如何使设计人员选择最合适的加速度计

加速度计能够测量加速度、倾斜度、振动或冲击，因此，可用于从可穿戴健身设备到工业平台稳定系统的各种应用。有数百种零件可供选择，成本和性能都有很大的跨度。本文第1部分讨论了设计人员需要了解的关键参数和特性，以及它们与倾斜和稳定应用的关系，从而帮助设计人员选择最合适的加速度计。第2部分将重点介绍可穿戴设备、基于状态的监测（CBM）和物联网应用。

最新的MEMS电容式加速度计在传统上由压电加速度计和其他传感器主导的应用中得到了应用。CBM、结构健康监测 （SHM）、资产健康监测 （AHM）、生命体征监测 （VSM） 和物联网无线传感器网络等应用是下一代 MEMS 传感器提供解决方案的领域。但是，由于加速度计和应用如此之多，选择合适的加速度计很容易变得混乱。

没有行业标准来定义加速度计适合的类别。加速度计通常分为几类，相应的应用如表1所示。显示的带宽和g范围值是所列最终应用中使用的加速度计的典型值。

［表1|加速度计等级及典型应用领域］

图1显示了一系列MEMS加速度计的快照，并根据特定应用的关键性能指标和智能/集成水平对每个传感器进行分类。本文重点介绍基于增强型MEMS结构和信号处理的下一代加速度计，以及世界一流的封装技术，提供与更昂贵的利基器件相媲美的稳定性和噪声性能，同时功耗更低。这些属性和其他关键加速度计规范将在以下各节中根据应用程序相关性进行更详细的讨论。

［图1|ADI公司MEMS加速度计的应用前景］

倾角或倾斜感应

关键标准：偏置稳定性、温度偏移、低噪声、可重复性、振动校正、跨轴灵敏度。

对于MEMS电容式加速度计而言，精确的倾斜或倾斜检测是一项要求很高的应用，尤其是在存在振动的情况下。使用MEMS电容式加速度计在动态环境中实现0.1°的倾斜精度是非常困难的-《1°很难实现，》1°是非常容易实现的。为了使加速度计能够有效地测量倾斜度或倾角，必须充分了解传感器性能和最终应用环境。与动态环境相比，静态环境为测量倾角提供了更好的条件，因为振动或冲击会损坏倾斜数据并导致测量中的重大误差。测量倾斜度最重要的规格是温度系数偏移、迟滞、低噪声、短期/长期稳定性、可重复性和良好的振动校正。

诸如0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置移位、PCB外壳对准引起的0 g偏置位移、零g偏置温度系数、灵敏度精度和温度系数、非线性度和跨轴灵敏度等误差是可以观察到的，并且可以通过装配后校准过程来减少。其他误差项，如迟滞、寿命期间的零g偏置偏移、寿命期间的灵敏度偏移、湿度引起的零g偏移以及由于温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭曲，在校准中无法解决，否则需要一定程度的原位维修才能降低。

ADI公司的加速度计系列可分为微机电系统（ADXLxxx）和i传感器（ADIS16xxx）专用器件。我传感器或智能传感器高度集成（4°至10°自由度）和可编程部件，用于动态条件下的复杂应用。这些高度集成的即插即用解决方案包括完整的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理，解决了上述原位维修中的许多错误，并大大降低了设计和验证负担。这种广泛的工厂校准可表征整个传感器信号链在指定温度范围（典型值为−40°C至+85°C）内的灵敏度和偏置特性。 因此，每个iSensor部件都有自己独特的校正公式，可在安装时产生精确的测量结果。对于某些系统，工厂校准消除了系统级校准的需要，并大大简化了其他系统的校准。

我传感器部件专门针对某些应用。例如，图2所示的ADIS16210是专门为倾斜应用而设计和定制的，因此开箱即用可提供《1°的相对精度。这在很大程度上取决于集成的信号处理和特定于单元的校准，以实现最佳精度性能。我传感器将在稳定部分进一步讨论。

［图2 |ADIS16210 精密三轴倾角］

最新一代加速度计架构（如ADXL355）的通用性更强（倾斜度、状态监测、结构健康、IMU/AHRS应用），并且包含较少的应用特定功能，但仍具有丰富的集成模块，如图3所示。

［Figure 3 | ADXL355 low noise， low drift， low power， 3-axis MEMS accelerometer］

下一节比较通用加速度计ADXL345与下一代低噪声、低漂移和低功耗加速度计ADXL355，后者非常适合在物联网传感器节点和倾角计等各种应用中使用。此比较着眼于倾斜应用中的误差源，以及哪些误差可以补偿或消除。表2显示了消费级ADXL345加速度计理想性能规格的估计值和相应的倾斜误差。当试图达到最佳的倾斜精度时，必须应用某种形式的温度稳定或补偿。对于此示例，假设恒定温度为25°C。无法完全补偿的最大误差因素是温度失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽以降低噪声，因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

