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如何选择传感器?万字技巧指南为您解答

2022/2/11    来源:亚德诺半导体    作者:亚德诺半导体ADI      
关键字:传感器  MEMS  
如何熟知MEMS加速度计关键参数和特性,并又快又好地为可穿戴设备、结构健康监控(SHM)、资产健康监控(AHM)、生命体征监测(VSM)和物联网应用等选择最合适的加速度计,欢迎阅读本文学习。
       如何选择MEMS加速度计?

    作为电子设备中获取外部信息的“器官”,传感器始终发挥着重要的作用,而需要测量加速度、倾斜、振动或冲击等信息的话,MEMS加速度计必不可少——并适用于从可穿戴健身装置到工业平台稳定系统的广泛应用。

   市场上有成百上千的加速度计器件可供选择,其成本和性能各不相同,不同的应用场合中需要的加速度计也不一样。如何熟知MEMS加速度计关键参数和特性,并又快又好地为可穿戴设备、结构健康监控(SHM)、资产健康监控(AHM)、生命体征监测(VSM)和物联网应用等选择最合适的加速度计,欢迎阅读本文学习。

       PRAT 1:熟知MEMS性能

   尚无行业标准界定加速度计属于何种类别。加速度计的一般分类及相应的应用如表1所示。所示的带宽和g值范围是加速度计用在所列终端应用中的典型值。

加速度计等级和典型应用领域

表1.加速度计等级和典型应用领域

    图1显示了各种MEMS加速度计的快照,并依据特定应用的主要性能指标和智能/集成水平将各传感器归类。本文的一个重要关注对象是基于增强型MEMS结构和信号处理的新一代加速度计以及世界一流的封装技术,其稳定性和噪声性能可与更昂贵的专门器件相媲美,而功耗更低。这些特性及加速度计的其他关键规格将在下文依据应用相关性加以详细讨论。

ADI精选MEMS加速度计的应用版图

图1.ADI精选MEMS加速度计的应用版图

       倾斜检测

    主要标准:偏置稳定度、失调温漂、低噪声、可重复性、振动校正、跨轴灵敏度。

    对MEMS电容式加速度计而言,精确的倾斜检测是一种要求颇高的应用,尤其是在有振动的情况下。在动态环境中利用MEMS电容式加速度计实现0.1°的倾斜精度非常困难——<1°很困难,>1°较易实现。为使加速度计有效测量倾斜度,必须对传感器性能和终端应用环境有很好的了解。相比于动态环境,静态环境对倾斜测量更加有利,因为振动或冲击可能会破坏倾斜数据,引起严重测量误差。倾斜测量的最重要特性有温度系数失调、迟滞、低噪声、短期/长期稳定性、可重复性和良好的振动校正。

    0g偏置精度、焊接引起的0g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0g偏置漂移、0g偏置温度系数、灵敏准确度和温度系数、非线性度以及跨轴灵敏度等误差,是可以观测到的,并且可以通过装配后校准流程加以降低。迟滞、使用寿命期间的0g偏置漂移、使用寿命期间的灵敏度漂移、潮湿引起的0g漂移,以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭转等等,这些误差项无法通过校准或其他方法解决,需要通过一定程度的原位维修才能减少。

    ADI的加速度计可分为MEMS(ADXLxxx)和iSensor®(ADIS16xxx)特殊用途器件两类。iSensor或智能传感器是高集成度(4到10个自由度)且可编程器件,适用于动态环境下的复杂应用。这些高集成度即插即用解决方案包括全面的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理,解决了上述需要原位维修的很多误差,大大降低了设计和验证负担。这种全面的工厂校准为整个传感器信号链提供额定温度范围(通常是−40°C至+85°C)内的灵敏度和偏置特性。因此,每个iSensor器件都有其独特的补偿公式,安装后可产生精确的测量结果。对于一些系统,工厂校准可免除系统级校准,大大简化操作。

    iSensor器件专门针对某些应用而开发。例如,图2所示的ADIS16210专门针对倾斜应用而设计并定制,因此,它能提供<1°的相对精度且开箱即用。这主要归功于集成信号处理和特定器件校准,以便实现最佳精度性能。iSensor器件将在稳定性部分进一步讨论。

