基于MEMS的加速度计实现工业物联网的广泛应用

在工业应用中，通常需要测量与运动相关的量，如压力，速度和加速度。然而，可以测量这些参数的传感器的部署受到成本的限制，以及由于不可预见的机械和电子因素而难以获得准确和一致的测量。

这是不幸的，因为实际这些参数的值以及这些值的相对变化可以提供对基本系统操作，碰撞检测，即将发生的故障，过度振动和未授权移动的深入了解。因此，设计人员考虑重新审视其传感选项非常重要。

的确，有些解决方案仅适用于有限的专业应用，其成本和复杂性是次要的。然而，随着用于运动和加速度传感的低成本，小型，低功耗基于MEMS的IC的发展，这种情况发生了巨大变化。

本文将简要介绍一些工业物联网（IIoT） ）设计受益于运动相关参数数据的应用场景。它还将解释使用这些设备获得准确和一致测量的不那么明显的困难，这是由于电子和机械问题造成的。

在对基本物理原理进行简要回顾之后，它将会查看相关产品，规格和应用领域。然后它将提出有关机械放置和安装的关键问题，并查看可以帮助开发人员快速实现最终应用的参考设计/评估板。

传感物理学

经典物理学习运动的基本方程：力=质量×加速度，其中加速度定义为速度的变化（其时间导数），速度是位置的变化（位置的时间导数）。加速度在数字上表示为SI（公制）系统中的m/sec 2 ，或者通常以“g”为单位表示，其中“one g”是由于地球引力引起的标准加速度值， 9.8米/秒 2 。

加速度是一个矢量，加速度的完整表征需要三个传感器用于正交的x，y和z轴。惯性测量单元（IMU）将三轴加速度计与三轴陀螺仪相结合，指示方向的变化，并用于导航和引导。然而，加速度计还有许多工业应用，这些应用可能只需要沿一个或两个轴进行检测。

基于MEMS的加速度计IC使用“检测质量”，它通过一个悬挂在电容式传感板之间悬臂或角簧布置;随着设备加速，检测质量由于其惯性而“保持后退”。检测质量相对于板的相对位置的微观变化被电容性地感测，传递到电荷放大器，进一步放大和滤波，然后呈现为模拟或数字化输出。

MEMS加速度计是可提供低至1 g的满量程范围，高达100 g或更高。较低的范围通常是许多物联网应用的良好匹配，而较高的范围则适用于特殊情况，例如火箭发射，车辆碰撞和其他高冲击事件。

设备范围广泛，应用

“突破性”MEMS加速度计应用是汽车安全气囊传感器/触发器，它迅速取代了机械“球管”冲击传感器。然而，由于加速难以测量和量化，因此无法解决和/或考虑许多潜在的应用。现在情况发生了变化，因为物联网应用正在利用基于MEMS的设备的可用性来解决之前无法实现的情况，因此被忽略了。

振动监测是MEMS加速度计在工业物联网中的最大用途。这些包括“静止”加速情况，其中目标物体保持固定就位，例如电动机或机器，其中振动数据可指示即将发生的轴承故障和其他问题。加速也用于不受束缚或松散系绳的装置，以提供防盗和移除的物理安全性。它还用于检测设备掉落，其中诸如笔记本电脑PC之类的物体不会掉到地上。这两种基本模式决定了所需的g范围和频率响应，并影响安装和机械问题，将在下面进一步讨论。

非常适合物联网应用的MEMS加速度计往往不如那些精确和精确。导航/引导，但因此它们也更小，成本更低，功率更低的设备。这使得它们非常适合嵌入式物联网应用，这些应用采用长寿命的非充电电池供电，或者通过能量收集供电。

例如，ADI公司的ADXL344是一个3轴，数字输出，低g MEMS加速度计，具有可选择的测量范围（±2 g，±4 g，±8 g和±16 g）和带宽（图1）。它可以测量倾斜传感应用中的静态重力加速度，以及振动或冲击引起的动态加速度。

