基于MEMS的加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用

在工業(yè)應(yīng)用中，通常需要測量與運(yùn)動相關(guān)的量，如壓力，速度和加速度。然而，可以測量這些參數(shù)的傳感器的部署受到成本的限制，以及由于不可預(yù)見的機(jī)械和電子因素而難以獲得準(zhǔn)確和一致的測量。

這是不幸的，因?yàn)閷?shí)際這些參數(shù)的值以及這些值的相對變化可以提供對基本系統(tǒng)操作，碰撞檢測，即將發(fā)生的故障，過度振動和未授權(quán)移動的深入了解。因此，設(shè)計(jì)人員考慮重新審視其傳感選項(xiàng)非常重要。

的確，有些解決方案僅適用于有限的專業(yè)應(yīng)用，其成本和復(fù)雜性是次要的。然而，隨著用于運(yùn)動和加速度傳感的低成本，小型，低功耗基于MEMS的IC的發(fā)展，這種情況發(fā)生了巨大變化。

本文將簡要介紹一些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT） ）設(shè)計(jì)受益于運(yùn)動相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景。它還將解釋使用這些設(shè)備獲得準(zhǔn)確和一致測量的不那么明顯的困難，這是由于電子和機(jī)械問題造成的。

在對基本物理原理進(jìn)行簡要回顧之后，它將會查看相關(guān)產(chǎn)品，規(guī)格和應(yīng)用領(lǐng)域。然后它將提出有關(guān)機(jī)械放置和安裝的關(guān)鍵問題，并查看可以幫助開發(fā)人員快速實(shí)現(xiàn)最終應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)/評估板。

傳感物理學(xué)

經(jīng)典物理學(xué)習(xí)運(yùn)動的基本方程：力=質(zhì)量×加速度，其中加速度定義為速度的變化（其時(shí)間導(dǎo)數(shù)），速度是位置的變化（位置的時(shí)間導(dǎo)數(shù)）。加速度在數(shù)字上表示為SI（公制）系統(tǒng)中的m/sec 2 ，或者通常以“g”為單位表示，其中“one g”是由于地球引力引起的標(biāo)準(zhǔn)加速度值， 9.8米/秒 2 。

加速度是一個矢量，加速度的完整表征需要三個傳感器用于正交的x，y和z軸。慣性測量單元（IMU）將三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀相結(jié)合，指示方向的變化，并用于導(dǎo)航和引導(dǎo)。然而，加速度計(jì)還有許多工業(yè)應(yīng)用，這些應(yīng)用可能只需要沿一個或兩個軸進(jìn)行檢測。

基于MEMS的加速度計(jì)IC使用“檢測質(zhì)量”，它通過一個懸掛在電容式傳感板之間懸臂或角簧布置;隨著設(shè)備加速，檢測質(zhì)量由于其慣性而“保持后退”。檢測質(zhì)量相對于板的相對位置的微觀變化被電容性地感測，傳遞到電荷放大器，進(jìn)一步放大和濾波，然后呈現(xiàn)為模擬或數(shù)字化輸出。

MEMS加速度計(jì)是可提供低至1 g的滿量程范圍，高達(dá)100 g或更高。較低的范圍通常是許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的良好匹配，而較高的范圍則適用于特殊情況，例如火箭發(fā)射，車輛碰撞和其他高沖擊事件。

設(shè)備范圍廣泛，應(yīng)用

“突破性”MEMS加速度計(jì)應(yīng)用是汽車安全氣囊傳感器/觸發(fā)器，它迅速取代了機(jī)械“球管”沖擊傳感器。然而，由于加速難以測量和量化，因此無法解決和/或考慮許多潛在的應(yīng)用?，F(xiàn)在情況發(fā)生了變化，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用正在利用基于MEMS的設(shè)備的可用性來解決之前無法實(shí)現(xiàn)的情況，因此被忽略了。

振動監(jiān)測是MEMS加速度計(jì)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的最大用途。這些包括“靜止”加速情況，其中目標(biāo)物體保持固定就位，例如電動機(jī)或機(jī)器，其中振動數(shù)據(jù)可指示即將發(fā)生的軸承故障和其他問題。加速也用于不受束縛或松散系繩的裝置，以提供防盜和移除的物理安全性。它還用于檢測設(shè)備掉落，其中諸如筆記本電腦PC之類的物體不會掉到地上。這兩種基本模式?jīng)Q定了所需的g范圍和頻率響應(yīng)，并影響安裝和機(jī)械問題，將在下面進(jìn)一步討論。