ADIS16210精密三轴倾斜

图2.ADIS16210精密三轴倾斜

    新一代加速度计架构(例如ADXL355)提供更多功能(倾斜、状态监控、结构健康、IMU/AHRS应用),包含的集成模块更少针对特定应用,但功能丰富,如图3所示。

低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计ADXL355

图3.低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计ADXL355

    下面比较通用加速度计ADXL345和新一代低噪声、低漂移、低功耗加速度计ADXL355,后者是广泛应用的理想之选,例如物联网传感器节点和倾角计。这一比较着眼于倾斜应用中的误差源,以及可以补偿或消除的误差。表2列出了消费级ADXL345加速度计理想性能规格及相应倾斜误差的估算值。试图达到最佳倾斜精度时,必须采用某种形式的温度稳定或补偿。在下面的例子中,假设恒温为25°C。无法完全补偿的最主要误差促成因素是温漂失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽来降低噪声,因为倾斜应用通常需要低于1kHz的带宽。

ADXL345误差源估算值

表2.ADXL345误差源估算值

 

    表3列出了适用于ADXL355的相同标准。短期偏置值根据ADXL355数据手册中的Allan方差图估算。25°C时,通用ADXL345补偿后的估计倾斜精度为0.1°。工业级ADXL355的估计倾斜精度为0.005°。通过比较ADXL345和ADXL355可以看出,重大误差贡献因素引起的误差已显著降低,比如噪声引起的误差从0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的误差从0.057°降低到0.00057°。这表明MEMS电容式加速度计在噪声和偏置漂移等性能方面取得了巨大飞跃,在动态条件下能够提供更高水平的倾斜精度。

ADXL355误差源估算值

表3.ADXL355误差源估算值

 

    选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要,特别是应用需要小于1°的倾斜精度时。应用精度取决于应用条件(温度大幅波动,振动)和传感器选择(消费级与工业级或战术级)。在这种情况下,ADXL345将需要大量的补偿和校准工作才能实现小于1°的倾斜精度,增加整个系统的工作量和成本。根据最终环境和温度范围内的振动大小,甚至不可能实现上述精度。25°C至85°C范围内的温度系数失调漂移为1.375°,已经超过倾斜精度小于1°的要求。

图

25°C到85°C范围内ADXL355的最大温度系数失调漂移为0.5°。

图

    ADXL354和ADXL355可重复性(X和Y轴为±3.5mg/0.2°,Z轴为±9mg/0.5°)为10年寿命预测值,包括高温工作寿命测试(HTOL)(TA=150°C、VSUPPLY=3.6V、1000小时)、温度循环(−55°C至+125°C且循环1000次)、速度随机游走、宽带噪声和温度迟滞引起的偏移。这些新型加速度计可在所有条件下提供可重复的倾斜测量,在恶劣环境中无需进行大量校准即可实现最小倾斜误差,而且能最大程度减少部署后的校准需要。ADXL354和ADXL355加速度计能以0.15mg/°C(最大值)的零失调系数保证温度稳定性。这种稳定性最大程度地减少了校准和测试相关的资源和成本开销,帮助设备OEM制造商实现更高的吞吐速率。此外,产品采用密封封装,可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合其规格参数。

    通常,数据手册上不会显示可重复性和对振动校正误差(VRE)的抑制能力,因为这些参数可能暴露产品性能较低。例如,ADXL345是一款针对消费类应用的通用加速度计,VRE不是设计人员的重要关注参数。然而,在惯性导航等高要求应用、倾斜应用或振动频繁的特定环境中,对VRE的抑制能力可能是设计人员的重点关注对象,因此ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357数据手册会给出此类参数。

    如表4所示,VRE是加速度计暴露于宽带振动时引入的失调误差。当加速度计暴露于振动环境时,相比温漂和噪声导致的0g失调,VRE在倾斜测量中会导致明显误差。这是不再使用数据手册的主要原因之一,因为很容易掩盖其他主要规格。

        VRE是加速度计对交流振动(被整流为直流)的响应。这些直流整流的振动可能会使加速度计失调发生偏移,引起严重误差,尤其是在目标信号为直流输出的倾斜应用中。直流失调的任何小变化都可能被解释为倾角变化,导致系统级误差。

以倾斜度表示的误差

表4.以倾斜度表示的误差

 

