加速度計能夠測量加速度、傾斜度、振動或沖擊，因此，可用于從可穿戴健身設(shè)備到工業(yè)平臺穩(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)計人員選擇最合適的加速度計。第2部分將重點介紹可穿戴設(shè)備、基于狀態(tài)的監(jiān)測（CBM）和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

最新的MEMS電容式加速度計在傳統(tǒng)上由壓電加速度計和其他傳感器主導(dǎo)的應(yīng)用中得到了應(yīng)用。CBM、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 （SHM）、資產(chǎn)健康監(jiān)測 （AHM）、生命體征監(jiān)測 （VSM） 和物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(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，由于加速度計和應(yīng)用如此之多，選擇合適的加速度計很容易變得混亂。

沒有行業(yè)標準來定義加速度計適合的類別。加速度計通常分為幾類，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的典型值。

［表1|加速度計等級及典型應(yīng)用領(lǐng)域］

圖1顯示了一系列MEMS加速度計的快照，并根據(jù)特定應(yīng)用的關(guān)鍵性能指標和智能/集成水平對每個傳感器進行分類。本文重點介紹基于增強型MEMS結(jié)構(gòu)和信號處理的下一代加速度計，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，同時功耗更低。這些屬性和其他關(guān)鍵加速度計規(guī)范將在以下各節(jié)中根據(jù)應(yīng)用程序相關(guān)性進行更詳細的討論。

［圖1|ADI公司MEMS加速度計的應(yīng)用前景］

傾角或傾斜感應(yīng)

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

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

諸如0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置移位、PCB外殼對準引起的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，并且可以通過裝配后校準過程來減少。其他誤差項，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間變化引起的PCB彎曲和扭曲，在校準中無法解決，否則需要一定程度的原位維修才能降低。

ADI公司的加速度計系列可分為微機電系統(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、嵌入式補償和信號處理，解決了上述原位維修中的許多錯誤，并大大降低了設(shè)計和驗證負擔(dān)。這種廣泛的工廠校準可表征整個傳感器信號鏈在指定溫度范圍（典型值為?40°C至+85°C）內(nèi)的靈敏度和偏置特性。 因此，每個iSensor部件都有自己獨特的校正公式，可在安裝時產(chǎn)生精確的測量結(jié)果。對于某些系統(tǒng)，工廠校準消除了系統(tǒng)級校準的需要，并大大簡化了其他系統(tǒng)的校準。

我傳感器部件專門針對某些應(yīng)用。例如，圖2所示的ADIS16210是專門為傾斜應(yīng)用而設(shè)計和定制的，因此開箱即用可提供《1°的相對精度。這在很大程度上取決于集成的信號處理和特定于單元的校準，以實現(xiàn)最佳精度性能。我傳感器將在穩(wěn)定部分進一步討論。

［圖2 |ADIS16210 精密三軸傾角］

最新一代加速度計架構(gòu)（如ADXL355）的通用性更強（傾斜度、狀態(tài)監(jiān)測、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ADXL345與下一代低噪聲、低漂移和低功耗加速度計ADXL355，后者非常適合在物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點和傾角計等各種應(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償或消除。表2顯示了消費級ADXL345加速度計理想性能規(guī)格的估計值和相應(yīng)的傾斜誤差。當(dāng)試圖達到最佳的傾斜精度時，必須應(yīng)用某種形式的溫度穩(wěn)定或補償。對于此示例，假設(shè)恒定溫度為25°C。無法完全補償?shù)淖畲笳`差因素是溫度失調(diào)、偏置漂移和噪聲?？梢越档蛶捯越档驮肼?，因為傾斜應(yīng)用通常需要低于1 kHz的帶寬。

［表2|ADXL345 誤差源估計值］

表3顯示了ADXL355的相同標準。短期偏倚值是根據(jù)ADXL355數(shù)據(jù)手冊中的艾倫方差根圖估計的。在25°C時，通用型ADXL345的補償傾斜精度估計為0.1°。對于工業(yè)級ADXL355，估計傾斜精度為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 誤差源估計值］

