加速度計(jì)能夠測(cè)量加速度、傾斜度、振動(dòng)或沖擊，因此，可用于從可穿戴健身設(shè)備到工業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)的各種應(yīng)用。有數(shù)百種零件可供選擇，成本和性能都有很大的跨度。本文第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，從而幫助設(shè)計(jì)人員選擇最合適的加速度計(jì)。第2部分將重點(diǎn)介紹可穿戴設(shè)備、基于狀態(tài)的監(jiān)測(cè)（CBM）和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

最新的MEMS電容式加速度計(jì)在傳統(tǒng)上由壓電加速度計(jì)和其他傳感器主導(dǎo)的應(yīng)用中得到了應(yīng)用。CBM、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) （SHM）、資產(chǎn)健康監(jiān)測(cè) （AHM）、生命體征監(jiān)測(cè) （VSM） 和物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用是下一代 MEMS 傳感器提供解決方案的領(lǐng)域。但是，由于加速度計(jì)和應(yīng)用如此之多，選擇合適的加速度計(jì)很容易變得混亂。

沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義加速度計(jì)適合的類別。加速度計(jì)通常分為幾類，相應(yīng)的應(yīng)用如表1所示。顯示的帶寬和g范圍值是所列最終應(yīng)用中使用的加速度計(jì)的典型值。

［表1|加速度計(jì)等級(jí)及典型應(yīng)用領(lǐng)域］

圖1顯示了一系列MEMS加速度計(jì)的快照，并根據(jù)特定應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標(biāo)和智能/集成水平對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行分類。本文重點(diǎn)介紹基于增強(qiáng)型MEMS結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理的下一代加速度計(jì)，以及世界一流的封裝技術(shù)，提供與更昂貴的利基器件相媲美的穩(wěn)定性和噪聲性能，同時(shí)功耗更低。這些屬性和其他關(guān)鍵加速度計(jì)規(guī)范將在以下各節(jié)中根據(jù)應(yīng)用程序相關(guān)性進(jìn)行更詳細(xì)的討論。

［圖1|ADI公司MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用前景］

傾角或傾斜感應(yīng)

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：偏置穩(wěn)定性、溫度偏移、低噪聲、可重復(fù)性、振動(dòng)校正、跨軸靈敏度。

對(duì)于MEMS電容式加速度計(jì)而言，精確的傾斜或傾斜檢測(cè)是一項(xiàng)要求很高的應(yīng)用，尤其是在存在振動(dòng)的情況下。使用MEMS電容式加速度計(jì)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)0.1°的傾斜精度是非常困難的-《1°很難實(shí)現(xiàn)，》1°是非常容易實(shí)現(xiàn)的。為了使加速度計(jì)能夠有效地測(cè)量?jī)A斜度或傾角，必須充分了解傳感器性能和最終應(yīng)用環(huán)境。與動(dòng)態(tài)環(huán)境相比，靜態(tài)環(huán)境為測(cè)量?jī)A角提供了更好的條件，因?yàn)檎駝?dòng)或沖擊會(huì)損壞傾斜數(shù)據(jù)并導(dǎo)致測(cè)量中的重大誤差。測(cè)量?jī)A斜度最重要的規(guī)格是溫度系數(shù)偏移、遲滯、低噪聲、短期/長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可重復(fù)性和良好的振動(dòng)校正。

諸如0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置移位、PCB外殼對(duì)準(zhǔn)引起的0 g偏置位移、零g偏置溫度系數(shù)、靈敏度精度和溫度系數(shù)、非線性度和跨軸靈敏度等誤差是可以觀察到的，并且可以通過(guò)裝配后校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)減少。其他誤差項(xiàng)，如遲滯、壽命期間的零g偏置偏移、壽命期間的靈敏度偏移、濕度引起的零g偏移以及由于溫度隨時(shí)間變化引起的PCB彎曲和扭曲，在校準(zhǔn)中無(wú)法解決，否則需要一定程度的原位維修才能降低。

