為您的應(yīng)用選擇最合適的加速度計可能很困難，因為來自不同制造商的數(shù)據(jù)表可能會有很大差異，從而導(dǎo)致混淆最關(guān)鍵的規(guī)格是什么。本文的第 1 部分討論了設(shè)計人員需要了解的關(guān)鍵參數(shù)和特性，以及它們與傾斜和穩(wěn)定應(yīng)用的關(guān)系。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)用背景下的關(guān)鍵規(guī)范和功能。

可穿戴設(shè)備

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

用于電池供電、可穿戴應(yīng)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)是尺寸和集成功能，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)用程序及其相應(yīng)設(shè)置。可穿戴應(yīng)用中使用的加速度計通常對運動進(jìn)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；并幫助心電圖和其他 VSM 測量的數(shù)據(jù)融合。

［表 1 | VSM可穿戴應(yīng)用的運動傳感要求］

在為超低功耗應(yīng)用選擇加速度計時，必須在數(shù)據(jù)表中規(guī)定的功耗水平下觀察傳感器的功能。要觀察的一個關(guān)鍵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。某些部件會每秒自動關(guān)閉并喚醒以保持低功耗，這樣做會由于有效采樣率降低而丟失關(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等部件不要通過欠采樣來混淆輸入信號；它們以所有數(shù)據(jù)速率對傳感器的全部帶寬進(jìn)行采樣。功耗隨采樣率動態(tài)變化，如圖 1 所示。值得注意的是，這些部件的采樣頻率高達(dá) 400 Hz，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。采樣率可以降低到 6 Hz，以允許設(shè)備在被拾起或檢測到運動時啟動，平均電流消耗為 270 nA，這可能適用于電池?zé)o法輕松更換的植入式應(yīng)用。

【圖1 | ADXL362 電源電流是輸出數(shù)據(jù)速率的函數(shù)。］

在某些應(yīng)用中，加速度計每秒僅輪詢加速度一次或幾次就足夠了。對于這些應(yīng)用，ADXL362 和 ADXL363 提供僅消耗 270 nA 的喚醒模式。ADXL363 結(jié)合了一個 3 軸 MEMS 加速度計、一個溫度傳感器（典型比例因子為 0.065°C）和一個用于同步轉(zhuǎn)換外部信號的板載 ADC 輸入，采用 3 mm × 3.25 mm × 1.06 mm 封裝。加速度和溫度數(shù)據(jù)可以存儲在 512 個樣本的多模式 FIFO 緩沖區(qū)中，最多可以存儲 13 秒的數(shù)據(jù)。

ADI 公司開發(fā)了一款 VSM 手表，僅用于演示，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。

ADXL362 用于跟蹤運動和輪廓運動，以幫助從其他測量中去除不需要的偽影。

基于狀態(tài)的監(jiān)測 （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。

CBM 涉及監(jiān)控參數(shù)，例如機械振動，目的是識別和指示潛在的故障發(fā)生。CBM 是預(yù)測性維護(hù)的主要組成部分，其技術(shù)通常用于渦輪機、風(fēng)扇、泵和電機等旋轉(zhuǎn)機械。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(dá) 7 kHz 的帶寬。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，人們越來越重視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、SNR、高溫操作以及從 3 Hz 到 30 kHz 的典型帶寬，在某些情況下高達(dá)數(shù)百 kHz。然而，壓電加速度計在直流附近的性能很差，如圖 3 所示，在接近直流的較低頻率下會發(fā)生相當(dāng)多的故障，尤其是在風(fēng)力渦輪機和類似的低轉(zhuǎn)速應(yīng)用中。

MEMS 電容式加速度計在自測、峰值加速度、光譜警報等、FFT 和數(shù)據(jù)存儲等特性方面提供更高水平的集成和功能，并且抗震能力高達(dá) 10000 g，具有直流響應(yīng)，并且更小更輕。ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357 非常適合基于其超低噪聲和溫度穩(wěn)定性的狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，但最終它們的帶寬使它們無法執(zhí)行更深入的診斷分析。然而，即使帶寬范圍有限，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，需要對直流作出響應(yīng)。