    *2.5grms振动引起的1g方位失调的范围为±2g。

    各种谐振和加速度计(本例为ADXL355)中的滤波器均可能引起VRE,因为VRE对频率有很强的依赖性。这些谐振会放大振动,放大倍数等于谐振的Q因数,而在较高频率时会抑制振动,原因是谐振器存在二阶偶极子响应。传感器的谐振品质因数越高,振动幅度越大,其VRE也就越大。较大测量带宽会将高频带内振动包含在内,引起较高的VRE,如图4所示。为加速度计选择合适的带宽以抑制高频振动,可以避免很多振动相关问题。

在不同带宽进行的ADXL355VRE测试

 

图4.在不同带宽进行的ADXL355VRE测试

    静态倾斜测量通常需要±1g到±2g的低g加速度计,带宽小于1.5kHz。模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355均为低噪声密度(分别为20μg√Hz和25μg√Hz)、低0g失调漂移、低功耗三轴加速度计,集成温度传感器,测量范围可选,如表5所示。

ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357测量范围

表5.ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357测量范围

    ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封装,有助于实现出色的长期稳定性。性能提升与封装通常是正相关,如图5所示。封装常常被忽视,其实制造商可以利用封装来实现更好的稳定和漂移性能。这是ADI的一个重点关注方面,我们提供类型广泛的传感器封装以适应不同的应用领域。

       高温和动态环境

    在适合高温或恶劣环境的加速度计可用之前,一些设计人员曾不得不将标准温度IC用在远超出数据手册限值的情形中。这意味着最终用户须承担在高温下检验器件质量的责任和风险,成本高昂且颇费时间。密封封装能够耐受高温已是广为人知的事实,它通过一道能抵御湿气和污染的屏障来防止腐蚀。ADI提供各类密封器件,这些器件具有增强的温度稳定性和性能。ADI还大力研究了塑料封装在高温下的性能,尤其是引线框架和引脚适应高温焊接工艺的能力,使其在高冲击和振动环境中牢固可靠。因此,ADI提供18款额定温度范围为−40°C至+125°C的加速度计,包括ADXL206,ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357,ADXL1001/ADXL1002,ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大部分竞争对手未提供能在−40°C至+125°C温度范围内或恶劣环境条件下(例如重工业机械和井下钻探)工作的MEMS电容式加速度计。

高级封装技术和校准带来性能提升的示例

图5.高级封装技术和校准带来性能提升的示例

    在温度超过125°C的恶劣环境中进行倾斜测量是极具挑战性的工作。ADXL206是一款高精度(倾斜精度<0.06°)、低功耗、完整的双轴MEMS加速度计,适用于高温和恶劣环境,例如井下钻探。该器件采用13mm×8mm×2mm侧面钎焊、陶瓷、双列直插式封装,支持−40°C至+175°C的环境温度范围,超过175°C时性能会下降,但100%可恢复。

    在有振动的动态环境中(例如农用设备或无人机)进行倾斜测量,需要g值范围较高的加速度计,比如ADXL356/ADXL357。有限g值范围的加速度计测量可能会削波,导致输出失调增加。引起削波的原因可能是灵敏轴在1g重力场中,或者是发生上升时间快但衰减慢的冲击。较高的g值范围可减少加速度计削波,从而降低失调,在动态应用中提供更好的倾斜精度。

    图6所示为ADXL356Z轴的g值范围有限的测量,此测量范围中已经存在1g。图7所示为同一测量,但g值范围从±10g扩展到±40g。可以清楚看到,加速度计的g值范围扩展显著降低了削波引起的失调。

    ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357提供出色的振动校正、长期重复性和低噪声性能,而且尺寸很小,非常适合静态和动态环境中的倾斜检测应用。

ADXL356 VRE,Z轴相对于1g的失调,±10g范围,Z轴方向=1g

 

图6.ADXL356 VRE,Z轴相对于1g的失调,±10g范围,Z轴方向=1g

ADXL356 VRE,Z轴相对于1g的失调,±40g范围,Z轴方向=1g

图7.ADXL356 VRE,Z轴相对于1g的失调,±40g范围,Z轴方向=1g

       稳定

    主要标准:噪声密度、速度随机游走、运动中偏置稳定度、偏置重复性和带宽。

    检测并了解运动可以给许多应用带来好处。掌控一个系统发生的运动,然后利用该信息提高性能(缩短响应时间、提高精度、加快运行速度),增强安全性或可靠性(系统在危险情况下关机),或者获得其他增值特性,是很有益的。由于运动的复杂性,有大量稳定性应用需要综合运用陀螺仪和加速度计(传感器融合,如图8所示),例如UAV监控设备和船上天线指向系统等。

