然需要有線解決方案，無論是RS-485，4 mA至20 mA還是工業(yè)以太網(wǎng)等。

通過在節(jié)點上具有一些智能，可以僅沿信號鏈傳輸有用的數(shù)據(jù)，從而節(jié)省功耗和帶寬。在CBM中，在傳感器節(jié)點本地完成的處理量將取決于幾個因素，例如機器的成本和復(fù)雜性與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的成本。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)范圍從簡單的超出范圍警報到數(shù)據(jù)流。ISO 10816等標(biāo)準(zhǔn)用于指定以特定RPM速率運行的給定尺寸機器的警告條件，并在振動速度超過預(yù)設(shè)閾值時輸出警報信號。ISO 10816旨在優(yōu)化被測系統(tǒng)及其滾動軸承的使用壽命，從而最大限度地減少傳輸數(shù)據(jù)量，從而更好地支持WSN架構(gòu)中的部署。

ISO 10816應(yīng)用中使用的加速度計的要求是g范圍為50 g或更小，低頻噪聲低，因為加速度數(shù)據(jù)會定期集成以獲得以mm/sec rms為單位的單個速度點。當(dāng)集成包含低頻噪聲的加速度計數(shù)據(jù)時，速度輸出中的誤差會線性增加。ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 1 Hz 至 1 kHz 的測量范圍，但用戶希望集成低至 0.1 Hz。 傳統(tǒng)上，這受到電荷耦合壓電加速度計低頻高噪聲的限制，但ADI公司的下一代加速度計將本底噪聲保持在直流，僅受信號調(diào)理電子設(shè)備的1/f噪聲角的限制，小心后可以將其降至0.01 Hz設(shè)計。MEMS加速度計可用于低成本設(shè)備的經(jīng)濟型CBM應(yīng)用，或者由于與壓電傳感器相比，MEMS加速度計的尺寸更小，成本更低，因此可以集成到嵌入式解決方案中。

圖6.ADI公司提供的邊緣傳感器節(jié)點解決方案。

ADI公司提供各種加速度計，非常適合用于需要超低功耗的智能傳感器節(jié)點，包括盡可能多的功能，以延長電池壽命，幫助減少帶寬使用，從而降低成本。物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點的一些關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是低功耗（ADXL362、ADXL363），并具有豐富的功能集，允許能量管理和檢測特定數(shù)據(jù)，如超閾值活動、頻譜分布報警、峰值加速度值以及長時間活動或不活動（ADXL372、ADXL375）。

所有這些加速度計都可以保持整個系統(tǒng)斷電，同時將加速度數(shù)據(jù)存儲在FIFO中并查找活動事件。發(fā)生影響事件時，在事件發(fā)生之前收集的數(shù)據(jù)將凍結(jié)在 FIFO 中。如果沒有FIFO，在事件發(fā)生之前捕獲樣本將需要處理器對加速信號進行連續(xù)采樣和處理，這會顯著縮短電池壽命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存儲超過13秒的數(shù)據(jù)，在活動觸發(fā)之前提供清晰的事件圖像。通過不使用功率占空比，而是在所有數(shù)據(jù)速率下采用全帶寬架構(gòu)，防止輸入信號混疊，從而保持超低功耗。

資產(chǎn)運行狀況監(jiān)控

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：功耗、允許智能節(jié)能和測量的集成功能、小尺寸、深度FIFO和合適的帶寬。

資產(chǎn)運行狀況監(jiān)視 （AHM） 通常涉及在一段時間內(nèi)監(jiān)視高價值資產(chǎn)，無論是靜態(tài)資產(chǎn)還是傳輸中資產(chǎn)。這些資產(chǎn)可能是集裝箱內(nèi)的貨物、偏遠管道、平民、士兵、高密度電池等，容易受到?jīng)_擊或沖擊事件的影響。物聯(lián)網(wǎng)為報告可能影響資產(chǎn)功能或安全性的此類事件提供了理想的基礎(chǔ)設(shè)施。用于AHM的傳感器的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是能夠在功耗非常低的情況下測量與資產(chǎn)相關(guān)的高g沖擊和沖擊事件。在電池供電或便攜式應(yīng)用中嵌入此類傳感器時，需要考慮的其他關(guān)鍵傳感器規(guī)格包括尺寸、過采樣和抗混疊功能，以精確處理高頻內(nèi)容，以及智能功能，通過最大限度地延長主機處理器休眠時間來延長電池壽命，并允許使用中斷驅(qū)動算法來檢測和捕獲沖擊曲線。