【圖3 | 旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障振動偽影。］

ADXL100x 系列單軸加速度計針對工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了優(yōu)化，并提供高達(dá) 50 kHz 的寬測量帶寬、高達(dá) ±100 g的g范圍和超低噪聲性能——在性能方面可與壓電加速度計相媲美。 有關(guān) ADI MEMS 電容式加速度計與壓電式加速度計的更詳細(xì)討論，請參閱本文：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)生的大部分故障，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)生在測量范圍內(nèi)。 ADXL100x 系列狀態(tài)監(jiān)測加速度計。

【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，而像 ADXL100x 系列這樣的 MEMS 電容式加速度計提供內(nèi)置超量程檢測電路，該電路提供警報以指示發(fā)生了大于約 2 倍指定g范圍的顯著超量程事件。這是開發(fā)智能測量和監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵功能。ADXL100x 應(yīng)用了一些內(nèi)部時鐘的智能禁用，以在連續(xù)超量程事件期間保護(hù)傳感器元件，例如電機發(fā)生故障時會發(fā)生的事件。這減輕了主機處理器的負(fù)擔(dān)，并可以為傳感器節(jié)點增加智能——這都是狀態(tài)監(jiān)測和工業(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上取得了巨大飛躍，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，它還取代了 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)融合為更好的傳感、連接以及存儲和分析系統(tǒng)。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)控和分析系統(tǒng)。

第一代 CBM 子系統(tǒng) ADIS16227 和 ADIS16228 進(jìn)一步完善了這一系列 MEMS 加速度計，是半自主、完全集成、寬帶寬振動分析系統(tǒng)，如圖 5 所示，具有六個光譜帶上的可編程警報、2 級設(shè)置等功能用于警告和故障定義、可調(diào)節(jié)的響應(yīng)延遲以減少誤報，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，可降低本底噪聲變化以獲得更精細(xì)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)

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：功耗、允許智能省電和測量的集成功能、小尺寸、深 FIFO 和合適的帶寬。

整個行業(yè)都很好地理解物聯(lián)網(wǎng)的前景。為了兌現(xiàn)這一承諾，未來幾年將不得不部署數(shù)百萬個傳感器。這些傳感器中的絕大多數(shù)將被放置在難以進(jìn)入或空間受限的位置，例如屋頂、路燈頂部、塔桅桿、橋梁、重型機械內(nèi)部等，從而實現(xiàn)智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智能建筑等。由于這些限制，很可能這些傳感器中的很大一部分將需要無線通信，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)器以進(jìn)行存儲和分析的數(shù)據(jù)，因為現(xiàn)有方法使用過多的帶寬并且價格昂貴。傳感器節(jié)點的智能處理可以區(qū)分無用和有用的數(shù)據(jù)，最大限度地減少傳輸大量數(shù)據(jù)的需求，從而降低帶寬和成本。這就要求傳感器包含智能功能，同時保持超低功耗。標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)信號鏈如圖 6 所示。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)點上擁有一些智能，可以只沿著信號鏈傳輸有用的數(shù)據(jù)——節(jié)省功率和帶寬。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)范圍可以從簡單的超出范圍警報到數(shù)據(jù)流。存在諸如 ISO 10816 之類的標(biāo)準(zhǔn)來指定以特定 RPM 速率運行的給定尺寸機器的警告條件，當(dāng)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，因此它最大限度地減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而更好地支持 WSN 架構(gòu)中的部署。

ISO 10816 應(yīng)用程序中使用的加速度計的要求是g范圍為 50 g或更小，并且在低頻下具有低噪聲，因為加速度數(shù)據(jù)被周期性地積分以獲得以 mm/sec rms 為單位的單個速度點。當(dāng)對包含低頻噪聲的加速度計數(shù)據(jù)進(jìn)行積分時，誤差會在速度輸出中線性增加。ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個

1 Hz 至 1 kHz 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中低頻高噪聲水平的限制，但一些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，通過精心設(shè)計，可以將其最小化至 0.01 Hz。MEMS 加速度計可用于經(jīng)濟型 CBM 應(yīng)用中以獲得低成本設(shè)備，或者由于與壓電傳感器相比尺寸更小且成本更低，因此可以集成到嵌入式解決方案中。

