為您的應(yīng)用選擇最合適的加速度計(jì)可能很困難，因?yàn)閬碜圆煌圃焐痰臄?shù)據(jù)表可能會(huì)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(jì)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(diǎn)介紹可穿戴設(shè)備、狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(qiáng)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(jì)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(zhǎng)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(jì)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(cè) （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(jì)通常對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類；提供自由落體檢測(cè)；測(cè)量是否存在運(yùn)動(dòng)以提供系統(tǒng)開機(jī)、關(guān)機(jī)或睡眠；并幫助心電圖和其他 VSM 測(cè)量的數(shù)據(jù)融合。

［表 1 | VSM可穿戴應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)傳感要求］

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)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(gè)關(guān)鍵是帶寬和采樣率是否降低到無法測(cè)量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。某些部件會(huì)每秒自動(dòng)關(guān)閉并喚醒以保持低功耗，這樣做會(huì)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(cè)量實(shí)時(shí)人體運(yùn)動(dòng)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(hào)；它們以所有數(shù)據(jù)速率對(duì)傳感器的全部帶寬進(jìn)行采樣。功耗隨采樣率動(dòng)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(shí)現(xiàn)額外的功能，例如點(diǎn)擊/雙擊檢測(cè)。采樣率可以降低到 6 Hz，以允許設(shè)備在被拾起或檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)啟動(dòng)，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(jì)每秒僅輪詢加速度一次或幾次就足夠了。對(duì)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(gè) 3 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)用于同步轉(zhuǎn)換外部信號(hào)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(chǔ)在 512 個(gè)樣本的多模式 FIFO 緩沖區(qū)中，最多可以存儲(chǔ) 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(yùn)動(dòng)和輪廓運(yùn)動(dòng)，以幫助從其他測(cè)量中去除不需要的偽影。

基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè) （CBM）

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

CBM 涉及監(jiān)控參數(shù)，例如機(jī)械振動(dòng)，目的是識(shí)別和指示潛在的故障發(fā)生。CBM 是預(yù)測(cè)性維護(hù)的主要組成部分，其技術(shù)通常用于渦輪機(jī)、風(fēng)扇、泵和電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。CBM 加速度計(jì)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是低噪聲和寬帶寬。在撰寫本文時(shí)，很少有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供帶寬高于 3.3 kHz 的 MEMS 加速度計(jì)，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?cè)絹碓街匾暅p少布線和利用無線、超低功耗技術(shù)。這使得 MEMS 加速度計(jì)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(jì)。CBM 最常用的傳感器是壓電加速度計(jì)，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫木€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(jì)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(huì)發(fā)生相當(dāng)多的故障，尤其是在風(fēng)力渦輪機(jī)和類似的低轉(zhuǎn)速應(yīng)用中。

MEMS 電容式加速度計(jì)在自測(cè)、峰值加速度、光譜警報(bào)等、FFT 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)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(jì)也可以提供重要的測(cè)量；例如，在風(fēng)力渦輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，設(shè)備以非常低的速度旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，需要對(duì)直流作出響應(yīng)。

【圖3 | 旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障振動(dòng)偽影。］

ADXL100x 系列單軸加速度計(jì)針對(duì)工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化，并提供高達(dá) 50 kHz 的寬測(cè)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(jì)相媲美。 有關(guān) ADI MEMS 電容式加速度計(jì)與壓電式加速度計(jì)的更詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱本文：MEMS 加速度計(jì)性能成熟。

ADXL1001/ADXL1002的頻率響應(yīng)如圖4所示。旋轉(zhuǎn)機(jī)械中發(fā)生的大部分故障，如套筒軸承損壞、不對(duì)中、不平衡、摩擦、松動(dòng)、齒輪故障、軸承磨損和氣蝕都發(fā)生在測(cè)量范圍內(nèi)。 ADXL100x 系列狀態(tài)監(jiān)測(cè)加速度計(jì)。

【圖4 | ADXL1001/ADXL1002的頻率響應(yīng)，高頻（》5 kHz）振動(dòng)響應(yīng)；激光測(cè)振儀控制器參考用于精度的 ADXL1002 封裝。］

壓電加速度計(jì)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(jì)提供內(nèi)置超量程檢測(cè)電路，該電路提供警報(bào)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(cè)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(shí)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(jī)發(fā)生故障時(shí)會(huì)發(fā)生的事件。這減輕了主機(jī)處理器的負(fù)擔(dān)，并可以為傳感器節(jié)點(diǎn)增加智能——這都是狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)在性能上取得了巨大飛躍，以至于新的 ADXL100x 系列正在競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)和分析系統(tǒng)。ADI 公司最新的加速度計(jì)可在邊緣節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更智能的監(jiān)控，幫助工廠管理人員實(shí)現(xiàn)完全集成的振動(dòng)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(jì)，是半自主、完全集成、寬帶寬振動(dòng)分析系統(tǒng)，如圖 5 所示，具有六個(gè)光譜帶上的可編程警報(bào)、2 級(jí)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(bào)，以及帶有狀態(tài)標(biāo)志的內(nèi)部自檢。頻域處理包括每個(gè)軸的 512 點(diǎn)實(shí)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(dòng)分析系統(tǒng)可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)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(chǔ)功能的數(shù)字三軸振動(dòng)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(cè)量的集成功能、小尺寸、深 FIFO 和合適的帶寬。