ADI公司的加速度計(jì)系列可分為微機(jī)電系統(tǒng)（ADXLxxx）和i傳感器（ADIS16xxx）專用器件。我傳感器或智能傳感器高度集成（4°至10°自由度）和可編程部件，用于動(dòng)態(tài)條件下的復(fù)雜應(yīng)用。這些高度集成的即插即用解決方案包括完整的工廠校準(zhǔn)、嵌入式補(bǔ)償和信號(hào)處理，解決了上述原位維修中的許多錯(cuò)誤，并大大降低了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證負(fù)擔(dān)。這種廣泛的工廠校準(zhǔn)可表征整個(gè)傳感器信號(hào)鏈在指定溫度范圍（典型值為?40°C至+85°C）內(nèi)的靈敏度和偏置特性。 因此，每個(gè)iSensor部件都有自己獨(dú)特的校正公式，可在安裝時(shí)產(chǎn)生精確的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于某些系統(tǒng)，工廠校準(zhǔn)消除了系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)的需要，并大大簡(jiǎn)化了其他系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

我傳感器部件專門針對(duì)某些應(yīng)用。例如，圖2所示的ADIS16210是專門為傾斜應(yīng)用而設(shè)計(jì)和定制的，因此開箱即用可提供《1°的相對(duì)精度。這在很大程度上取決于集成的信號(hào)處理和特定于單元的校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳精度性能。我傳感器將在穩(wěn)定部分進(jìn)一步討論。

［圖2 |ADIS16210 精密三軸傾角］

最新一代加速度計(jì)架構(gòu)（如ADXL355）的通用性更強(qiáng)（傾斜度、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康、IMU/AHRS應(yīng)用），并且包含較少的應(yīng)用特定功能，但仍具有豐富的集成模塊，如圖3所示。

［Figure 3 | ADXL355 low noise， low drift， low power， 3-axis MEMS accelerometer］

下一節(jié)比較通用加速度計(jì)ADXL345與下一代低噪聲、低漂移和低功耗加速度計(jì)ADXL355，后者非常適合在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)和傾角計(jì)等各種應(yīng)用中使用。此比較著眼于傾斜應(yīng)用中的誤差源，以及哪些誤差可以補(bǔ)償或消除。表2顯示了消費(fèi)級(jí)ADXL345加速度計(jì)理想性能規(guī)格的估計(jì)值和相應(yīng)的傾斜誤差。當(dāng)試圖達(dá)到最佳的傾斜精度時(shí)，必須應(yīng)用某種形式的溫度穩(wěn)定或補(bǔ)償。對(duì)于此示例，假設(shè)恒定溫度為25°C。無(wú)法完全補(bǔ)償?shù)淖畲笳`差因素是溫度失調(diào)、偏置漂移和噪聲。可以降低帶寬以降低噪聲，因?yàn)閮A斜應(yīng)用通常需要低于1 kHz的帶寬。

［表2|ADXL345 誤差源估計(jì)值］

表3顯示了ADXL355的相同標(biāo)準(zhǔn)。短期偏倚值是根據(jù)ADXL355數(shù)據(jù)手冊(cè)中的艾倫方差根圖估計(jì)的。在25°C時(shí)，通用型ADXL345的補(bǔ)償傾斜精度估計(jì)為0.1°。對(duì)于工業(yè)級(jí)ADXL355，估計(jì)傾斜精度為0.005°。比較ADXL345和ADXL355可以看出，噪聲等較大的誤差貢獻(xiàn)因素分別從0.05°降至0.0045°，偏置漂移從0.057°降至0.00057°。

［表3|ADXL355 誤差源估計(jì)值］

選擇更高等級(jí)的加速度計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需性能至關(guān)重要，特別是如果您的應(yīng)用要求低于1°的傾斜精度。應(yīng)用精度可能因應(yīng)用條件（溫度波動(dòng)大、振動(dòng)大）和傳感器選擇（消費(fèi)級(jí)與工業(yè)級(jí)或戰(zhàn)術(shù)級(jí)）而異。在這種情況下，ADXL345需要大量的補(bǔ)償和校準(zhǔn)工作才能實(shí)現(xiàn)《1°傾斜精度，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的工作和成本。根據(jù)最終環(huán)境和溫度范圍中的振動(dòng)幅度，這甚至可能是不可能的。在25°C至85°C的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)失調(diào)漂移為1.375°，已經(jīng)超過(guò)了傾斜精度小于1°的要求。

