為何說MEMS傳感器在結構健康監(jiān)測中決定性作用

隨著數(shù)字化或物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，傳感器正成為工業(yè)基礎設施應用的核心。在這種情況下，應用依賴 MEMS 進行狀態(tài)監(jiān)控和結構健康監(jiān)測，與這些新應用相伴而來的是關于性能和可靠性的非常具體的標準。

智能基礎設施

利用數(shù)字化創(chuàng)建智能基礎設施可帶來諸多好處，其中包括更高的容量、效率和可靠性。智能基礎設施可為客戶和用戶提供更多且更有針對性的服務，而無需增加投資或資源。此外，互連基礎設施可以收集數(shù)據(jù)，以幫助更有效地設計和實現(xiàn)未來基礎設施。將智能引入基礎設施還可以有效解決維護的主要挑戰(zhàn)。

MEMS 傳感器在結構健康監(jiān)測中起著決定性作用。它們可用于測量傾斜度變化、振動分析以及線性或圓周運動——即使在極端條件下也能測量。通過此類傳感器可以執(zhí)行預測性維護，更好地利用可用資源并幫助避免服務故障和中斷。ADI 公司擁有深厚的專業(yè)知識，并已投入巨資開發(fā)可支持智能基礎設施應用的 MEMS 技術。

ADXL35x MEMS加速度計系列

ADI 推出一系列新型低噪聲、低功耗、3軸加速度計——

• 提供模擬輸出的ADXL354；

• 提供數(shù)字輸出和±2 g、±4 g、 ±8 g可編程范圍的ADXL355；

• 提供模擬輸出的ADXL356；

• 提供數(shù)字輸出和±10 g、±20 g、±40 g可編程范圍的ADXL357

• ……

這些器件可用于IMU（慣性測量單元）、平臺穩(wěn)定系統(tǒng)、傾角計和預測性維護系統(tǒng)。這些中高檔傳感器專為一些要求極為苛刻的傳感器應用而設計，例如地震分析、工業(yè)和基礎設施預測性維護系統(tǒng)。

支持結構健康監(jiān)測的高級特性

對于狀態(tài)監(jiān)控和結構健康監(jiān)測，測量范圍是一個重要參數(shù)。 例如，在加速度峰值為幾個g的應用中，2 g范圍的傳感器就足夠了。但是，這些器件常常工作在受到強烈振動和沖擊的環(huán)境中，這會導致傳感器飽和。一旦飽和，就不可能測量出正確的加速度。結果是數(shù)據(jù)丟失，直到器件恢復正常工作為止。這種情況下，可以使用40 g傳感器。達到飽和的可能性較小，即使存在很高的機械噪聲，也可以通過適當?shù)?a target="_blank">信號處理提取所需的信息。

許多基礎設施應用中的傳感器可能在遠程或很難接近，因此無線傳感器網(wǎng)絡是最佳解決方案。這使得低功耗成為另一個關鍵考慮因素。ADXL35x器件在待機模式下的功耗僅為21μA； 在測量模式下，模擬輸出器件的功耗為150μA，數(shù)字輸出器件的功耗為200μA。當主機微控制器處于休眠模式時，ADXL355/ ADXL357中的FIFO存儲器存儲數(shù)據(jù)。當存儲器滿時，中斷將喚醒微控制器傳輸數(shù)據(jù)并執(zhí)行要求的操作。微控制器一旦完成傳輸，便返回低功耗休眠模式，確保系統(tǒng)功耗非常低。

通常，低功耗是以犧牲其他性能為代價的，例如速度和噪聲。 在ADXL35x加速度計中，低g器件的噪聲譜密度為20μg/√Hz，高g 器件的噪聲譜密度為80μg/√Hz。另外，內部架構有助于優(yōu)化加速度計的靈敏度。圖2顯示了這些模擬和數(shù)字器件的框圖。來自傳感器的信號進入濾波模塊，然后由后續(xù)電路予以處理。濾波之后輸出之前，還有一個緩沖器和一個32 kΩ電阻，在此可進行進一步的模擬濾波。數(shù)字器件有一個額外的可編程數(shù)字濾波器。

低通濾波器的截止頻率根據(jù)輸出數(shù)據(jù)速率進行調整，還可以插入高通濾波器以實現(xiàn)帶通功能。對于狀態(tài)監(jiān)控，振動頻譜分析是主要工具，因此高帶寬對捕獲更多數(shù)量的諧波非常重 要。傳感器的機械諧振頻率約為5.5 kHz，但頻率響應主要由截止頻率為1.5 kHz的抗混疊濾波器決定。最后，為了提供所需的分辨率，使用20位∑-?轉換器來執(zhí)行模數(shù)轉換。由于有這些特性，這些加速度計也可以用于記錄地震事件。

ADXL356和ADXL357功能框圖

如果要監(jiān)測建筑物、橋梁、軌道、高壓塔或基礎設施的任何其他元件的結構健康狀況，穩(wěn)定性非常重要。這里要測量的是結構的漂移，不應將其與測量器件的漂移混淆。

傳感器的長期穩(wěn)定性與機械應力有關。在焊接階段遭受的任何機械應力都可能導致電氣失調。應力可能會隨時間而變化，造成失調漂移。這可能被誤解為傾斜度或其他結構參數(shù)的變化。 為了避免這個問題，需要特別注意芯片貼裝操作。

封裝選擇也很重要。這些加速度計采用魯棒的14引腳LCC陶瓷封裝，對機械應力的防護能力遠遠優(yōu)于消費電子應用廣泛使用的塑料封裝。陶瓷封裝還能保證高度密封性，防止水分和顆粒進入，從而有助于提高長期穩(wěn)定性。

在正常工作期間，器件可能會受到各種環(huán)境條件的影響，特別是溫度和濕度可能影響其性能。對于濕度，傳感器的密封封裝 （14引腳LCC就是如此）可確保器件即使在最惡劣的條件下也能穩(wěn)定運行。工作溫度范圍為–40°C至+125°C，這意味著哪怕在極端溫度下，器件也能很好地工作。此外應特別注意使失調漂移最小化，這是最關鍵的參數(shù)。在所有三個軸上，低g加速度計ADXL354/ADXL355的最大漂移為±0.15 mg/°C，高g加速度計 ADXL356/ADXL357的最大漂移為±0.75 mg/°C。另外，這些加速度計配備有集成溫度傳感器，可用于漂移的熱補償。

表1. 新系列MEMS加速度計的主要特性

結論

如今對 MEMS 傳感器的需求已擴大到消電子應用之外。工業(yè)和基礎設施市場正在創(chuàng)造新的機遇。在這些領域，可靠性和性能是關鍵因素。ADI公司的研究一直專注于開發(fā)可在極端環(huán)境條件下實現(xiàn)高性能和可靠運行的解決方案。ADXL354、ADXL355、 ADXL356和ADXL357是新系列高g加速度計——ADXL1001 (±100 g)、 ADXL1002 (±50 g)、ADXL1004 (±500 g)超低噪聲和24 kHz超高帶寬產(chǎn)品的補充。