選擇更高等級的加速度計對于實現(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（溫度波動大、振動大）和傳感器選擇（消費級與工業(yè)級或戰(zhàn)術(shù)級）而異。在這種情況下，ADXL345需要大量的補償和校準工作才能實現(xiàn)《1°傾斜精度，從而增加了整個系統(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試（HTOL）（TA = 150°C，VSUPPLY = 3.6 V和1000小時），溫度循環(huán)（?55°C至+125°C和1000次循環(huán)）引起的偏移。 速度隨機游走、寬帶噪聲和溫度滯后。通過在各種條件下提供可重復(fù)的傾斜測量，這些新型加速度計無需在惡劣環(huán)境中進行大量校準，即可實現(xiàn)最小的傾斜誤差，并最大限度地減少部署后校準的需求。ADXL354和ADXL355加速度計具有保證的溫度穩(wěn)定性，零點失調(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和測試工作相關(guān)的資源和費用，有助于為設(shè)備 OEM 實現(xiàn)更高的吞吐量。此外，密封封裝有助于確保最終產(chǎn)品在出廠后很長一段時間內(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）不會顯示在數(shù)據(jù)手冊上，因為它們是性能較低的潛在指標。例如，ADXL345是一款通用加速度計，針對VRE不是設(shè)計人員主要關(guān)注點的消費類應(yīng)用。然而，在更苛刻的應(yīng)用中，例如導(dǎo)航、傾斜應(yīng)用或振動豐富的特定環(huán)境，對VRE的抗擾度可能是設(shè)計人員最關(guān)心的問題，因此，ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357數(shù)據(jù)手冊中也包括了VRE。

如表4所示，VRE是加速度計暴露于寬帶振動時引入的失調(diào)誤差。當(dāng)加速度計暴露在振動中時，與溫度和噪聲貢獻的0 g偏移相比，VRE在傾斜測量中會產(chǎn)生顯著誤差。這是它被遺漏在數(shù)據(jù)手冊之外的關(guān)鍵原因之一，因為它很容易掩蓋其他關(guān)鍵規(guī)格。

VRE是加速度計對交流振動的響應(yīng)，這些振動被校正為直流。這些直流整流振動會改變加速度計的偏移，導(dǎo)致重大誤差，特別是在目標信號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)級誤差。

［表4|以傾斜度為單位顯示的誤差］

VRE可能由加速度計內(nèi)的各種諧振和濾波器引起，在本例中為ADXL355，因為VRE對頻率具有很強的依賴性。振動被這些共振放大，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。傳感器的 Q 因子共振越大，由于振動放大幅度越大，VRE 就越大。較大的測量帶寬導(dǎo)致高頻帶內(nèi)振動的積分，從而導(dǎo)致更高的VRE，如圖4所示。通過為加速度計選擇適當(dāng)?shù)膸拋硪种聘哳l振動，可以避免許多與振動相關(guān)的問題。1

［圖4|ADXL355 在不同帶寬下的 VRE 測試］

靜態(tài)傾斜測量通常需要低g加速度計，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量范圍的3軸加速度計，如表5所示。

［表5|測量范圍為 ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357 測量范圍］

ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357 采用密封封裝，可提高長期穩(wěn)定性。封裝帶來的性能提升通常會擴展，如圖 5 所示。在制造商可以做些什么來增加與穩(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公司的一個重點，這在我們針對不同應(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)境的加速度計出現(xiàn)之前，一些設(shè)計人員被迫使用遠超出數(shù)據(jù)手冊限制的標準溫度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，這是昂貴且耗時的。眾所周知，密封密封封裝在高溫下堅固耐用，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，在整個溫度范圍內(nèi)提供增強的穩(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，包括ADXL206、ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357、ADXL1001/ADXL1002、ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大多數(shù)競爭對手不提供能夠在?40°C至+125°C或惡劣環(huán)境條件下（如重型工業(yè)機械和井下鉆探和勘探）運行的MEMS電容式加速度計。

