表1. VSM可穿戴應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)要求

 

在為超低功耗應(yīng)用選擇加速度計(jì)時(shí)，必須在數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)稱的功耗水平下觀察傳感器的功能。要觀察的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是帶寬和采樣速率是否會(huì)降至無(wú)法測(cè)量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。有些競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品通過(guò)每秒關(guān)斷并喚醒的方式達(dá)到維持低功耗的目的，但這樣做會(huì)錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵的加速度數(shù)據(jù)，因?yàn)橛行Р蓸铀俾氏陆盗?。為了測(cè)量實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)的范圍，需要大幅提高功耗。ADXL362 和 ADXL363 不會(huì)通過(guò)欠采樣混疊輸入信號(hào)；它們采用全數(shù)據(jù)速率對(duì)傳感器的整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣。功耗隨采樣速率動(dòng)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(jìn)行采樣。在可穿戴設(shè)備中，這些較高的數(shù)據(jù)速率可實(shí)現(xiàn)額外的功能，如單擊/雙擊檢測(cè)。采樣速率可降至6 Hz，以便在被拾起時(shí)或者檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)設(shè)備能啟動(dòng)，此時(shí)的平均功耗為270 nA。這也使ADXL362和ADXL363非常適合植入式應(yīng)用，因?yàn)樵谶@種應(yīng)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(guān)系。

 

在部分應(yīng)用中，加速度計(jì)每秒只需輪詢一次或幾次加速度即可。對(duì)于此類應(yīng)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(gè)三軸MEMS加速度計(jì)、一個(gè)溫度傳感器（典型比例因子為0.065°C）和一個(gè)板載ADC輸入（用于同步轉(zhuǎn)換外部信號(hào)），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(chǔ)在512樣本多模FIFO緩沖器中，允許保存的數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)高達(dá)13秒。

 

ADI公司開(kāi)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(yīng)用中的潛力。

 

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

 

ADXL362用于追蹤運(yùn)動(dòng)和記錄運(yùn)動(dòng)，幫助從其他測(cè)量結(jié)果中消除干擾偽像。

 

 

關(guān)鍵指標(biāo)：低噪聲、寬帶寬、信號(hào)處理、g范圍和低功耗。

 

CBM需要監(jiān)控多項(xiàng)參數(shù)，比如機(jī)器振動(dòng)，其目的是發(fā)現(xiàn)和指示可能發(fā)生的故障。CBM是預(yù)防性維護(hù)的一個(gè)重要組成部分，其技術(shù)通常用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵、電機(jī)等機(jī)械。CBM加速度計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)是低噪聲和寬帶寬。在撰寫本文之時(shí)，提供3.3 kHz以上帶寬的MEMS加速度計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)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(lái)越重視減少布線和利用無(wú)線、超低功耗技術(shù)。這使得MEMS加速度計(jì)在尺寸、重量、功耗等方面領(lǐng)先于壓電加速度計(jì)，并且有可能實(shí)現(xiàn)集成智能特性。CBM中最常用的傳感器是壓電加速度計(jì)，因?yàn)檫@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(dá)數(shù)百kHz）。然而，壓電加速度計(jì)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(huì)出現(xiàn)大量故障，尤其是在風(fēng)力渦輪機(jī)和類似的低RPM應(yīng)用中。壓電傳感器的機(jī)械性質(zhì)使其難以像MEMS一樣實(shí)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(jì)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(bào)警、FFT和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，抗沖擊性能高達(dá)10000 g，具有直流響應(yīng)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(yīng)用，但其帶寬限制使其無(wú)法進(jìn)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(jì)也能提供重要的測(cè)量值；例如，在設(shè)備轉(zhuǎn)速超低的風(fēng)力渦輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)控中。這種情況下，需要低至直流的響應(yīng)。

 

圖3. 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障振動(dòng)偽像。

 

ADXL100x系列單軸加速度計(jì)針對(duì)工業(yè)狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用而優(yōu)化，測(cè)量帶寬高達(dá)50 kHz，g值范圍高達(dá)±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(jì)不相上下。有關(guān)ADI MEMS電容式加速度計(jì)與壓電加速度計(jì)的詳細(xì)討論請(qǐng)參閱以下文章：MEMS加速度計(jì)性能已臻成熟。