整個(gè)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(gè)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(jī)械內(nèi)部等，從而實(shí)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(shì)是盡量減少無線傳輸?shù)皆苹虮镜胤?wù)器以進(jìn)行存儲(chǔ)和分析的數(shù)據(jù)，因?yàn)楝F(xiàn)有方法使用過多的帶寬并且價(jià)格昂貴。傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)保持超低功耗。標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)鏈如圖 6 所示。請(qǐng)注意，并非所有解決方案都需要無線連接——對(duì)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(diǎn)上擁有一些智能，可以只沿著信號(hào)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(diǎn)本地完成的處理量將取決于幾個(gè)因素，例如機(jī)器的成本和復(fù)雜性與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)范圍可以從簡(jiǎn)單的超出范圍警報(bào)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(yùn)行的給定尺寸機(jī)器的警告條件，當(dāng)振動(dòng)速度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)輸出警報(bào)信號(hào)。ISO 10816 旨在優(yōu)化被測(cè)系統(tǒng)及其滾動(dòng)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(jì)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?yàn)榧铀俣葦?shù)據(jù)被周期性地積分以獲得以 mm/sec rms 為單位的單個(gè)速度點(diǎn)。當(dāng)對(duì)包含低頻噪聲的加速度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分時(shí)，誤差會(huì)在速度輸出中線性增加。ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)

1 Hz 至 1 kHz 測(cè)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(jì)中低頻高噪聲水平的限制，但一些下一代加速度計(jì)將本底噪聲保持在直流，僅受信號(hào)調(diào)理電子設(shè)備的 1/f 噪聲角的限制，通過精心設(shè)計(jì)，可以將其最小化至 0.01 Hz。MEMS 加速度計(jì)可用于經(jīng)濟(jì)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(diǎn)解決方案。］

物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)能量管理和檢測(cè)特定數(shù)據(jù)，例如超過閾值活動(dòng)、頻譜輪廓警報(bào)、峰值加速度值和長(zhǎng)時(shí)間活動(dòng)或不活動(dòng)（ADXL372、ADXL375）。

所有這些加速度計(jì)都可以保持整個(gè)系統(tǒng)斷電，同時(shí)將加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 FIFO 中并尋找活動(dòng)事件。當(dāng)影響事件發(fā)生時(shí)，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(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣和處理，這會(huì)顯著降低電池壽命。ADXL362 和 ADXL363 FIFO 可以存儲(chǔ)超過 13 秒的數(shù)據(jù)，在活動(dòng)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(hào)的混疊。

資產(chǎn)健康監(jiān)測(cè)

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：功耗、允許智能省電和測(cè)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(cè) （AHM） 通常涉及在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)高價(jià)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(bào)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(cè)量高g的能力與資產(chǎn)相關(guān)的沖擊和影響事件，同時(shí)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(shí)，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(zhǎng)主機(jī)處理器睡眠時(shí)間來延長(zhǎng)電池壽命的智能功能，并允許用于檢測(cè)和捕獲沖擊曲線的中斷驅(qū)動(dòng)算法。

ADXL372 微功耗、±200 g MEMS 加速度計(jì)針對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)的新興資產(chǎn)健康市場(chǎng)空間。此部分包含專為 AHM 市場(chǎng)開發(fā)的幾個(gè)獨(dú)特功能，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提供系統(tǒng)級(jí)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?yàn)閹挷蛔愕臏y(cè)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(gè)沖擊曲線以進(jìn)行進(jìn)一步分析的選項(xiàng)，而無需主機(jī)處理器的干預(yù)。這是通過結(jié)合加速度計(jì)的內(nèi)部 FIFO 使用沖擊中斷寄存器來實(shí)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(gè)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(yùn)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(gè)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(hào)都可能折疊到感興趣的測(cè)量帶寬中，從而導(dǎo)致測(cè)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(shí)現(xiàn)最大的靈活性。

即時(shí)撞擊檢測(cè)功能允許用戶配置 ADXL372 以在處于超低功耗模式時(shí)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(jì)進(jìn)入完全測(cè)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(shí)啟動(dòng)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?yàn)閮H此一項(xiàng)就可以提供足夠的信息。ADXL372 FIFO 能夠存儲(chǔ)每個(gè)軸的峰值加速度樣本?？纱鎯?chǔ)在 FIFO 中的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為 1.28 秒（400 Hz ODR 時(shí) 512 個(gè)單軸樣本）。3200 Hz ODR 的 170× 3 軸樣本對(duì)應(yīng)于 50 ms 的時(shí)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(chǔ)峰值加速度信息來大大增加 FIFO 讀取之間的時(shí)間，從而進(jìn)一步節(jié)省功耗?？梢酝ㄟ^多種方式分配 512 個(gè) 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(jī)處理器在加速計(jì)自動(dòng)收集數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間休眠，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)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(shí)它可以處理其他任務(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(diǎn)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(cè)量的較低帶寬。

審核編輯：郭婷