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，成本和性能差異很大。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、狀態(tài)監(jiān)控 （CBM） 和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

最新的MEMS電容式加速度計(jì)正在應(yīng)用于傳統(tǒng)上由壓電加速度計(jì)和其他傳感器主導(dǎo)的應(yīng)用。煤層氣、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。然而，有這么多的加速度計(jì)和如此多的應(yīng)用，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(lèi)別。加速度計(jì)通常分為幾類(lèi)，相應(yīng)的應(yīng)用如表1所示。所示的帶寬和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。

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/集成度對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行了分類(lèi)。本文重點(diǎn)關(guān)注基于增強(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)，其穩(wěn)定性和噪聲性能可與更昂貴的利基器件相媲美，同時(shí)功耗更低。根據(jù)應(yīng)用程序的相關(guān)性，以下各節(jié)將更詳細(xì)地討論這些屬性和其他關(guān)鍵加速度計(jì)規(guī)范。

圖1.ADI公司MEMS加速度計(jì)系列的應(yīng)用前景。

傾斜或傾斜感應(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。

精確的傾斜或傾斜檢測(cè)是MEMS電容式加速度計(jì)的一個(gè)苛刻的應(yīng)用，特別是在存在振動(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°是困難的，>1°是非常可以實(shí)現(xiàn)的。為了使加速度計(jì)能夠有效地測(cè)量?jī)A斜或傾斜度，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斜提供了更好的條件，因?yàn)檎駝?dòng)或沖擊會(huì)破壞傾斜數(shù)據(jù)并導(dǎo)致測(cè)量中的重大誤差。測(cè)量?jī)A斜最重要的規(guī)格是溫度系數(shù)偏移、滯后、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。

零g偏置精度、焊接引起的零g偏置偏移、PCB外殼對(duì)準(zhǔn)引起的零g偏置偏移、零g偏置溫度系數(shù)、靈敏度精度和溫度系數(shù)、非線性和跨軸靈敏度等誤差是可以觀察到的，可以通過(guò)組裝后校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)減少。其他誤差術(shù)語(yǔ)，如遲滯、壽命范圍內(nèi)的零g偏置偏移、壽命范圍內(nèi)的靈敏度偏移、濕度引起的零g偏移以及溫度隨時(shí)間變化引起的PCB彎曲和扭曲，無(wú)法在校準(zhǔn)中解決，否則它們需要一定程度的現(xiàn)場(chǎng)維修才能減少。

ADI公司的加速度計(jì)系列可分為MEMS （ADXLxxx）和i傳感器（ADIS16xxx）專(zhuān)用器件。我傳感器或智能傳感器是高度集成（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，解決了上述現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)中的許多錯(cuò)誤，并大大減輕了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證負(fù)擔(dān)。這種廣泛的工廠校準(zhǔn)表征了整個(gè)傳感器信號(hào)鏈在指定溫度范圍內(nèi)（典型值為?40°C至+85°C）的靈敏度和偏置。 因此，每個(gè)i傳感器部件都有自己獨(dú)特的校正公式，以便在安裝時(shí)產(chǎn)生準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于某些系統(tǒng)，工廠校準(zhǔn)消除了對(duì)系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)的需求，并大大簡(jiǎn)化了其他系統(tǒng)的校準(zhǔn)。?

我傳感器部件專(zhuān)門(mén)針對(duì)某些應(yīng)用。例如，圖2所示的ADIS16210專(zhuān)為傾斜應(yīng)用而設(shè)計(jì)和定制，因此可提供開(kāi)箱即用的<1°相對(duì)精度。這在很大程度上取決于集成的信號(hào)處理和單元特定校準(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。

ADXL355等最新一代加速度計(jì)架構(gòu)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，但仍具有豐富的集成模塊，如圖3所示。

圖3.ADXL355 低噪聲、低漂移、低功耗、3軸MEMS加速度計(jì)。

以下部分比較了通用加速度計(jì)ADXL345與下一代低噪聲、低漂移和低功耗加速度計(jì)ADXL355，后者非常適合用于各種應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)和傾角計(jì)。此比較著眼于傾斜應(yīng)用中的誤差源以及可以補(bǔ)償或消除的誤差。表2顯示了消費(fèi)級(jí)ADXL345加速度計(jì)理想性能規(guī)格和相應(yīng)傾斜誤差的估計(jì)值。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。在本例中，假設(shè)恒溫為 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?？梢越档蛶捯越档驮肼暎?yàn)閮A斜應(yīng)用通常需要低于1 kHz的帶寬。

