在工業應用中，通常需要測量與運動相關的量，如壓力，速度和加速度。然而，可以測量這些參數的傳感器的部署受到成本的限制，以及由于不可預見的機械和電子因素而難以獲得準確和一致的測量。

這是不幸的，因為實際這些參數的值以及這些值的相對變化可以提供對基本系統操作，碰撞檢測，即將發生的故障，過度振動和未授權移動的深入了解。因此，設計人員考慮重新審視其傳感選項非常重要。

的確，有些解決方案僅適用于有限的專業應用，其成本和復雜性是次要的。然而，隨著用于運動和加速度傳感的低成本，小型，低功耗基于MEMS的IC的發展，這種情況發生了巨大變化。

本文將簡要介紹一些工業物聯網（IIoT） ）設計受益于運動相關參數數據的應用場景。它還將解釋使用這些設備獲得準確和一致測量的不那么明顯的困難，這是由于電子和機械問題造成的。

在對基本物理原理進行簡要回顧之后，它將會查看相關產品，規格和應用領域。然后它將提出有關機械放置和安裝的關鍵問題，并查看可以幫助開發人員快速實現最終應用的參考設計/評估板。

傳感物理學

經典物理學習運動的基本方程：力=質量×加速度，其中加速度定義為速度的變化（其時間導數），速度是位置的變化（位置的時間導數）。加速度在數字上表示為SI（公制）系統中的m/sec 2 ，或者通常以“g”為單位表示，其中“one g”是由于地球引力引起的標準加速度值， 9.8米/秒 2 。

加速度是一個矢量，加速度的完整表征需要三個傳感器用于正交的x，y和z軸。慣性測量單元（IMU）將三軸加速度計與三軸陀螺儀相結合，指示方向的變化，并用于導航和引導。然而，加速度計還有許多工業應用，這些應用可能只需要沿一個或兩個軸進行檢測。

基于MEMS的加速度計IC使用“檢測質量”，它通過一個懸掛在電容式傳感板之間懸臂或角簧布置;隨著設備加速，檢測質量由于其慣性而“保持后退”。檢測質量相對于板的相對位置的微觀變化被電容性地感測，傳遞到電荷放大器，進一步放大和濾波，然后呈現為模擬或數字化輸出。

MEMS加速度計是可提供低至1 g的滿量程范圍，高達100 g或更高。較低的范圍通常是許多物聯網應用的良好匹配，而較高的范圍則適用于特殊情況，例如火箭發射，車輛碰撞和其他高沖擊事件。

設備范圍廣泛，應用

“突破性”MEMS加速度計應用是汽車安全氣囊傳感器/觸發器，它迅速取代了機械“球管”沖擊傳感器。然而，由于加速難以測量和量化，因此無法解決和/或考慮許多潛在的應用。現在情況發生了變化，因為物聯網應用正在利用基于MEMS的設備的可用性來解決之前無法實現的情況，因此被忽略了。

振動監測是MEMS加速度計在工業物聯網中的最大用途。這些包括“靜止”加速情況，其中目標物體保持固定就位，例如電動機或機器，其中振動數據可指示即將發生的軸承故障和其他問題。加速也用于不受束縛或松散系繩的裝置，以提供防盜和移除的物理安全性。它還用于檢測設備掉落，其中諸如筆記本電腦PC之類的物體不會掉到地上。這兩種基本模式決定了所需的g范圍和頻率響應，并影響安裝和機械問題，將在下面進一步討論。

非常適合物聯網應用的MEMS加速度計往往不如那些精確和精確。導航/引導，但因此它們也更小，成本更低，功率更低的設備。這使得它們非常適合嵌入式物聯網應用，這些應用采用長壽命的非充電電池供電，或者通過能量收集供電。

例如，ADI公司的ADXL344是一個3軸，數字輸出，低g MEMS加速度計，具有可選擇的測量范圍（±2 g，±4 g，±8 g和±16 g）和帶寬（圖1）。它可以測量傾斜傳感應用中的靜態重力加速度，以及振動或沖擊引起的動態加速度。

< p>圖1：ADI公司的ADXL344是一款基于MEMS的微型3軸加速度計，還包括許多用戶可設置的報警，監控模式和報告方案。 （圖像來源：ADI公司）

ADXL344的物聯網友好功能包括基于用戶可設置閾值的內置運動檢測功能。使用這些功能，它可以通過SPI或I 2 C數字接口確定并報告值，前提是它所連接的對象已被移動。這大大減少了通信負擔和功率需求。它還可以指示相反的情況，例如正常運動已停止（機器故障或電源故障），而不是響應重復查詢，或發送常規但冗余的更新。盡管具有3軸功能和許多內部特性，但它采用微型LGA封裝，尺寸僅為3 x 3 x 0.93 mm。