【圖6 | Analog Devices 提供的邊緣傳感器節(jié)點解決方案。］

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，可實現(xiàn)能量管理和檢測特定數(shù)據(jù)，例如超過閾值活動、頻譜輪廓警報、峰值加速度值和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 中并尋找活動事件。當(dāng)影響事件發(fā)生時，在事件之前收集的數(shù)據(jù)將被凍結(jié)在 FIFO 中。如果沒有 FIFO，在事件之前捕獲樣本將需要處理器對加速度信號進(jìn)行連續(xù)采樣和處理，這會顯著降低電池壽命。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畫面。通過不使用電源占空比，而是在所有數(shù)據(jù)速率下采用全帶寬架構(gòu)來保持超低功耗，從而防止輸入信號的混疊。

資產(chǎn)健康監(jiān)測

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：功耗、允許智能省電和測量的集成功能、小尺寸、深 FIFO 和合適的帶寬。

資產(chǎn)健康監(jiān)測 （AHM） 通常涉及在一段時間內(nèi)監(jiān)測高價值資產(chǎn)，無論是靜態(tài)的還是在途的。這些資產(chǎn)可能是集裝箱內(nèi)的貨物、遠(yuǎn)程管道、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)是測量高g的能力與資產(chǎn)相關(guān)的沖擊和影響事件，同時消耗非常低的功率。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，以準(zhǔn)確處理高頻內(nèi)容，以及通過最大限度地延長主機處理器睡眠時間來延長電池壽命的智能功能，并允許用于檢測和捕獲沖擊曲線的中斷驅(qū)動算法。

ADXL372 微功耗、±200 g MEMS 加速度計針對智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的新興資產(chǎn)健康市場空間。此部分包含專為 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)級功耗。高克沖擊或撞擊等事件通常與廣泛頻率范圍內(nèi)的加速度內(nèi)容密切相關(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降低記錄事件的幅度，從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確。這是數(shù)據(jù)表中需要觀察的關(guān)鍵參數(shù)。有些部件不滿足采樣率的奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)。ADXL375 和 ADXL372 提供了捕獲整個沖擊曲線以進(jìn)行進(jìn)一步分析的選項，而無需主機處理器的干預(yù)。這是通過結(jié)合加速度計的內(nèi)部 FIFO 使用沖擊中斷寄存器來實現(xiàn)的。圖 7 顯示了擁有足夠的 FIFO 以在觸發(fā)事件之前確定整個沖擊曲線的重要性。在 FIFO 不足的情況下，

【圖7 | 準(zhǔn)確捕捉?jīng)_擊曲線。］

ADXL372 可以在極低的功率水平下以高達(dá) 3200 Hz 的帶寬運行。陡峭的濾波器滾降也有助于有效抑制帶外內(nèi)容，為此目的，ADXL372 集成了一個四極低通抗混疊濾波器。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感興趣的測量帶寬中，從而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。這種四極低通濾波器具有用戶可選擇的濾波器帶寬，可在用戶應(yīng)用中實現(xiàn)最大的靈活性。

即時撞擊檢測功能允許用戶配置 ADXL372 以在處于超低功耗模式時捕獲高于特定閾值的撞擊事件。如圖 8 所示，在發(fā)生碰撞事件后，加速度計進(jìn)入完全測量模式，以準(zhǔn)確捕捉碰撞曲線。

【圖8 | 使用默認(rèn)閾值的即時啟動模式。］

一些應(yīng)用程序要求僅記錄來自沖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?？纱鎯υ?FIFO 中的最長持續(xù)時間為 1.28 秒（400 Hz ODR 時 512 個單軸樣本）。3200 Hz ODR 的 170× 3 軸樣本對應(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)用程序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(jìn)一步節(jié)省功耗?？梢酝ㄟ^多種方式分配 512 個 FIFO 樣本，包括：

170 組并發(fā) 3 軸數(shù)據(jù)樣本

256 組并發(fā) 2 軸數(shù)據(jù)樣本（用戶可選）

512組單軸數(shù)據(jù)樣本

170組沖擊事件峰（x，y，z）

適當(dāng)使用 FIFO 可讓主機處理器在加速計自動收集數(shù)據(jù)時長時間休眠，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級功耗?；蛘?，使用 FIFO 收集數(shù)據(jù)可以減輕主處理器的負(fù)擔(dān)，同時它可以處理其他任務(wù)。

市場上還有其他幾款具有類似高g性能的加速度計，但由于帶寬窄且功耗較高，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，它通常處于無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量的較低帶寬。

審核編輯：郭婷