 

ADXL1001/ADXL1002的頻率響應(yīng)如圖4所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)械中發(fā)生的主要故障（如套筒軸承損壞、對(duì)準(zhǔn)誤差、不平衡、摩擦、松動(dòng)、傳動(dòng)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(jì)的測(cè)量范圍以內(nèi)。

 

圖4. ADXL1001/ADXL1002的頻率響應(yīng)、高頻(>5 kHz)振動(dòng)響應(yīng)；激光振動(dòng)計(jì)控制器以ADXL1002封裝為基準(zhǔn)以提高準(zhǔn)確性。

 

壓電加速度計(jì)通常不集成智能特性，而MEMS電容式加速度計(jì)（如ADXL100x系列）則集成了超量程檢測(cè)電路，當(dāng)發(fā)生超過(guò)指定g值范圍約2倍的嚴(yán)重超量程事件時(shí)，該電路可報(bào)警。在智能測(cè)量和監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，這項(xiàng)功能非常關(guān)鍵。ADXL100x運(yùn)用某種內(nèi)部時(shí)鐘智能禁用機(jī)制來(lái)在持續(xù)發(fā)生超量程事件時(shí)保護(hù)傳感器元件，比如，電機(jī)發(fā)生故障時(shí)就會(huì)出現(xiàn)情況。這種方式可以減輕主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)，并能增加一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的智能化程度——這兩項(xiàng)都是狀態(tài)監(jiān)控和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的關(guān)鍵指標(biāo)。

 

MEMS電容式加速度計(jì)在性能上已經(jīng)取得巨大飛躍，因此，新的ADXL100x系列已經(jīng)開(kāi)始強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)并奪得以前由壓電傳感器主導(dǎo)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(yīng)用中的傳感器。新型CBM解決方案和模式已經(jīng)開(kāi)始與物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)相融合，形成更好的檢測(cè)、連接及存儲(chǔ)與分析系統(tǒng)。ADI公司的最新加速度計(jì)將為邊緣節(jié)點(diǎn)帶來(lái)更加智能的監(jiān)控，幫助工廠管理方實(shí)現(xiàn)完全集成的振動(dòng)監(jiān)控和分析系統(tǒng)。

 

對(duì)這些MEMS加速度計(jì)形成進(jìn)一步補(bǔ)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(dòng)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(bào)警、2級(jí)報(bào)警和故障定義設(shè)置、旨在減少誤報(bào)的可調(diào)響應(yīng)延遲、帶狀態(tài)標(biāo)志的內(nèi)部自檢等。頻域處理包括針對(duì)各軸的512點(diǎn)、實(shí)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(dòng)分析系統(tǒng)可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低成本，降低處理器要求，減少空間限制，使其成為CBM應(yīng)用的理想選擇。

 

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

 

 

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

 

整個(gè)行業(yè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的前景都心知肚明。為了實(shí)現(xiàn)這種前景，將來(lái)幾年需要部署數(shù)百萬(wàn)計(jì)的傳感器。絕大多數(shù)這些傳感器都會(huì)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(jī)械內(nèi)等），以實(shí)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(wú)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(yīng)用的趨勢(shì)是盡量減少以無(wú)線方式傳輸至云端或本地服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和分析的數(shù)據(jù)，因?yàn)楝F(xiàn)有方法需要很高的帶寬并且成本較高。通過(guò)在傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能處理，可以把無(wú)用數(shù)據(jù)與有用數(shù)據(jù)區(qū)分開(kāi)，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(shí)還要維持超低的功耗水平。標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)鏈如圖6所示。在網(wǎng)關(guān)以外，ADI公司可為各個(gè)模塊提供解決方案。請(qǐng)注意，并非所有解決方案都需要無(wú)線連接，對(duì)于眾多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有線解決方案仍有必要，無(wú)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(diǎn)具備一定的智能之后，就可以通過(guò)信號(hào)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(diǎn)局部完成的處理量取決于多個(gè)因素，如機(jī)器的成本和復(fù)雜性與狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的成本。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從簡(jiǎn)單的超范圍報(bào)警到數(shù)據(jù)流不盡相同。ISO10816等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)的報(bào)警條件，當(dāng)給定尺寸的機(jī)器以特定RPM轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，如果振動(dòng)速度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，機(jī)器就會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)。ISO 10816的目的是優(yōu)化被測(cè)系統(tǒng)及其滾動(dòng)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。