ADXL354和ADXL355的重復(fù)性（X和Y的重復(fù)性為±3.5 mg/0.2°，Z軸的重復(fù)性為±9 mg/0.5°），包括由于高溫工作壽命測(cè)試（HTOL）（TA = 150°C，VSUPPLY = 3.6 V和1000小時(shí)），溫度循環(huán)（?55°C至+125°C和1000次循環(huán)）引起的偏移。 速度隨機(jī)游走、寬帶噪聲和溫度滯后。通過(guò)在各種條件下提供可重復(fù)的傾斜測(cè)量，這些新型加速度計(jì)無(wú)需在惡劣環(huán)境中進(jìn)行大量校準(zhǔn)，即可實(shí)現(xiàn)最小的傾斜誤差，并最大限度地減少部署后校準(zhǔn)的需求。ADXL354和ADXL355加速度計(jì)具有保證的溫度穩(wěn)定性，零點(diǎn)失調(diào)系數(shù)為0.15 mg/°C（最大值）。穩(wěn)定性最大限度地減少了與校準(zhǔn)和測(cè)試工作相關(guān)的資源和費(fèi)用，有助于為設(shè)備 OEM 實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。此外，密封封裝有助于確保最終產(chǎn)品在出廠后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)符合其可重復(fù)性和穩(wěn)定性規(guī)格。

通常，重復(fù)性和抗振整流誤差（VRE）不會(huì)顯示在數(shù)據(jù)手冊(cè)上，因?yàn)樗鼈兪切阅茌^低的潛在指標(biāo)。例如，ADXL345是一款通用加速度計(jì)，針對(duì)VRE不是設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注點(diǎn)的消費(fèi)類應(yīng)用。然而，在更苛刻的應(yīng)用中，例如導(dǎo)航、傾斜應(yīng)用或振動(dòng)豐富的特定環(huán)境，對(duì)VRE的抗擾度可能是設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題，因此，ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357數(shù)據(jù)手冊(cè)中也包括了VRE。

如表4所示，VRE是加速度計(jì)暴露于寬帶振動(dòng)時(shí)引入的失調(diào)誤差。當(dāng)加速度計(jì)暴露在振動(dòng)中時(shí)，與溫度和噪聲貢獻(xiàn)的0 g偏移相比，VRE在傾斜測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生顯著誤差。這是它被遺漏在數(shù)據(jù)手冊(cè)之外的關(guān)鍵原因之一，因?yàn)樗苋菀籽谏w其他關(guān)鍵規(guī)格。

VRE是加速度計(jì)對(duì)交流振動(dòng)的響應(yīng)，這些振動(dòng)被校正為直流。這些直流整流振動(dòng)會(huì)改變加速度計(jì)的偏移，導(dǎo)致重大誤差，特別是在目標(biāo)信號(hào)為直流輸出的傾斜應(yīng)用中。直流失調(diào)的任何微小變化都可以解釋為傾角的變化，并導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)誤差。

［表4|以傾斜度為單位顯示的誤差］

VRE可能由加速度計(jì)內(nèi)的各種諧振和濾波器引起，在本例中為ADXL355，因?yàn)閂RE對(duì)頻率具有很強(qiáng)的依賴性。振動(dòng)被這些共振放大，放大的系數(shù)等于諧振的Q因子，并且由于諧振器的2極響應(yīng)的二階，將在較高頻率下抑制振動(dòng)。傳感器的 Q 因子共振越大，由于振動(dòng)放大幅度越大，VRE 就越大。較大的測(cè)量帶寬導(dǎo)致高頻帶內(nèi)振動(dòng)的積分，從而導(dǎo)致更高的VRE，如圖4所示。通過(guò)為加速度計(jì)選擇適當(dāng)?shù)膸拋?lái)抑制高頻振動(dòng)，可以避免許多與振動(dòng)相關(guān)的問(wèn)題。1

［圖4|ADXL355 在不同帶寬下的 VRE 測(cè)試］

靜態(tài)傾斜測(cè)量通常需要低g加速度計(jì)，約為±1 g至±2 g，帶寬小于1.5 kHz。模擬輸出ADXL354和數(shù)字輸出ADXL355分別具有低噪聲密度（分別為20 μg√Hz和25 μg√Hz）、低0 g失調(diào)漂移、低功耗、帶集成溫度傳感器和可選測(cè)量范圍的3軸加速度計(jì)，如表5所示。