< p>图1：ADI公司的ADXL344是一款基于MEMS的微型3轴加速度计，还包括许多用户可设置的报警，监控模式和报告方案。 （图像来源：ADI公司）

ADXL344的物联网友好功能包括基于用户可设置阈值的内置运动检测功能。使用这些功能，它可以通过SPI或I 2 C数字接口确定并报告值，前提是它所连接的对象已被移动。这大大减少了通信负担和功率需求。它还可以指示相反的情况，例如正常运动已停止（机器故障或电源故障），而不是响应重复查询，或发送常规但冗余的更新。尽管具有3轴功能和许多内部特性，但它采用微型LGA封装，尺寸仅为3 x 3 x 0.93 mm。

适用于高g工业应用，如快速移动或高速振动STMicroelectronics的单轴AIS1120SX和双轴AIS2120SX可提供±120 g的满量程范围设备以及高冲击力。 14位器件包括完整的信号调理和转换链，包括一个充电/电压转换器，电荷放大器和一个2 nd 阶sigma-delta模数转换器（ADC）（图2）。数字内核包括用户可选滤波（400/800/1600 Hz），补偿和插值，控制逻辑和SPI协议接口，均采用塑料SOIC8封装。

图2：STMicroelectronics的单轴AIS1120SX和双轴AIS2120SX包括多种校准和误差补偿功能，以及目标高g，严重冲击应用的±120 g范围。 （图片来源：STMicroelectronics）

AIS1120SX/AIS2120SX的另一个有用功能是慢速和快速偏移消除。这补偿了信号偏移，这是由于IC的物理放置和定向以及电子效应而不可避免的。上电后立即使用快速偏移消除，而慢速模式则用于连续运行偏移消除。

校准，自检，评估是关键

ADI公司而STMicroelectronics设备不仅仅是加速度传感器，而是提供基本的数字化输出。为了使它们在系统级别上具有功率和操作效率（意味着它们最小化数据处理和功耗），它们包含大量数字电路来选择滤波器，建立阈值，设置和报告警报，以及管理接口协议。后处理器。这些加速度计非常适合远程定位的工业物联网应用，通常使用无线链路，除非需要，否则不得激活这些应用以降低功耗。

这种情况的缺点是这些设备需要用户进行大量规划和编程，以设置许多操作寄存器和模式，并确保这些加速度计能够在系统范围内完成所需的操作。它们不是基本的“插入式”传感器，具有主机MCU必须处理的简单模拟或数字输出。相反，它们具有内部处理功能和状态机，需要初始化，配置和管理，以便通过利用它们的许多功能来实现它们的潜力。

校准和自检也是这些传感器的领域与用于其他物理变量（例如温度或压力）的传感器相比具有优势。当然，当使用诸如高质量热电偶的温度传感器时，如果模拟前端（AFE）设计得很好，通常不需要校准。另一方面，没有简单的方法来测试热电偶元件本身，因为这需要施加已知的温度，这在最好情况下是困难的（当然，“开路”热电偶易于检测）。其他传感器存在类似的测试和校准困境，例如压力或位置，因为设计人员必须提供已知的外部刺激，然后评估结果。

幸运的是，有一种简单的方法可以实现这些MEMS加速度计的高可信度自检和校准过程。在正常操作中，检测质量周围的传感板测量由于该质量块的运动引起的电容的微小变化。然而，互补作用也是可能的：板可以被精确地充电，使得它们使质量移动，并且测量它们的合成位移。通过这种方式，这些加速度计对物联网应用非常有吸引力，尤其是深度嵌入式应用，因为它们可以定期调用自检和校准模式并评估自己的性能。

机械问题：显着的设计影响

一般而言，传感器放置在产品中的位置和方式是一个非常重要的问题：想想麦克风，光传感器，温度传感器和压力传感器。物联网加速度计存在重大的放置和安装问题。

首先，存在传感器与感兴趣的运动轴对齐的问题。当然，加速度计的主轴必须尽可能物理地对齐，但是接近完美的对准并不总是可以实现的。因此，许多加速度计系统具有初始校准阶段，其中传感器输出“静止”被分配零读数。但是，使用轴外读数为零会降低实际范围跨度，并通过角度误差的正弦值进行测量。

更具挑战性的是机械安装。将加速度计连接到印刷电路板有许多错误和一些正确的方法，如果它是安装的地方。如果支撑不良或不充分，加速度计将由于板组件的自然，不可避免，无阻尼共振而经历不期望的误导性振动（图3）。