適用于高g工業應用，如快速移動或高速振動STMicroelectronics的單軸AIS1120SX和雙軸AIS2120SX可提供±120 g的滿量程范圍設備以及高沖擊力。 14位器件包括完整的信號調理和轉換鏈，包括一個充電/電壓轉換器，電荷放大器和一個2 nd 階sigma-delta模數轉換器（ADC）（圖2）。數字內核包括用戶可選濾波（400/800/1600 Hz），補償和插值，控制邏輯和SPI協議接口，均采用塑料SOIC8封裝。

圖2：STMicroelectronics的單軸AIS1120SX和雙軸AIS2120SX包括多種校準和誤差補償功能，以及目標高g，嚴重沖擊應用的±120 g范圍。 （圖片來源：STMicroelectronics）

AIS1120SX/AIS2120SX的另一個有用功能是慢速和快速偏移消除。這補償了信號偏移，這是由于IC的物理放置和定向以及電子效應而不可避免的。上電后立即使用快速偏移消除，而慢速模式則用于連續運行偏移消除。

校準，自檢，評估是關鍵

ADI公司而STMicroelectronics設備不僅僅是加速度傳感器，而是提供基本的數字化輸出。為了使它們在系統級別上具有功率和操作效率（意味著它們最小化數據處理和功耗），它們包含大量數字電路來選擇濾波器，建立閾值，設置和報告警報，以及管理接口協議。后處理器。這些加速度計非常適合遠程定位的工業物聯網應用，通常使用無線鏈路，除非需要，否則不得激活這些應用以降低功耗。

這種情況的缺點是這些設備需要用戶進行大量規劃和編程，以設置許多操作寄存器和模式，并確保這些加速度計能夠在系統范圍內完成所需的操作。它們不是基本的“插入式”傳感器，具有主機MCU必須處理的簡單模擬或數字輸出。相反，它們具有內部處理功能和狀態機，需要初始化，配置和管理，以便通過利用它們的許多功能來實現它們的潛力。

校準和自檢也是這些傳感器的領域與用于其他物理變量（例如溫度或壓力）的傳感器相比具有優勢。當然，當使用諸如高質量熱電偶的溫度傳感器時，如果模擬前端（AFE）設計得很好，通常不需要校準。另一方面，沒有簡單的方法來測試熱電偶元件本身，因為這需要施加已知的溫度，這在最好情況下是困難的（當然，“開路”熱電偶易于檢測）。其他傳感器存在類似的測試和校準困境，例如壓力或位置，因為設計人員必須提供已知的外部刺激，然后評估結果。

幸運的是，有一種簡單的方法可以實現這些MEMS加速度計的高可信度自檢和校準過程。在正常操作中，檢測質量周圍的傳感板測量由于該質量塊的運動引起的電容的微小變化。然而，互補作用也是可能的：板可以被精確地充電，使得它們使質量移動，并且測量它們的合成位移。通過這種方式，這些加速度計對物聯網應用非常有吸引力，尤其是深度嵌入式應用，因為它們可以定期調用自檢和校準模式并評估自己的性能。

機械問題：顯著的設計影響

一般而言，傳感器放置在產品中的位置和方式是一個非常重要的問題：想想麥克風，光傳感器，溫度傳感器和壓力傳感器。物聯網加速度計存在重大的放置和安裝問題。

首先，存在傳感器與感興趣的運動軸對齊的問題。當然，加速度計的主軸必須盡可能物理地對齊，但是接近完美的對準并不總是可以實現的。因此，許多加速度計系統具有初始校準階段，其中傳感器輸出“靜止”被分配零讀數。但是，使用軸外讀數為零會降低實際范圍跨度，并通過角度誤差的正弦值進行測量。

更具挑戰性的是機械安裝。將加速度計連接到印刷電路板有許多錯誤和一些正確的方法，如果它是安裝的地方。如果支撐不良或不充分，加速度計將由于板組件的自然，不可避免，無阻尼共振而經歷不期望的誤導性振動（圖3）。