6自由度IMU

图8.6自由度IMU

    自由度IMU使用多个传感器,以便弥补彼此的弱点。看起来像是一个或两个轴上的简单惯性运动,实际可能需要加速度计和陀螺仪传感器融合,目的是消除振动、重力和其他单凭加速度计或陀螺仪无法准确测量的影响因素。加速度计数据包括重力分量和运动加速度。二者无法区分,但可利用陀螺仪将重力分量从加速度计输出中去除。为了根据加速度确定位置,需要进行积分,在此过程之后,加速度计数据的重力分量引起的误差可能会快速变大。由于累积误差,仅凭陀螺仪不足以确定位置。陀螺仪不检测重力,因此可用作加速度计的辅助传感器。

    在稳定性应用中,MEMS传感器必须精确测量平台方位,特别是在运动时。图9是一个采用伺服电机校正角向运动的典型平台稳定系统的框图。反馈/伺服电机控制器将方向传感器数据转换为伺服电机的校正控制信号。

基本平台稳定系统

图9.基本平台稳定系统

    最终应用将决定所需的精度水平,而所选的传感器质量(消费级还是工业级)将决定其能否实现。区分消费级器件和工业级器件很重要,有时候二者的区别很微妙,可能需要仔细考虑。表6显示了消费级加速度计和IMU中集成的中档工业级加速度计的主要区别。

工业MEMS器件对所有已知潜在误差源进行全面测定,精度水平比消费级器件高出一个数量级以上

表6.工业MEMS器件对所有已知潜在误差源进行全面测定,精度水平比消费级器件高出一个数量级以上

 

    在某些条件有利且可接受较低精度数据的情况下,使用低精度器件便可满足性能需要。然而,对能在动态环境中工作的传感器需求迅速增长,较低精度器件由于不能降低实际测量中的振动效应或温度效应而大受影响,很难达到小于3°至5°的指向精度。多数低端消费级器件未提供诸如振动校正、角度随机游走之类的参数规格,而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源。

    为了在动态环境中达到1°甚至0.1°的指向精度,设计人员的器件选择必须聚焦于传感器抑制温漂误差和振动影响的能力。传感器滤波和算法(传感器融合)虽然是提升性能的关键要素,但无法消除消费级与工业级传感器的差距。ADI新型工业IMU的性能接近于上一代导弹制导系统所用的产品。诸如ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件以标准和迷你IMU外形尺寸提供精密运动检测,打进过去的特殊应用领域。

       PRAT2:选择合适的MEMS

    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。在本文第二部分,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。

表7.VSM可穿戴应用的运动检测要求

VSM可穿戴应用的运动检测要求

    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10所示。需要注意的是,这些器件可在功耗仅为3μA的状态下,以最高400Hz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6Hz,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270nA。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。

ADXL362电源电流与输出数据速率的关系

 

图10.ADXL362电源电流与输出数据速率的关系。

    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270nA。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(3mmx3.25mmx1.06mm)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开发了一款仅供演示使用的VSM手表(如图11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。

VSM手表

 

图11.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3.3kHz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7kHz。

    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3Hz至30kHz,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12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10000g,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。

转动设备故障振动伪像

图12.转动设备故障振动伪像。

    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50kHz,g值范围高达±100g,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13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。

ADXL1001/ADXL1002的频率响应、高频(>5kHz)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13.ADXL1001/ADXL1002的频率响应、高频(>5kHz)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14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。

数字三轴振动传感器,集成FFT分析和存储系统。

图14.数字三轴振动传感器,集成FFT分析和存储系统。

        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15所示。在网关以外,ADI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,4mA至20mA,还是工业以太网等。

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。

图15.ADI的边缘传感器节点解决方案。

    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。ISO10816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ISO10816应用中的加速度计,要求其g值范围为50g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/secrms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1Hz至1kHz,但用户都希望整合低至0.1Hz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0.01Hz。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成本。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ADXL363FIFO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。