［圖5|通過先進的封裝技術(shù)和校準提高性能的示例］

在溫度高于125°C的非常惡劣的環(huán)境中進行傾角測量是一項極具挑戰(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，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 時性能下降，可回收率為 100%。

在存在振動的動態(tài)環(huán)境中進行傾角測量，例如農(nóng)業(yè)設(shè)備或無人機，需要更高的g范圍加速度計，例如ADXL356/ADXL357。在有限的g范圍內(nèi)進行加速度計測量會導(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重力場中，或者由于具有快速上升時間和緩慢衰減的沖擊。G范圍越高，加速度計的削波就越小，從而減少偏移，從而在動態(tài)應(yīng)用中實現(xiàn)更好的傾角精度。

圖6顯示了從ADXL356 Z軸進行的g范圍有限的測量，該測量范圍中已經(jīng)存在1 g。圖7顯示了相同的測量結(jié)果，但g范圍從±10 g擴展到±40 g?？梢郧宄乜吹剑ㄟ^擴展加速計的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校正、長期重復(fù)性和低噪音性能，非常適合在靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境中進行傾斜/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)鍵標準：噪聲密度、速度隨機游走、運行中偏置穩(wěn)定性、偏置重復(fù)性和帶寬。

檢測和理解運動可以為許多應(yīng)用增加價值。利用系統(tǒng)所經(jīng)歷的運動并將其轉(zhuǎn)化為改進的性能（縮短響應(yīng)時間，提高精度，更快的操作速度），增強的安全性或可靠性（危險情況下的系統(tǒng)關(guān)閉）或其他增值功能，從而產(chǎn)生價值。由于運動的復(fù)雜性，有一大類穩(wěn)定應(yīng)用需要陀螺儀與加速度計（傳感器融合）的組合，如圖8所示，例如，在船上使用的基于無人機的監(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使用多個傳感器，因此它們可以補償彼此的弱點。在一個或兩個軸上看似簡單的慣性運動實際上可能需要加速度計和陀螺儀傳感器融合，以補償振動，重力和其他影響，而加速度計或陀螺儀無法準確測量。加速度計數(shù)據(jù)由重力分量和運動加速度組成。它們不能分開，但陀螺儀可用于幫助從加速度計輸出中刪除重力分量。由于加速度計數(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程后會迅速變大。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方向的精確測量，特別是在運動時。圖9顯示了利用伺服電機進行角運動校正的典型平臺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的框圖。反饋/伺服電機控制器將方向傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為伺服電機的校正控制信號。

［圖9|基本平臺穩(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（無論是消費級還是工業(yè)級）將決定這是否可實現(xiàn)。區(qū)分消費級器件和工業(yè)級器件非常重要，這有時可能需要仔細考慮，因為差異可能很細微。表6顯示了集成到IMU中的消費級和中級工業(yè)級加速度計之間的主要區(qū)別。

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

為了在動態(tài)環(huán)境中測量從1°到0.1°的指向精度，設(shè)計人員的零件選擇必須側(cè)重于傳感器在溫度和振動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）是實現(xiàn)性能改進的關(guān)鍵因素，但它們無法消除從消費級到工業(yè)級傳感器的性能差距。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等器件能夠以標準和微型IMU外形提供精密運動檢測，開辟了曾經(jīng)是一個利基應(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，在動態(tài)條件下對傳感器的要求迅速增長，并且由于無法減少實際測量或溫度效應(yīng)的振動效應(yīng)，因此較低精度的零件遭受了極大的影響，因此難以測量低于3°至5°的指向精度。大多數(shù)低端消費類設(shè)備不提供參數(shù)規(guī)格，例如振動整流、角度隨機游走和其他實際上可能是工業(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)測和資產(chǎn)健康監(jiān)控。

審核編輯：郭婷