［表5|測(cè)量范圍為 ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357 測(cè)量范圍］

ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357 采用密封封裝，可提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性。封裝帶來(lái)的性能提升通常會(huì)擴(kuò)展，如圖 5 所示。在制造商可以做些什么來(lái)增加與穩(wěn)定性和漂移相關(guān)的額外性能方面，封裝經(jīng)常被忽視。這一直是ADI公司的一個(gè)重點(diǎn)，這在我們針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域提供的各種傳感器封裝類型中都可以看到。

高溫和動(dòng)態(tài)環(huán)境

在提供額定工作溫度為高溫或惡劣環(huán)境的加速度計(jì)出現(xiàn)之前，一些設(shè)計(jì)人員被迫使用遠(yuǎn)超出數(shù)據(jù)手冊(cè)限制的標(biāo)準(zhǔn)溫度IC。這意味著最終用戶承擔(dān)了在高溫下鑒定組件的責(zé)任和風(fēng)險(xiǎn)，這是昂貴且耗時(shí)的。眾所周知，密封密封封裝在高溫下堅(jiān)固耐用，可防止導(dǎo)致腐蝕的水分和污染。ADI公司提供一系列密封器件，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供增強(qiáng)的穩(wěn)定性和性能。

ADI公司還做了大量工作，研究塑料封裝在高溫下的性能，特別是引線框架和引線是否符合高溫焊接工藝的能力，并為高沖擊和振動(dòng)環(huán)境提供安全連接。因此，ADI公司提供18款額定溫度范圍為?40°C至+125°C的加速度計(jì)，包括ADXL206、ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357、ADXL1001/ADXL1002、ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不提供能夠在?40°C至+125°C或惡劣環(huán)境條件下（如重型工業(yè)機(jī)械和井下鉆探和勘探）運(yùn)行的MEMS電容式加速度計(jì)。

［圖5|通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)和校準(zhǔn)提高性能的示例］

在溫度高于125°C的非常惡劣的環(huán)境中進(jìn)行傾角測(cè)量是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。ADXL206是一款高精度（傾斜精度《0.06°）、低功耗、完整的雙軸MEMS加速度計(jì)，適用于高溫和惡劣環(huán)境，如井下鉆探和勘探。該器件采用 13 mm × 8 mm × 2 mm 側(cè)面釬焊陶瓷雙列直插式封裝，環(huán)境溫度范圍為 ?40°C 至 +175°C，高于 175°C 時(shí)性能下降，可回收率為 100%。

在存在振動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行傾角測(cè)量，例如農(nóng)業(yè)設(shè)備或無(wú)人機(jī)，需要更高的g范圍加速度計(jì)，例如ADXL356/ADXL357。在有限的g范圍內(nèi)進(jìn)行加速度計(jì)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致削波，從而導(dǎo)致輸出中增加額外的偏移。剪切可能是由于敏感軸處于1 g重力場(chǎng)中，或者由于具有快速上升時(shí)間和緩慢衰減的沖擊。G范圍越高，加速度計(jì)的削波就越小，從而減少偏移，從而在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更好的傾角精度。

圖6顯示了從ADXL356 Z軸進(jìn)行的g范圍有限的測(cè)量，該測(cè)量范圍中已經(jīng)存在1 g。圖7顯示了相同的測(cè)量結(jié)果，但g范圍從±10 g擴(kuò)展到±40 g。可以清楚地看到，通過(guò)擴(kuò)展加速計(jì)的g范圍，由限幅引起的偏移顯著減小。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357以較小的外形尺寸提供卓越的振動(dòng)校正、長(zhǎng)期重復(fù)性和低噪音性能，非常適合在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行傾斜/傾斜傳感。

［圖6|ADXL356 VRE，Z 軸偏移量為 1 g，±10 g 范圍，Z 軸方向 = 1 g］

［圖7|ADXL356 VRE， Z軸偏移量為1 g， ±40 g范圍， Z軸方向 = 1 g］

穩(wěn)定

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)：噪聲密度、速度隨機(jī)游走、運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性、偏置重復(fù)性和帶寬。

檢測(cè)和理解運(yùn)動(dòng)可以為許多應(yīng)用增加價(jià)值。利用系統(tǒng)所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為改進(jìn)的性能（縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度，更快的操作速度），增強(qiáng)的安全性或可靠性（危險(xiǎn)情況下的系統(tǒng)關(guān)閉）或其他增值功能，從而產(chǎn)生價(jià)值。由于運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，有一大類穩(wěn)定應(yīng)用需要陀螺儀與加速度計(jì)（傳感器融合）的組合，如圖8所示，例如，在船上使用的基于無(wú)人機(jī)的監(jiān)視設(shè)備和天線指向系統(tǒng)中。