非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的MEMS加速度計(jì)往往不如那些精確和精確。導(dǎo)航/引導(dǎo)，但因此它們也更小，成本更低，功率更低的設(shè)備。這使得它們非常適合嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這些應(yīng)用采用長壽命的非充電電池供電，或者通過能量收集供電。

例如，ADI公司的ADXL344是一個3軸，數(shù)字輸出，低g MEMS加速度計(jì)，具有可選擇的測量范圍（±2 g，±4 g，±8 g和±16 g）和帶寬（圖1）。它可以測量傾斜傳感應(yīng)用中的靜態(tài)重力加速度，以及振動或沖擊引起的動態(tài)加速度。

< p>圖1：ADI公司的ADXL344是一款基于MEMS的微型3軸加速度計(jì)，還包括許多用戶可設(shè)置的報(bào)警，監(jiān)控模式和報(bào)告方案。 （圖像來源：ADI公司）

ADXL344的物聯(lián)網(wǎng)友好功能包括基于用戶可設(shè)置閾值的內(nèi)置運(yùn)動檢測功能。使用這些功能，它可以通過SPI或I 2 C數(shù)字接口確定并報(bào)告值，前提是它所連接的對象已被移動。這大大減少了通信負(fù)擔(dān)和功率需求。它還可以指示相反的情況，例如正常運(yùn)動已停止（機(jī)器故障或電源故障），而不是響應(yīng)重復(fù)查詢，或發(fā)送常規(guī)但冗余的更新。盡管具有3軸功能和許多內(nèi)部特性，但它采用微型LGA封裝，尺寸僅為3 x 3 x 0.93 mm。

適用于高g工業(yè)應(yīng)用，如快速移動或高速振動STMicroelectronics的單軸AIS1120SX和雙軸AIS2120SX可提供±120 g的滿量程范圍設(shè)備以及高沖擊力。 14位器件包括完整的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換鏈，包括一個充電/電壓轉(zhuǎn)換器，電荷放大器和一個2 nd 階sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）（圖2）。數(shù)字內(nèi)核包括用戶可選濾波（400/800/1600 Hz），補(bǔ)償和插值，控制邏輯和SPI協(xié)議接口，均采用塑料SOIC8封裝。

圖2：STMicroelectronics的單軸AIS1120SX和雙軸AIS2120SX包括多種校準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償功能，以及目標(biāo)高g，嚴(yán)重沖擊應(yīng)用的±120 g范圍。 （圖片來源：STMicroelectronics）

AIS1120SX/AIS2120SX的另一個有用功能是慢速和快速偏移消除。這補(bǔ)償了信號偏移，這是由于IC的物理放置和定向以及電子效應(yīng)而不可避免的。上電后立即使用快速偏移消除，而慢速模式則用于連續(xù)運(yùn)行偏移消除。

校準(zhǔn)，自檢，評估是關(guān)鍵

ADI公司而STMicroelectronics設(shè)備不僅僅是加速度傳感器，而是提供基本的數(shù)字化輸出。為了使它們在系統(tǒng)級別上具有功率和操作效率（意味著它們最小化數(shù)據(jù)處理和功耗），它們包含大量數(shù)字電路來選擇濾波器，建立閾值，設(shè)置和報(bào)告警報(bào)，以及管理接口協(xié)議。后處理器。這些加速度計(jì)非常適合遠(yuǎn)程定位的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通常使用無線鏈路，除非需要，否則不得激活這些應(yīng)用以降低功耗。

這種情況的缺點(diǎn)是這些設(shè)備需要用戶進(jìn)行大量規(guī)劃和編程，以設(shè)置許多操作寄存器和模式，并確保這些加速度計(jì)能夠在系統(tǒng)范圍內(nèi)完成所需的操作。它們不是基本的“插入式”傳感器，具有主機(jī)MCU必須處理的簡單模擬或數(shù)字輸出。相反，它們具有內(nèi)部處理功能和狀態(tài)機(jī)，需要初始化，配置和管理，以便通過利用它們的許多功能來實(shí)現(xiàn)它們的潛力。