       资产状况监控
       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。

    资产状况监控(AHM)一般指在一定时间内对高价值资产进行监控,无论是在静止状态或还是在运输途中。这些资产可能是船运集装箱里的货物、远程管道、平民、战士、高密度电池等,此类资产容易受到撞击或冲击事件的影响。对于可能影响资产功能性或安全性的此类事件,物联网提供了一种理想的报告基础设施。对于AHM中使用的传感器,关键指标是能测量与资产相关的高g冲击及冲击事件并同时保持超低功耗。当把这类传感器嵌入电池供电或便携式应用中时,要考虑的其他关键传感器指标包括尺寸、过采样和旨在精确处理高频成分的抗混叠特性,还有各种智能特性,以通过增加主机处理器休眠时间并允许用中断驱动算法检测和捕获冲击特性延长电池寿命。

    ADXL372微功耗型±200gMEMS加速度计可满足新兴资产状况监控市场对智能物联网边缘节点的需求。该器件含有专门针对资产状况监控市场开发的多项独有特性,可简化系统设计,并在系统层次实现节能目的。高g事件(如冲击或撞击)通常与较宽频率下的加速度成分密切相关。要准确捕获这些事件,需要宽带宽,因为在带宽不足的条件下进行测量会显著降低记录事件的幅度,导致错误。在数据手册中这是要特别注意的一项关键参数。有些器件达不到奈奎斯特采样速率标准的要求。ADXL375和ADXL372提供捕获整个冲击特性的选项,可用于进一步分析而无需主机处理器干预。使用冲击中断寄存器并结合加速度计的内部FIFO,可实现该功能。如图16所示,为了在触发事件之前确定冲击特性,有充足FIFO非常重要。如果FIFO不足,就无法记录和维持冲击事件以供进一步分析。

准确捕获冲击特性

图16.准确捕获冲击特性。

    ADXL372的工作带宽可在超低功耗水平下达到3200Hz。陡峭的滤波器滚降也有利于有效抑制带外成分,为此,ADXL372集成了一个四极低通抗混叠滤波器。如果没有抗混叠滤波,凡是频率超过输出数据速率一半的输入信号都会混叠进目标测量带宽,导致测量误差。该四极低通滤波器提供用户可选滤波器带宽,因而可为用户应用带来极大的灵活性。

    借助即时导通冲击检测特性,用户可以对ADXL372进行配置,使其能在超低功耗模式下捕获高于特定阈值的冲击事件。如图17所示,在发生冲击事件之后,加速度计会进入全测量模式,以便准确地捕获冲击特性。

默认阈值下的即时导通模式

图17.默认阈值下的即时导通模式。

    有些应用要求只记录来自冲击事件的峰值加速样本,因为此类样本本身就能提供充足的信息。ADXL372FIFO可以为每个轴存储峰值加速样本。FIFO中可以存储的最长时长为1.28秒(400HzODR条件下,512个单轴样本)。3200HzODR条件下的170个3轴样本相当于一个50ms的时间窗口,足以捕获到典型的冲击波形。对于不要求完整事件特性的应用,通过只存储峰值加速信息,可以大幅增加FIFO读取操作之间的时间,从而实现进一步节能。512个FIFO样本可以通过多种方式分配,包括下列方式:

  • 并行3 轴数据的170个样本集

  • 并行2 轴数据的256个样本集(用户可选)

  • 单轴数据的512个样本集

  • 170个冲击事件峰值集(x,y,z)

    适当使用FIFO,使主机处理器能在加速度计自主收集数据时长时间保持休眠,可以降低系统级功耗。或者,使用FIFO收集数据可以减轻主机处理器的负荷,使它能处理其他任务。

    市场上还有其他几款具有类似高g性能的加速度计,但它们不适合AHM/SHM物联网边缘节点应用,因为它们的带宽较窄,功耗较高。在提供低功耗模式的情况下,无法进行准确测量的一般都是低带宽。ADXL372真正实现了即用即忘的AHM/SHM实施模式,促使最终客户在可行的情况下重新考虑潜在资产类别。

       结论

    ADI提供面向多种应用的广泛加速度计产品,其中有些产品未在本文中重点讨论,比如航位推算、AHRS、惯性测量、汽车稳定和安全、医疗对准等。我们的新一代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。ADI提供所有相关数据手册信息,旨在帮助您为您的应用选择最合适的器件。以上列出的所有器件以及其他器件均可供评估和原型制作使用。

责任编辑:杨培
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