［表2|ADXL345 误差源估计值］

表3显示了ADXL355的相同标准。短期偏倚值是根据ADXL355数据手册中的艾伦方差根图估计的。在25°C时，通用型ADXL345的补偿倾斜精度估计为0.1°。对于工业级ADXL355，估计倾斜精度为0.005°。比较ADXL345和ADXL355可以看出，噪声等较大的误差贡献因素分别从0.05°降至0.0045°，偏置漂移从0.057°降至0.00057°。

［表3|ADXL355 误差源估计值］

选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要，特别是如果您的应用要求低于1°的倾斜精度。应用精度可能因应用条件（温度波动大、振动大）和传感器选择（消费级与工业级或战术级）而异。在这种情况下，ADXL345需要大量的补偿和校准工作才能实现《1°倾斜精度，从而增加了整个系统的工作和成本。根据最终环境和温度范围中的振动幅度，这甚至可能是不可能的。在25°C至85°C的温度范围内，温度系数失调漂移为1.375°，已经超过了倾斜精度小于1°的要求。

ADXL354和ADXL355的重复性（X和Y的重复性为±3.5 mg/0.2°，Z轴的重复性为±9 mg/0.5°），包括由于高温工作寿命测试（HTOL）（TA = 150°C，VSUPPLY = 3.6 V和1000小时），温度循环（−55°C至+125°C和1000次循环）引起的偏移。 速度随机游走、宽带噪声和温度滞后。通过在各种条件下提供可重复的倾斜测量，这些新型加速度计无需在恶劣环境中进行大量校准，即可实现最小的倾斜误差，并最大限度地减少部署后校准的需求。ADXL354和ADXL355加速度计具有保证的温度稳定性，零点失调系数为0.15 mg/°C（最大值）。稳定性最大限度地减少了与校准和测试工作相关的资源和费用，有助于为设备 OEM 实现更高的吞吐量。此外，密封封装有助于确保最终产品在出厂后很长一段时间内符合其可重复性和稳定性规格。

通常，重复性和抗振整流误差（VRE）不会显示在数据手册上，因为它们是性能较低的潜在指标。例如，ADXL345是一款通用加速度计，针对VRE不是设计人员主要关注点的消费类应用。然而，在更苛刻的应用中，例如导航、倾斜应用或振动丰富的特定环境，对VRE的抗扰度可能是设计人员最关心的问题，因此，ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357数据手册中也包括了VRE。

如表4所示，VRE是加速度计暴露于宽带振动时引入的失调误差。当加速度计暴露在振动中时，与温度和噪声贡献的0 g偏移相比，VRE在倾斜测量中会产生显着误差。这是它被遗漏在数据手册之外的关键原因之一，因为它很容易掩盖其他关键规格。

VRE是加速度计对交流振动的响应，这些振动被校正为直流。这些直流整流振动会改变加速度计的偏移，导致重大误差，特别是在目标信号为直流输出的倾斜应用中。直流失调的任何微小变化都可以解释为倾角的变化，并导致系统级误差。

［表4|以倾斜度为单位显示的误差］

VRE可能由加速度计内的各种谐振和滤波器引起，在本例中为ADXL355，因为VRE对频率具有很强的依赖性。振动被这些共振放大，放大的系数等于谐振的Q因子，并且由于谐振器的2极响应的二阶，将在较高频率下抑制振动。传感器的 Q 因子共振越大，由于振动放大幅度越大，VRE 就越大。较大的测量带宽导致高频带内振动的积分，从而导致更高的VRE，如图4所示。通过为加速度计选择适当的带宽来抑制高频振动，可以避免许多与振动相关的问题。1

［图4|ADXL355 在不同带宽下的 VRE 测试］

静态倾斜测量通常需要低g加速度计，约为±1 g至±2 g，带宽小于1.5 kHz。模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355分别具有低噪声密度（分别为20 μg√Hz和25 μg√Hz）、低0 g失调漂移、低功耗、带集成温度传感器和可选测量范围的3轴加速度计，如表5所示。

［表5|测量范围为 ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357 测量范围］

ADXL354/ADXL355 和 ADXL356/ADXL357 采用密封封装，可提高长期稳定性。封装带来的性能提升通常会扩展，如图 5 所示。在制造商可以做些什么来增加与稳定性和漂移相关的额外性能方面，封装经常被忽视。这一直是ADI公司的一个重点，这在我们针对不同应用领域提供的各种传感器封装类型中都可以看到。

高温和动态环境

在提供额定工作温度为高温或恶劣环境的加速度计出现之前，一些设计人员被迫使用远超出数据手册限制的标准温度IC。这意味着最终用户承担了在高温下鉴定组件的责任和风险，这是昂贵且耗时的。众所周知，密封密封封装在高温下坚固耐用，可防止导致腐蚀的水分和污染。ADI公司提供一系列密封器件，在整个温度范围内提供增强的稳定性和性能。

ADI公司还做了大量工作，研究塑料封装在高温下的性能，特别是引线框架和引线是否符合高温焊接工艺的能力，并为高冲击和振动环境提供安全连接。因此，ADI公司提供18款额定温度范围为−40°C至+125°C的加速度计，包括ADXL206、ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357、ADXL1001/ADXL1002、ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大多数竞争对手不提供能够在−40°C至+125°C或恶劣环境条件下（如重型工业机械和井下钻探和勘探）运行的MEMS电容式加速度计。

