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備到工業平臺穩定系統的各種應用。有數百種零件可供選擇，成本和性能都有很大的跨度。本文第1部分討論了設計人員需要了解的關鍵參數和特性，以及它們與傾斜和穩定應用的關系，從而幫助設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備、基于狀態的監測（CBM）和物聯網應用。

最新的MEMS電容式加速度計在傳統上由壓電加速度計和其他傳感器主導的應用中得到了應用。CBM、結構健康監測 （SHM）、資產健康監測 （AHM）、生命體征監測 （VSM） 和物聯網無線傳感器網絡等應用是下一代 MEMS 傳感器提供解決方案的領域。但是，由于加速度計和應用如此之多，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，相應的應用如表1所示。顯示的帶寬和g范圍值是所列最終應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用領域］

圖1顯示了一系列MEMS加速度計的快照，并根據特定應用的關鍵性能指標和智能/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結構和信號處理的下一代加速度計，以及世界一流的封裝技術，提供與更昂貴的利基器件相媲美的穩定性和噪聲性能，同時功耗更低。這些屬性和其他關鍵加速度計規范將在以下各節中根據應用程序相關性進行更詳細的討論。

［圖1|ADI公司MEMS加速度計的應用前景］

傾角或傾斜感應

關鍵標準：偏置穩定性、溫度偏移、低噪聲、可重復性、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環境中實現0.1°的傾斜精度是非常困難的-《1°很難實現，》1°是非常容易實現的。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用環境。與動態環境相比，靜態環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據并導致測量中的重大誤差。測量傾斜度最重要的規格是溫度系數偏移、遲滯、低噪聲、短期/長期穩定性、可重復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、靈敏度精度和溫度系數、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（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，用于動態條件下的復雜應用。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，并大大降低了設計和驗證負擔。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，可在安裝時產生精確的測量結果。對于某些系統，工廠校準消除了系統級校準的需要，并大大簡化了其他系統的校準。

我傳感器部件專門針對某些應用。例如，圖2所示的ADIS16210是專門為傾斜應用而設計和定制的，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，以實現最佳精度性能。我傳感器將在穩定部分進一步討論。

［圖2 |ADIS16210 精密三軸傾角］

最新一代加速度計架構（如ADXL355）的通用性更強（傾斜度、狀態監測、結構健康、IMU/AHRS應用），并且包含較少的應用特定功能，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網傳感器節點和傾角計等各種應用中使用。此比較著眼于傾斜應用中的誤差源，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格的估計值和相應的傾斜誤差。當試圖達到最佳的傾斜精度時，必須應用某種形式的溫度穩定或補償。對于此示例，假設恒定溫度為25°C。無法完全補償的最大誤差因素是溫度失調、偏置漂移和噪聲?？梢越档蛶捯越档驮肼?，因為傾斜應用通常需要低于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ADXL355數據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所需性能至關重要，特別是如果您的應用要求低于1°的傾斜精度。應用精度可能因應用條件（溫度波動大、振動大）和傳感器選擇（消費級與工業級或戰術級）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《1°傾斜精度，從而增加了整個系統的工作和成本。根據最終環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，溫度系數失調漂移為1.375°，已經超過了傾斜精度小于1°的要求。

ADXL354和ADXL355的重復性（X和Y的重復性為±3.5 mg/0.2°，Z軸的重復性為±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（?55°C至+125°C和1000次循環）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的傾斜測量，這些新型加速度計無需在惡劣環境中進行大量校準，即可實現最小的傾斜誤差，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定性，零點失調系數為0.15 mg/°C（最大值）。穩定性最大限度地減少了與校準和測試工作相關的資源和費用，有助于為設備 OEM 實現更高的吞吐量。此外，密封封裝有助于確保最終產品在出廠后很長一段時間內符合其可重復性和穩定性規格。

通常，重復性和抗振整流誤差（VRE）不會顯示在數據手冊上，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不是設計人員主要關注點的消費類應用。然而，在更苛刻的應用中，例如導航、傾斜應用或振動豐富的特定環境，對VRE的抗擾度可能是設計人員最關心的問題，因此，ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357數據手冊中也包括了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誤差。當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在傾斜測量中會產生顯著誤差。這是它被遺漏在數據手冊之外的關鍵原因之一，因為它很容易掩蓋其他關鍵規格。