 

對(duì)于用在ISO 10816應(yīng)用中的加速度計(jì)，要求其g值范圍為50g或以下并在低頻下保持低噪聲，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)周期性地把加速度數(shù)據(jù)整合起來(lái)，以形成以mm/sec rms為單位的單一速度點(diǎn)。當(dāng)整合含有低頻噪聲的加速度計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，速度輸出中的誤差可能會(huì)線性增大。ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)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(jì)中，這受到了低頻高噪聲水平的限制，但ADI下一代加速度計(jì)能使本底噪聲最低保持在直流水平，只受信號(hào)調(diào)理電子器件1/f的噪聲轉(zhuǎn)折頻率的限制，通過(guò)細(xì)心的設(shè)計(jì)可使該值降至0.01 Hz。MEMS加速度計(jì)既可以用在面向低成本設(shè)備的經(jīng)濟(jì)型CBM應(yīng)用中，也可以整合到嵌入式解決方案之中，因?yàn)榕c壓電傳感器相比，它們的尺寸更小、成本更低。

 

圖6. ADI公司的邊緣傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案。

 

ADI公司廣泛的加速度計(jì)產(chǎn)品是要求超低功耗的智能傳感器節(jié)點(diǎn)的理想選擇，其中集成多種特性，有助于延長(zhǎng)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(diǎn)的部分關(guān)鍵指標(biāo)有低功耗（ADXL362、ADXL363）和豐富的特性集合，以實(shí)現(xiàn)能量管理和特定數(shù)據(jù)檢測(cè)，如過(guò)閾值活動(dòng)、譜線輪廓報(bào)警、峰值加速值和超長(zhǎng)活動(dòng)或非活動(dòng)（ADXL372、ADXL375）。

 

在把加速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FIFO中并檢查是否存在活動(dòng)事件時(shí)，所有這些加速度計(jì)都能使整個(gè)系統(tǒng)處于關(guān)斷狀態(tài)。發(fā)生沖擊事件時(shí)，事件發(fā)生前收集的數(shù)據(jù)被凍結(jié)在FIFO中。如果沒(méi)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(hào)，結(jié)果會(huì)大幅縮短電池壽命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存儲(chǔ)超過(guò)13秒的數(shù)據(jù)，因而能清楚展示活動(dòng)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(hào)混疊，從而維持超低功耗。

 

 

關(guān)鍵指標(biāo)：功耗、支持智能節(jié)能和測(cè)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(shí)間內(nèi)對(duì)高價(jià)值資產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，無(wú)論是在靜止?fàn)顟B(tài)或還是在運(yùn)輸途中。這些資產(chǎn)可能是船運(yùn)集裝箱里的貨物、遠(yuǎn)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(duì)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(bào)告基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于AHM中使用的傳感器，關(guān)鍵指標(biāo)是能測(cè)量與資產(chǎn)相關(guān)的高g 沖擊及沖擊事件并同時(shí)保持超低功耗。當(dāng)把這類傳感器嵌入電池供電或便攜式應(yīng)用中時(shí)，要考慮的其他關(guān)鍵傳感器指標(biāo)包括尺寸、過(guò)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(guò)增加主機(jī)處理器休眠時(shí)間并允許用中斷驅(qū)動(dòng)算法檢測(cè)和捕獲沖擊特性延長(zhǎng)電池壽命。

 