圖3：加速度計IC安裝到印刷電路板（綠色）的位置，以及支持該電路板的位置，是確保有意義和準確數據的關鍵因素;在這里，顯示了一些錯誤的地方。 （圖片來源：ADI公司）

由于這些原因，供應商強烈建議將傳感器放置在“硬”安裝點，例如完全支撐的板角，如果可能的話甚至使用多個這樣的安裝點。另一種策略是使用更厚（但更昂貴）的印刷電路板來減少電路板和系統共振的影響。無論采用何種方法，目標都是確保加速度計檢測到的任何PCB振動都高于其機械共振頻率，因此加速度計不會“看到”。

未安裝加速度計的應用如何？在主印刷電路板上，而是連接到感興趣的工件或物體上，然后連接到剩余的電子設備上？一種解決方案是使用一個小的，單獨的印刷電路板，加速度計IC焊接到該印刷電路板上，并將導線連接到主板上。

這個小板可以封裝以提供額外的保護，然后連接到在某些情況下，根據操作環境和預期的加速度大小，使用螺釘安裝件或甚至工業強度雙面膠帶監控物體。其他安裝解決方案取決于應用的限制，設計團隊的獨創性，行業和監管標準，普遍接受的最佳實踐以及可用的外殼。

評估套件：不僅僅是電路

現在，供應商為其IC和相關組件提供評估套件，參考設計和測試套件是標準做法。在大多數情況下，這是因為IC具有復雜的接口或敏感的信號路徑，例如RF設備。然而，為了評估加速度計，評估板的需求不是由這些因素驅動的，而是由設置受控刺激的基本挑戰來測量。這些允許設計團隊測試和修改他們的算法以滿足應用要求。

例如，用于三軸加速度計測試的德州儀器DRV-ACC16-EVM評估模塊主要用于觸覺系統，但也可用于振動相關測試（圖4）。

圖4：德州儀器DRV-ACC16 -EVM評估模塊用于多軸測試，包括用于安裝加速度計和連接示波器的板，以及USB電源連接。 （圖片來源：德州儀器）

它不僅可以量化振動，還可以通過用戶提供的振動電機激勵加速度計。這些電機包括偏心旋轉電機（ERM），它圍繞x軸旋轉并在yz平面內產生旋轉振動，如圖5a;線性諧振致動器（LRA）沿z軸移動并僅沿該軸產生振動，圖5b;和一個產生單軸運動的壓電模塊，如圖5c所示。

圖5：DRV-ACC16-EVM可以可以與各種振動/激勵源一起使用，每個振動/激勵源沿著不同的軸產生運動，包括偏心旋轉電動機（5a），線性諧振致動器（5b）和壓電效應致動器（5c）。 （圖像來源：德州儀器公司）

該模塊允許設計人員分析加速度計的位置，安裝和方向的影響，套件指南解釋了如何使用示波器圖像計算感應的g力。加速度計板連接到測試表面，然后使用其中一個振動源進行激勵，以模擬實際使用情況（圖6）。

接口板簡化了將加速度計輸出信號連接到示波器的過程，并允許比較振動刺激波形與檢測到的波形（圖7）。將加速度計電壓波形（此處為155.8 mV）的峰峰值電壓除以2以獲得峰值電壓，然后除以57毫伏（mV）比例因子以計算加速度（峰值每57 mV）電壓對應于此評估設置的1 g峰值加速度）：

加速度（g）= Vpeak/57 mV

此處，計算出的峰值加速度為：

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

圖6：加速度計板和振動執行器都安裝在公共表面上，以便進行駕駛員響應評估。 LRA由TI DRV2605致動器驅動器（未示出）供電。 （圖像來源：德州儀器）

圖7：藍色波形（頂部）是由a組成的應用刺激斜坡上升后跟多脈沖波形，而橙色（下）波形是加速度計輸出;基本匹配允許用戶計算峰值加速度。在這種情況下，它是1.367克。 （圖片來源：德州儀器）

結論

現在可以通過許多低成本，高性能的基于MEMS的加速度計實現物聯網應用可能性的新世界。多個供應商。雖然它們由于內部模擬和數字處理和濾波以及標準I/O而在電氣上易于接口，但它們需要仔細初始化和管理其眾多寄存器和用戶可選擇的選項。

此外，這些加速度計帶來了一系列機械安裝考慮因素，必須對其進行評估并考慮其終點用途。評估套件可以幫助完成該過程，同時了解已建立的測試實踐，標準和基本的機械工程原理。