［圖8|六自由度IMU］

六自由度IMU使用多個(gè)傳感器，因此它們可以補(bǔ)償彼此的弱點(diǎn)。在一個(gè)或兩個(gè)軸上看似簡(jiǎn)單的慣性運(yùn)動(dòng)實(shí)際上可能需要加速度計(jì)和陀螺儀傳感器融合，以補(bǔ)償振動(dòng)，重力和其他影響，而加速度計(jì)或陀螺儀無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。加速度計(jì)數(shù)據(jù)由重力分量和運(yùn)動(dòng)加速度組成。它們不能分開，但陀螺儀可用于幫助從加速度計(jì)輸出中刪除重力分量。由于加速度計(jì)數(shù)據(jù)的重力分量引起的誤差在確定加速度位置所需的積分過(guò)程后會(huì)迅速變大。由于累積誤差，僅靠陀螺儀不足以確定位置。陀螺儀不感應(yīng)重力，因此它們可以與加速度計(jì)一起用作支撐傳感器。

在穩(wěn)定應(yīng)用中，MEMS傳感器必須提供平臺(tái)方向的精確測(cè)量，特別是在運(yùn)動(dòng)時(shí)。圖9顯示了利用伺服電機(jī)進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)校正的典型平臺(tái)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的框圖。反饋/伺服電機(jī)控制器將方向傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的校正控制信號(hào)。

［圖9|基本平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)3］

最終應(yīng)用將決定所需的精度水平，而所選擇的傳感器質(zhì)量（無(wú)論是消費(fèi)級(jí)還是工業(yè)級(jí)）將決定這是否可實(shí)現(xiàn)。區(qū)分消費(fèi)級(jí)器件和工業(yè)級(jí)器件非常重要，這有時(shí)可能需要仔細(xì)考慮，因?yàn)椴町惪赡芎芗?xì)微。表6顯示了集成到IMU中的消費(fèi)級(jí)和中級(jí)工業(yè)級(jí)加速度計(jì)之間的主要區(qū)別。

［表6 |工業(yè)MEMS器件可對(duì)所有已知的潛在誤差源進(jìn)行廣泛的表征，并與消費(fèi)類器件相比，精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上2］

為了在動(dòng)態(tài)環(huán)境中測(cè)量從1°到0.1°的指向精度，設(shè)計(jì)人員的零件選擇必須側(cè)重于傳感器在溫度和振動(dòng)影響下抑制漂移誤差的能力。雖然傳感器濾波和算法（傳感器融合）是實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)的關(guān)鍵因素，但它們無(wú)法消除從消費(fèi)級(jí)到工業(yè)級(jí)傳感器的性能差距。ADI公司的新型工業(yè)IMU的性能接近上一代導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)。ADIS1646x和宣布推出的ADIS1647x等器件能夠以標(biāo)準(zhǔn)和微型IMU外形提供精密運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，開辟了曾經(jīng)是一個(gè)利基應(yīng)用領(lǐng)域。在某些情況下，條件是良性的，并且數(shù)據(jù)不精確是可以接受的，低精度設(shè)備可以提供足夠的性能。然而，在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)傳感器的要求迅速增長(zhǎng)，并且由于無(wú)法減少實(shí)際測(cè)量或溫度效應(yīng)的振動(dòng)效應(yīng)，因此較低精度的零件遭受了極大的影響，因此難以測(cè)量低于3°至5°的指向精度。大多數(shù)低端消費(fèi)類設(shè)備不提供參數(shù)規(guī)格，例如振動(dòng)整流、角度隨機(jī)游走和其他實(shí)際上可能是工業(yè)應(yīng)用中最大誤差源的參數(shù)。

在本文的第2部分中，我們將繼續(xù)探討MEMS加速度計(jì)的關(guān)鍵性能特征，以及它們?nèi)绾闻c可穿戴設(shè)備、基于狀態(tài)的監(jiān)控和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，包括結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和資產(chǎn)健康監(jiān)控。

審核編輯：郭婷