［图5|通过先进的封装技术和校准提高性能的示例］

在温度高于125°C的非常恶劣的环境中进行倾角测量是一项极具挑战性的任务。ADXL206是一款高精度（倾斜精度《0.06°）、低功耗、完整的双轴MEMS加速度计，适用于高温和恶劣环境，如井下钻探和勘探。该器件采用 13 mm × 8 mm × 2 mm 侧面钎焊陶瓷双列直插式封装，环境温度范围为 −40°C 至 +175°C，高于 175°C 时性能下降，可回收率为 100%。

在存在振动的动态环境中进行倾角测量，例如农业设备或无人机，需要更高的g范围加速度计，例如ADXL356/ADXL357。在有限的g范围内进行加速度计测量会导致削波，从而导致输出中增加额外的偏移。剪切可能是由于敏感轴处于1 g重力场中，或者由于具有快速上升时间和缓慢衰减的冲击。G范围越高，加速度计的削波就越小，从而减少偏移，从而在动态应用中实现更好的倾角精度。

图6显示了从ADXL356 Z轴进行的g范围有限的测量，该测量范围中已经存在1 g。图7显示了相同的测量结果，但g范围从±10 g扩展到±40 g。可以清楚地看到，通过扩展加速计的g范围，由限幅引起的偏移显著减小。

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357以较小的外形尺寸提供卓越的振动校正、长期重复性和低噪音性能，非常适合在静态和动态环境中进行倾斜/倾斜传感。

［图6|ADXL356 VRE，Z 轴偏移量为 1 g，±10 g 范围，Z 轴方向 = 1 g］

［图7|ADXL356 VRE， Z轴偏移量为1 g， ±40 g范围， Z轴方向 = 1 g］

稳定

关键标准：噪声密度、速度随机游走、运行中偏置稳定性、偏置重复性和带宽。

检测和理解运动可以为许多应用增加价值。利用系统所经历的运动并将其转化为改进的性能（缩短响应时间，提高精度，更快的操作速度），增强的安全性或可靠性（危险情况下的系统关闭）或其他增值功能，从而产生价值。由于运动的复杂性，有一大类稳定应用需要陀螺仪与加速度计（传感器融合）的组合，如图8所示，例如，在船上使用的基于无人机的监视设备和天线指向系统中。

［图8|六自由度IMU］

六自由度IMU使用多个传感器，因此它们可以补偿彼此的弱点。在一个或两个轴上看似简单的惯性运动实际上可能需要加速度计和陀螺仪传感器融合，以补偿振动，重力和其他影响，而加速度计或陀螺仪无法准确测量。加速度计数据由重力分量和运动加速度组成。它们不能分开，但陀螺仪可用于帮助从加速度计输出中删除重力分量。由于加速度计数据的重力分量引起的误差在确定加速度位置所需的积分过程后会迅速变大。由于累积误差，仅靠陀螺仪不足以确定位置。陀螺仪不感应重力，因此它们可以与加速度计一起用作支撑传感器。

在稳定应用中，MEMS传感器必须提供平台方向的精确测量，特别是在运动时。图9显示了利用伺服电机进行角运动校正的典型平台稳定平台系统的框图。反馈/伺服电机控制器将方向传感器数据转换为伺服电机的校正控制信号。

［图9|基本平台稳定系统3］

最终应用将决定所需的精度水平，而所选择的传感器质量（无论是消费级还是工业级）将决定这是否可实现。区分消费级器件和工业级器件非常重要，这有时可能需要仔细考虑，因为差异可能很细微。表6显示了集成到IMU中的消费级和中级工业级加速度计之间的主要区别。

［表6 |工业MEMS器件可对所有已知的潜在误差源进行广泛的表征，并与消费类器件相比，精度提高了一个数量级以上2］

为了在动态环境中测量从1°到0.1°的指向精度，设计人员的零件选择必须侧重于传感器在温度和振动影响下抑制漂移误差的能力。虽然传感器滤波和算法（传感器融合）是实现性能改进的关键因素，但它们无法消除从消费级到工业级传感器的性能差距。ADI公司的新型工业IMU的性能接近上一代导弹制导系统。ADIS1646x和宣布推出的ADIS1647x等器件能够以标准和微型IMU外形提供精密运动检测，开辟了曾经是一个利基应用领域。在某些情况下，条件是良性的，并且数据不精确是可以接受的，低精度设备可以提供足够的性能。然而，在动态条件下对传感器的要求迅速增长，并且由于无法减少实际测量或温度效应的振动效应，因此较低精度的零件遭受了极大的影响，因此难以测量低于3°至5°的指向精度。大多数低端消费类设备不提供参数规格，例如振动整流、角度随机游走和其他实际上可能是工业应用中最大误差源的参数。

在本文的第2部分中，我们将继续探讨MEMS加速度计的关键性能特征，以及它们如何与可穿戴设备、基于状态的监控和物联网等应用领域相关联，包括结构健康监测和资产健康监控。

审核编辑：郭婷