ADXL372微功耗型±200 g MEMS加速度計(jì)可滿足新興資產(chǎn)狀況監(jiān)控市場(chǎng)對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)的需求。該器件含有專門針對(duì)資產(chǎn)狀況監(jiān)控市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的多項(xiàng)獨(dú)有特性，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在系統(tǒng)層次實(shí)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(guān)。要準(zhǔn)確捕獲這些事件，需要寬帶寬，因?yàn)樵趲挷蛔愕臈l件下進(jìn)行測(cè)量會(huì)顯著降低記錄事件的幅度，導(dǎo)致錯(cuò)誤。在數(shù)據(jù)手冊(cè)中這是要特別注意的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。有些器件達(dá)不到奈奎斯特采樣速率標(biāo)準(zhǔn)的要求。ADXL375和ADXL372提供捕獲整個(gè)沖擊特性的選項(xiàng)，可用于進(jìn)一步分析而無(wú)需主機(jī)處理器干預(yù)。使用沖擊中斷寄存器并結(jié)合加速度計(jì)的內(nèi)部FIFO，可實(shí)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(wú)法記錄和維持沖擊事件以供進(jìn)一步分析。

 

圖7. 準(zhǔn)確捕獲沖擊特性。

 

ADXL372的工作帶寬可在超低功耗水平下達(dá)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(gè)四極低通抗混疊濾波器。如果沒(méi)有抗混疊濾波，凡是頻率超過(guò)輸出數(shù)據(jù)速率一半的輸入信號(hào)都會(huì)混疊進(jìn)目標(biāo)測(cè)量帶寬，導(dǎo)致測(cè)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(yīng)用帶來(lái)極大的靈活性。

 

借助即時(shí)導(dǎo)通沖擊檢測(cè)特性，用戶可以對(duì)ADXL372進(jìn)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(jì)會(huì)進(jìn)入全測(cè)量模式，以便準(zhǔn)確地捕獲沖擊特性。

 

圖8. 默認(rèn)閾值下的即時(shí)導(dǎo)通模式。

 

有些應(yīng)用要求只記錄來(lái)自沖擊事件的峰值加速樣本，因?yàn)榇祟悩颖颈旧砭湍芴峁┏渥愕男畔?。ADXL372 FIFO可以為每個(gè)軸存儲(chǔ)峰值加速樣本。FIFO中可以存儲(chǔ)的最長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)為1.28秒（400 Hz ODR條件下，512個(gè)單軸樣本）。3200 Hz ODR條件下的170個(gè)3軸樣本相當(dāng)于一個(gè)50 ms的時(shí)間窗口，足以捕獲到典型的沖擊波形。對(duì)于不要求完整事件特性的應(yīng)用，通過(guò)只存儲(chǔ)峰值加速信息，可以大幅增加FIFO讀取操作之間的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。512個(gè)FIFO樣本可以通過(guò)多種方式分配，包括下列方式：

 

 

適當(dāng)使用FIFO，使主機(jī)處理器能在加速度計(jì)自主收集數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間保持休眠，可以降低系統(tǒng)級(jí)功耗。或者，使用FIFO收集數(shù)據(jù)可以減輕主機(jī)處理器的負(fù)荷，使它能處理其他任務(wù)。

 

市場(chǎng)上還有其他幾款具有類似高g性能的加速度計(jì)，但它們不適合AHM/SHM物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊膸捿^窄，功耗較高。在提供低功耗模式的情況下，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的一般都是低帶寬。ADXL372真正實(shí)現(xiàn)了即用即忘的AHM/SHM實(shí)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。

 

 

ADI公司提供面向多種應(yīng)用的廣泛加速度計(jì)產(chǎn)品，其中有些產(chǎn)品未在本文中重點(diǎn)討論，比如航位推算、AHRS、慣性測(cè)量、汽車穩(wěn)定和安全、醫(yī)療對(duì)準(zhǔn)等。我們的新一代MEMS電容式加速度計(jì)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(yīng)用；具有低補(bǔ)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(shè)計(jì)復(fù)雜度。ADI公司提供所有相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)信息，旨在幫助您為您的應(yīng)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(píng)估和原型制作使用。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：analog.com/MEMS 。

 

 

Broeders, Jan-Hein. “從可穿戴設(shè)備過(guò)渡到醫(yī)療設(shè)備，”ADI公司，2017年。

 

Scannel, Bob. “嵌入式智能和通信可實(shí)現(xiàn)可靠且連續(xù)的振動(dòng)監(jiān)控，”ADI公司，2015年。

 

Spence, Ed. “關(guān)于狀態(tài)監(jiān)控的MEMS加速度計(jì)您需要知道哪些，”ADI公司，2016年。