表3顯示了ADXL355的相同標(biāo)準(zhǔn)。短期偏置值是根據(jù)ADXL355數(shù)據(jù)手冊(cè)中的根艾倫方差圖估算的。在25°C時(shí)，通用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，噪聲等大誤差貢獻(xiàn)因素分別從0.05°顯著降低到0.0045°，偏置漂移從0.057°顯著降低到0.00057°。這表明MEMS電容式加速度計(jì)在噪聲和偏置漂移方面的性能有了巨大的飛躍，在動(dòng)態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)了更高水平的傾斜精度。

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，特別是當(dāng)您的應(yīng)用要求低于 1° 的傾斜精度時(shí)。應(yīng)用精度可能因應(yīng)用條件（較大的溫度波動(dòng)、振動(dòng)）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°的傾斜精度，從而增加了整體系統(tǒng)工作量和成本。根據(jù)最終環(huán)境和溫度范圍的振動(dòng)幅度，這甚至可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在 25°C 至 85°C 的溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)偏移漂移為 1.375°，已經(jīng)超過(guò)了傾斜精度低于 1° 的要求。

對(duì)于ADXL355，25°C至85°C的最大溫度系數(shù)失調(diào)漂移為0.5°。

ADXL354和ADXL355的重復(fù)性（X和Y為±3.5 m g/0.2°，Z為±Z為9 mg/0.5°）的使用壽命為10年，包括高溫工作壽命測(cè)試（HTOL）（T一個(gè)= 150°C， V供應(yīng)= 3.6 V和1000小時(shí)）、溫度循環(huán)（?55°C至+125°C和1000次循環(huán)）、速度隨機(jī)游走、寬帶噪聲和溫度遲滯。通過(guò)在所有條件下提供可重復(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)提供有保證的溫度穩(wěn)定性，零點(diǎn)偏移系數(shù)為0.15 mg/°C（最大值）。這種穩(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 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)時(shí)間內(nèi)符合其可重復(fù)性和穩(wěn)定性規(guī)格。

通常，數(shù)據(jù)手冊(cè)上未顯示可重復(fù)性和抗振動(dòng)校正誤差（VRE），因?yàn)檫@是性能較低的潛在指標(biāo)。例如，ADXL345是一款通用加速度計(jì)，面向VRE不是設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用。然而，在慣性導(dǎo)航、傾角應(yīng)用或振動(dòng)密集的特定環(huán)境中，VRE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)中都包含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)暴露于振動(dòng)時(shí)，VRE在傾斜測(cè)量中會(huì)產(chǎn)生顯著誤差，而溫度和噪聲貢獻(xiàn)的偏移為0 g。這是它被排除在數(shù)據(jù)手冊(cè)之外的關(guān)鍵原因之一，因?yàn)樗苋菀资蛊渌P(guān)鍵規(guī)格黯然失色。

VRE是加速度計(jì)對(duì)直流振動(dòng)的響應(yīng)。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斜度的變化，并導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)誤差。

VRE可能由加速度計(jì)（在本例中為ADXL355）中的各種諧振和濾波器引起，因?yàn)閂RE對(duì)頻率具有很強(qiáng)的依賴(lài)性。振動(dòng)被這些共振放大了等于共振Q系數(shù)的系數(shù)，并將抑制更高頻率的振動(dòng)，由于2德·諧振器的 2 極響應(yīng)順序。傳感器的Q因子共振越大，由于振動(dòng)放大較大，VRE越大。較大的測(cè)量帶寬會(huì)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)選擇合適的帶寬來(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 VRE在不同帶寬下進(jìn)行測(cè)試。

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

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封裝，有助于提供出色的長(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公司關(guān)注的重點(diǎn)，從我們提供的各種傳感器封裝類(lèi)型中可以看出這一點(diǎn)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