校準(zhǔn)和自檢也是這些傳感器的領(lǐng)域與用于其他物理變量（例如溫度或壓力）的傳感器相比具有優(yōu)勢。當(dāng)然，當(dāng)使用諸如高質(zhì)量熱電偶的溫度傳感器時(shí)，如果模擬前端（AFE）設(shè)計(jì)得很好，通常不需要校準(zhǔn)。另一方面，沒有簡單的方法來測試熱電偶元件本身，因?yàn)檫@需要施加已知的溫度，這在最好情況下是困難的（當(dāng)然，“開路”熱電偶易于檢測）。其他傳感器存在類似的測試和校準(zhǔn)困境，例如壓力或位置，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員必須提供已知的外部刺激，然后評估結(jié)果。

幸運(yùn)的是，有一種簡單的方法可以實(shí)現(xiàn)這些MEMS加速度計(jì)的高可信度自檢和校準(zhǔn)過程。在正常操作中，檢測質(zhì)量周圍的傳感板測量由于該質(zhì)量塊的運(yùn)動引起的電容的微小變化。然而，互補(bǔ)作用也是可能的：板可以被精確地充電，使得它們使質(zhì)量移動，并且測量它們的合成位移。通過這種方式，這些加速度計(jì)對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常有吸引力，尤其是深度嵌入式應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢远ㄆ谡{(diào)用自檢和校準(zhǔn)模式并評估自己的性能。

機(jī)械問題：顯著的設(shè)計(jì)影響

一般而言，傳感器放置在產(chǎn)品中的位置和方式是一個非常重要的問題：想想麥克風(fēng)，光傳感器，溫度傳感器和壓力傳感器。物聯(lián)網(wǎng)加速度計(jì)存在重大的放置和安裝問題。

首先，存在傳感器與感興趣的運(yùn)動軸對齊的問題。當(dāng)然，加速度計(jì)的主軸必須盡可能物理地對齊，但是接近完美的對準(zhǔn)并不總是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，許多加速度計(jì)系統(tǒng)具有初始校準(zhǔn)階段，其中傳感器輸出“靜止”被分配零讀數(shù)。但是，使用軸外讀數(shù)為零會降低實(shí)際范圍跨度，并通過角度誤差的正弦值進(jìn)行測量。

更具挑戰(zhàn)性的是機(jī)械安裝。將加速度計(jì)連接到印刷電路板有許多錯誤和一些正確的方法，如果它是安裝的地方。如果支撐不良或不充分，加速度計(jì)將由于板組件的自然，不可避免，無阻尼共振而經(jīng)歷不期望的誤導(dǎo)性振動（圖3）。

圖3：加速度計(jì)IC安裝到印刷電路板（綠色）的位置，以及支持該電路板的位置，是確保有意義和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素;在這里，顯示了一些錯誤的地方。 （圖片來源：ADI公司）

由于這些原因，供應(yīng)商強(qiáng)烈建議將傳感器放置在“硬”安裝點(diǎn)，例如完全支撐的板角，如果可能的話甚至使用多個這樣的安裝點(diǎn)。另一種策略是使用更厚（但更昂貴）的印刷電路板來減少電路板和系統(tǒng)共振的影響。無論采用何種方法，目標(biāo)都是確保加速度計(jì)檢測到的任何PCB振動都高于其機(jī)械共振頻率，因此加速度計(jì)不會“看到”。

未安裝加速度計(jì)的應(yīng)用如何？在主印刷電路板上，而是連接到感興趣的工件或物體上，然后連接到剩余的電子設(shè)備上？一種解決方案是使用一個小的，單獨(dú)的印刷電路板，加速度計(jì)IC焊接到該印刷電路板上，并將導(dǎo)線連接到主板上。

這個小板可以封裝以提供額外的保護(hù)，然后連接到在某些情況下，根據(jù)操作環(huán)境和預(yù)期的加速度大小，使用螺釘安裝件或甚至工業(yè)強(qiáng)度雙面膠帶監(jiān)控物體。其他安裝解決方案取決于應(yīng)用的限制，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的獨(dú)創(chuàng)性，行業(yè)和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，普遍接受的最佳實(shí)踐以及可用的外殼。