VRE是加速度計對交流振動的響應，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，導致重大誤差，特別是在目標信號為直流輸出的傾斜應用中。直流失調的任何微小變化都可以解釋為傾角的變化，并導致系統級誤差。

［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，放大的系數等于諧振的Q因子，并且由于諧振器的2極響應的二階，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。較大的測量帶寬導致高頻帶內振動的積分，從而導致更高的VRE，如圖4所示。通過為加速度計選擇適當的帶寬來抑制高頻振動，可以避免許多與振動相關的問題。1

［圖4|ADXL355 在不同帶寬下的 VRE 測試］

靜態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定性和漂移相關的額外性能方面，封裝經常被忽視。這一直是ADI公司的一個重點，這在我們針對不同應用領域提供的各種傳感器封裝類型中都可以看到。

高溫和動態環境

在提供額定工作溫度為高溫或惡劣環境的加速度計出現之前，一些設計人員被迫使用遠超出數據手冊限制的標準溫度IC。這意味著最終用戶承擔了在高溫下鑒定組件的責任和風險，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，在整個溫度范圍內提供增強的穩定性和性能。

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。大多數競爭對手不提供能夠在?40°C至+125°C或惡劣環境條件下（如重型工業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和校準提高性能的示例］

在溫度高于125°C的非常惡劣的環境中進行傾角測量是一項極具挑戰性的任務。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境，如井下鉆探和勘探。該器件采用 13 mm × 8 mm × 2 mm 側面釬焊陶瓷雙列直插式封裝，環境溫度范圍為 ?40°C 至 +175°C，高于 175°C 時性能下降，可回收率為 100%。

在存在振動的動態環境中進行傾角測量，例如農業設備或無人機，需要更高的g范圍加速度計，例如ADXL356/ADXL357。在有限的g范圍內進行加速度計測量會導致削波，從而導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，從而在動態應用中實現更好的傾角精度。

圖6顯示了從ADXL356 Z軸進行的g范圍有限的測量，該測量范圍中已經存在1 g。圖7顯示了相同的測量結果，但g范圍從±10 g擴展到±40 g。可以清楚地看到，通過擴展加速計的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、長期重復性和低噪音性能，非常適合在靜態和動態環境中進行傾斜/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］

穩定

關鍵標準：噪聲密度、速度隨機游走、運行中偏置穩定性、偏置重復性和帶寬。

檢測和理解運動可以為許多應用增加價值。利用系統所經歷的運動并將其轉化為改進的性能（縮短響應時間，提高精度，更快的操作速度），增強的安全性或可靠性（危險情況下的系統關閉）或其他增值功能，從而產生價值。由于運動的復雜性，有一大類穩定應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視設備和天線指向系統中。

［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。加速度計數據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。由于加速度計數據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。陀螺儀不感應重力，因此它們可以與加速度計一起用作支撐傳感器。

在穩定應用中，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定平臺系統的框圖。反饋/伺服電機控制器將方向傳感器數據轉換為伺服電機的校正控制信號。

［圖9|基本平臺穩定系統3］

最終應用將決定所需的精度水平，而所選擇的傳感器質量（無論是消費級還是工業級）將決定這是否可實現。區分消費級器件和工業級器件非常重要，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級加速度計之間的主要區別。

［表6 |工業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，精度提高了一個數量級以上2］

為了在動態環境中測量從1°到0.1°的指向精度，設計人員的零件選擇必須側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）是實現性能改進的關鍵因素，但它們無法消除從消費級到工業級傳感器的性能差距。ADI公司的新型工業IMU的性能接近上一代導彈制導系統。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，開辟了曾經是一個利基應用領域。在某些情況下，條件是良性的，并且數據不精確是可以接受的，低精度設備可以提供足夠的性能。然而，在動態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的振動效應，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。大多數低端消費類設備不提供參數規格，例如振動整流、角度隨機游走和其他實際上可能是工業應用中最大誤差源的參數。

在本文的第2部分中，我們將繼續探討MEMS加速度計的關鍵性能特征，以及它們如何與可穿戴設備、基于狀態的監控和物聯網等應用領域相關聯，包括結構健康監測和資產健康監控。

審核編輯：郭婷