高溫和動(dòng)態(tài)環(huán)境

在額定用于高溫或惡劣環(huán)境工作的加速度計(jì)問(wèn)世之前，一些設(shè)計(jì)人員被迫使用遠(yuǎn)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(hù)承擔(dān)在高溫下鑒定組件的責(zé)任和風(fēng)險(xiǎn)，這既昂貴又耗時(shí)。眾所周知，密封密封封裝在高溫下堅(jiān)固耐用，可防止導(dǎo)致腐蝕的濕氣和污染。ADI公司提供一系列密封器件，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有增強(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，特別是引腳框架和引線符合高溫焊接工藝的能力，以及為高沖擊和振動(dòng)環(huán)境提供安全連接的能力。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范圍內(nèi)或在惡劣環(huán)境條件下（如重型工業(yè)機(jī)械和井下鉆探和勘探）工作的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)實(shí)現(xiàn)的性能提升示例。

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)釬焊陶瓷雙列直插式封裝，環(huán)境溫度范圍為?40°C至+175°C，175°C以上性能下降，可恢復(fù)性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。有限g范圍內(nèi)的加速度計(jì)測(cè)量會(huì)導(dǎo)致削波，從而導(dǎo)致額外的偏移添加到輸出中。削波可能是由于敏感軸處于 1 g 重力場(chǎng)中，或者由于快速上升時(shí)間和緩慢衰減的沖擊。g范圍越高，加速度計(jì)削波越大，從而減少偏移，從而在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中提高傾斜精度。

圖6顯示了ADXL356 Z軸的g范圍限制測(cè)量結(jié)果，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)展加速度計(jì)的g范圍，由于削波引起的偏移顯著減少。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357以小尺寸提供出色的振動(dòng)校正、長(zhǎng)期可重復(fù)性和低噪聲性能，非常適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境中的傾斜/傾斜檢測(cè)。

圖6.ADXL356 VRE，Z 軸偏移從 1 g 開(kāi)始，±10 g 范圍，Z 軸方向 = 1 g。

圖7.ADXL356 VRE，Z 軸偏移從 1 g 起，±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。價(jià)值來(lái)自于利用系統(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、加快運(yùn)行速度）、增強(qiáng)的安全性或可靠性（在危險(xiǎn)情況下關(guān)閉系統(tǒng)）或其他附加值功能。如圖8所示，由于運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，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，有一大類(lèi)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。2

圖8.六個(gè)自由度 IMU。

六自由度IMU使用多個(gè)傳感器，因此它們可以彌補(bǔ)彼此的弱點(diǎn)?？此坪?jiǎn)單的慣性運(yùn)動(dòng)在一兩個(gè)軸上實(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)、重力和其他僅靠加速度計(jì)或陀螺儀無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的影響。加速度計(jì)數(shù)據(jù)由重力分量和運(yùn)動(dòng)加速度組成。這些不能分開(kāi)，但陀螺儀可用于幫助從加速度計(jì)輸出中去除重力分量。在進(jìn)行所需的積分過(guò)程以確定加速度位置后，加速度計(jì)數(shù)據(jù)的重力分量引起的誤差會(huì)很快變大。由于累積誤差，僅靠陀螺儀不足以確定位置。陀螺儀不感測(cè)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)。使用伺服電機(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)的框圖如圖9所示。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，選擇的傳感器質(zhì)量是消費(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)設(shè)備和工業(yè)級(jí)設(shè)備非常重要，這有時(shí)可能需要仔細(xì)考慮，因?yàn)椴町惪赡芎芪⒚?。?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。

在某些情況下，條件是良性的并且不精確的數(shù)據(jù)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)傳感器的需求迅速增長(zhǎng)，由于無(wú)法減少實(shí)際測(cè)量或溫度效應(yīng)的振動(dòng)影響，精度較低的部件受到很大影響，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(lèi)器件不提供參數(shù)規(guī)格，如振動(dòng)校正、角度隨機(jī)游走和其他參數(shù)，這些參數(shù)實(shí)際上可能是工業(yè)應(yīng)用中最大的誤差源。

為了在動(dòng)態(tài)環(huán)境中測(cè)量1°至0.1°的指向精度，設(shè)計(jì)人員的器件選擇必須關(guān)注傳感器能夠抑制溫度和振動(dòng)影響的漂移誤差。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實(shí)現(xiàn)了接近上一代導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的性能。ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件可以在標(biāo)準(zhǔn)和微型IMU尺寸中提供精密運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，開(kāi)辟了曾經(jīng)的利基應(yīng)用領(lǐng)域。

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、狀態(tài)監(jiān)控和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域（包括結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和資產(chǎn)健康監(jiān)測(cè)）相關(guān)聯(lián)。

審核編輯：郭婷