評估套件：不僅僅是電路

現(xiàn)在，供應(yīng)商為其IC和相關(guān)組件提供評估套件，參考設(shè)計(jì)和測試套件是標(biāo)準(zhǔn)做法。在大多數(shù)情況下，這是因?yàn)镮C具有復(fù)雜的接口或敏感的信號路徑，例如RF設(shè)備。然而，為了評估加速度計(jì)，評估板的需求不是由這些因素驅(qū)動的，而是由設(shè)置受控刺激的基本挑戰(zhàn)來測量。這些允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)測試和修改他們的算法以滿足應(yīng)用要求。

例如，用于三軸加速度計(jì)測試的德州儀器DRV-ACC16-EVM評估模塊主要用于觸覺系統(tǒng)，但也可用于振動相關(guān)測試（圖4）。

圖4：德州儀器DRV-ACC16 -EVM評估模塊用于多軸測試，包括用于安裝加速度計(jì)和連接示波器的板，以及USB電源連接。 （圖片來源：德州儀器）

它不僅可以量化振動，還可以通過用戶提供的振動電機(jī)激勵加速度計(jì)。這些電機(jī)包括偏心旋轉(zhuǎn)電機(jī)（ERM），它圍繞x軸旋轉(zhuǎn)并在yz平面內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)振動，如圖5a;線性諧振致動器（LRA）沿z軸移動并僅沿該軸產(chǎn)生振動，圖5b;和一個產(chǎn)生單軸運(yùn)動的壓電模塊，如圖5c所示。

圖5：DRV-ACC16-EVM可以可以與各種振動/激勵源一起使用，每個振動/激勵源沿著不同的軸產(chǎn)生運(yùn)動，包括偏心旋轉(zhuǎn)電動機(jī)（5a），線性諧振致動器（5b）和壓電效應(yīng)致動器（5c）。 （圖像來源：德州儀器公司）

該模塊允許設(shè)計(jì)人員分析加速度計(jì)的位置，安裝和方向的影響，套件指南解釋了如何使用示波器圖像計(jì)算感應(yīng)的g力。加速度計(jì)板連接到測試表面，然后使用其中一個振動源進(jìn)行激勵，以模擬實(shí)際使用情況（圖6）。

接口板簡化了將加速度計(jì)輸出信號連接到示波器的過程，并允許比較振動刺激波形與檢測到的波形（圖7）。將加速度計(jì)電壓波形（此處為155.8 mV）的峰峰值電壓除以2以獲得峰值電壓，然后除以57毫伏（mV）比例因子以計(jì)算加速度（峰值每57 mV）電壓對應(yīng)于此評估設(shè)置的1 g峰值加速度）：

加速度（g）= Vpeak/57 mV

此處，計(jì)算出的峰值加速度為：

加速度= 155.8 Vpp/（2×57 mV峰值）= 1.367 gpeak

圖6：加速度計(jì)板和振動執(zhí)行器都安裝在公共表面上，以便進(jìn)行駕駛員響應(yīng)評估。 LRA由TI DRV2605致動器驅(qū)動器（未示出）供電。 （圖像來源：德州儀器）

圖7：藍(lán)色波形（頂部）是由a組成的應(yīng)用刺激斜坡上升后跟多脈沖波形，而橙色（下）波形是加速度計(jì)輸出;基本匹配允許用戶計(jì)算峰值加速度。在這種情況下，它是1.367克。 （圖片來源：德州儀器）

結(jié)論

現(xiàn)在可以通過許多低成本，高性能的基于MEMS的加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能性的新世界。多個供應(yīng)商。雖然它們由于內(nèi)部模擬和數(shù)字處理和濾波以及標(biāo)準(zhǔn)I/O而在電氣上易于接口，但它們需要仔細(xì)初始化和管理其眾多寄存器和用戶可選擇的選項(xiàng)。

此外，這些加速度計(jì)帶來了一系列機(jī)械安裝考慮因素，必須對其進(jìn)行評估并考慮其終點(diǎn)用途。評估套件可以幫助完成該過程，同時(shí)了解已建立的測試實(shí)踐，標(biāo)準(zhǔn)和基本的機(jī)械工程原理。