ADXL372微功耗、±200 g MEMS加速度計面向智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的新興資產(chǎn)健康市場空間。該器件包含專為AHM市場開發(fā)的幾個獨特功能，以簡化系統(tǒng)設(shè)計并提供系統(tǒng)級節(jié)能。沖擊或沖擊等高g事件通常與寬頻率范圍內(nèi)的加速度含量密切相關(guān)。準(zhǔn)確捕獲這些事件需要寬帶寬，因為帶寬不足的測量將有效地降低記錄事件的震級，從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確。這是數(shù)據(jù)手冊中要觀察的關(guān)鍵參數(shù)。某些部件不滿足奈奎斯特采樣率標(biāo)準(zhǔn)。ADXL375和ADXL372提供捕獲整個沖擊曲線的選項，無需主機處理器干預(yù)即可進一步分析。這是通過將沖擊中斷寄存器與加速度計的內(nèi)部FIFO結(jié)合使用來實現(xiàn)的。圖7顯示了擁有足夠的FIFO對于在觸發(fā)事件之前確定整個沖擊曲線的重要性。由于FIFO不足，將無法記錄和維護沖擊事件以供進一步分析。

圖7.準(zhǔn)確捕獲沖擊剖面。

ADXL372可在極低的功耗水平下以高達3200 Hz的帶寬工作。陡峭的濾波器滾降也有助于有效抑制帶外內(nèi)容，為此，ADXL372集成了一個四極點低通抗混疊濾波器。如果沒有抗混疊濾波，任何頻率超過輸出數(shù)據(jù)速率/2的輸入信號都可能折疊到目標(biāo)測量帶寬中，從而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。這款四極點低通濾波器具有用戶可選的濾波器帶寬，可在用戶應(yīng)用中實現(xiàn)最大的靈活性。

瞬時沖擊檢測功能允許用戶將ADXL372配置為在超低功耗模式下捕獲超過特定閾值的沖擊事件。如圖8所示，發(fā)生撞擊事件后，加速度計進入全測量模式，以便準(zhǔn)確捕獲沖擊曲線。

圖8.使用默認閾值的瞬開模式。

一些應(yīng)用要求僅記錄撞擊事件的峰值加速度樣本，因為僅此一項就可以提供足夠的信息。ADXL372 FIFO能夠存儲每個軸的峰值加速度樣本。FIFO中可以存儲的最長時間為1.28秒（512個單軸樣本，ODR為400 Hz）。3200 Hz ODR 下的 170× 3 軸采樣對應(yīng)于 50 ms 的時間窗口，足以捕獲典型的沖擊波形。不需要完整事件配置文件的應(yīng)用可以通過僅存儲峰值加速度信息來大大增加FIFO讀取之間的時間，從而進一步節(jié)省功耗。512 FIFO樣品可以通過多種方式分配，包括：

170 個并發(fā) 3 軸數(shù)據(jù)樣本集

256 個并發(fā) 2 軸數(shù)據(jù)樣本集（用戶可選）

512 個單軸數(shù)據(jù)樣本集

170組沖擊事件峰值（x，y，z）

正確使用 FIFO 可使主機處理器在加速度計自主收集數(shù)據(jù)時長時間休眠，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級節(jié)能?；蛘?，使用 FIFO 收集數(shù)據(jù)可以在主機處理器傾向于執(zhí)行其他任務(wù)時減輕主機處理器的負擔(dān)。

市場上還有其他幾種具有類似高g性能的加速度計，但由于帶寬窄，功耗較高，它們不適合AHM/SHM物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點應(yīng)用。在提供低功耗模式的情況下，通常在較低帶寬下無法進行準(zhǔn)確測量。ADXL372真正為AHM/SHM創(chuàng)造了一種一勞永逸的方法，使最終客戶重新考慮可行的潛在資產(chǎn)類別。

結(jié)論

ADI公司提供極其廣泛的加速度計，適合多種應(yīng)用，其中一些應(yīng)用未在本文中重點介紹，如航位推算、AHRS、慣性測量、汽車穩(wěn)定和安全以及醫(yī)療對準(zhǔn)。我們的下一代MEMS電容式加速度計非常適合要求低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定性和溫度性能的應(yīng)用;最低補償;以及集成的智能功能，可提高整體系統(tǒng)性能并降低設(shè)計復(fù)雜性。ADI公司提供所有相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊信息，幫助您選擇最適合您應(yīng)用的器件。上面列出的所有器件以及更多器件都可用于評估和原型設(shè)計。

審核編輯：郭婷