图3：加速度计IC安装到印刷电路板（绿色）的位置，以及支持该电路板的位置，是确保有意义和准确数据的关键因素;在这里，显示了一些错误的地方。 （图片来源：ADI公司）

由于这些原因，供应商强烈建议将传感器放置在“硬”安装点，例如完全支撑的板角，如果可能的话甚至使用多个这样的安装点。另一种策略是使用更厚（但更昂贵）的印刷电路板来减少电路板和系统共振的影响。无论采用何种方法，目标都是确保加速度计检测到的任何PCB振动都高于其机械共振频率，因此加速度计不会“看到”。

未安装加速度计的应用如何？在主印刷电路板上，而是连接到感兴趣的工件或物体上，然后连接到剩余的电子设备上？一种解决方案是使用一个小的，单独的印刷电路板，加速度计IC焊接到该印刷电路板上，并将导线连接到主板上。

这个小板可以封装以提供额外的保护，然后连接到在某些情况下，根据操作环境和预期的加速度大小，使用螺钉安装件或甚至工业强度双面胶带监控物体。其他安装解决方案取决于应用的限制，设计团队的独创性，行业和监管标准，普遍接受的最佳实践以及可用的外壳。

评估套件：不仅仅是电路

现在，供应商为其IC和相关组件提供评估套件，参考设计和测试套件是标准做法。在大多数情况下，这是因为IC具有复杂的接口或敏感的信号路径，例如RF设备。然而，为了评估加速度计，评估板的需求不是由这些因素驱动的，而是由设置受控刺激的基本挑战来测量。这些允许设计团队测试和修改他们的算法以满足应用要求。

例如，用于三轴加速度计测试的德州仪器DRV-ACC16-EVM评估模块主要用于触觉系统，但也可用于振动相关测试（图4）。

图4：德州仪器DRV-ACC16 -EVM评估模块用于多轴测试，包括用于安装加速度计和连接示波器的板，以及USB电源连接。 （图片来源：德州仪器）

它不仅可以量化振动，还可以通过用户提供的振动电机激励加速度计。这些电机包括偏心旋转电机（ERM），它围绕x轴旋转并在yz平面内产生旋转振动，如图5a;线性谐振致动器（LRA）沿z轴移动并仅沿该轴产生振动，图5b;和一个产生单轴运动的压电模块，如图5c所示。

图5：DRV-ACC16-EVM可以可以与各种振动/激励源一起使用，每个振动/激励源沿着不同的轴产生运动，包括偏心旋转电动机（5a），线性谐振致动器（5b）和压电效应致动器（5c）。 （图像来源：德州仪器公司）

该模块允许设计人员分析加速度计的位置，安装和方向的影响，套件指南解释了如何使用示波器图像计算感应的g力。加速度计板连接到测试表面，然后使用其中一个振动源进行激励，以模拟实际使用情况（图6）。

接口板简化了将加速度计输出信号连接到示波器的过程，并允许比较振动刺激波形与检测到的波形（图7）。将加速度计电压波形（此处为155.8 mV）的峰峰值电压除以2以获得峰值电压，然后除以57毫伏（mV）比例因子以计算加速度（峰值每57 mV）电压对应于此评估设置的1 g峰值加速度）：

加速度（g）= Vpeak/57 mV

此处，计算出的峰值加速度为：

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

图6：加速度计板和振动执行器都安装在公共表面上，以便进行驾驶员响应评估。 LRA由TI DRV2605致动器驱动器（未示出）供电。 （图像来源：德州仪器）

图7：蓝色波形（顶部）是由a组成的应用刺激斜坡上升后跟多脉冲波形，而橙色（下）波形是加速度计输出;基本匹配允许用户计算峰值加速度。在这种情况下，它是1.367克。 （图片来源：德州仪器）

结论

现在可以通过许多低成本，高性能的基于MEMS的加速度计实现物联网应用可能性的新世界。多个供应商。虽然它们由于内部模拟和数字处理和滤波以及标准I/O而在电气上易于接口，但它们需要仔细初始化和管理其众多寄存器和用户可选择的选项。

此外，这些加速度计带来了一系列机械安装考虑因素，必须对其进行评估并考虑其终点用途。评估套件可以帮助完成该过程，同时了解已建立的测试实践，标准和基本的机械工程原理。