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为应用程序选择最合适的MEMS加速度计:第2部分gydF4y2Ba

2017年12月22日gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba克里斯•墨菲模拟设备gydF4y2Ba

在本文的第2部分中,我们将重点放在关键的规格和特性的可穿戴设备状态监测,物联网的应用程序。gydF4y2Ba

为您的应用程序可以选择最合适的加速度计是困难的,不同制造商的数据表可以差别很大,导致混乱,最关键的是什么规格。在本文的第2部分中,我们将重点放在关键的规格和特性的可穿戴设备状态监测,物联网的应用程序。gydF4y2Ba

可穿戴设备gydF4y2Ba

主要标准:低功耗,体积小,集成特性来提高节电,和可用性。gydF4y2Ba

加速度计的关键规范用于电池、可穿戴应用超低功耗,通常µA范围内,以确保电池寿命尽可能长时间延长。其他关键标准大小和集成特性,如备用通道ADC和深FIFO来帮助与电源管理和最终应用程序的功能。由于这些原因,MEMS加速度计通常用于嵌入式应用程序。表1显示了一些生命体征监测(VSM)应用程序和相应的上下文设置。加速度计用于可穿戴应用程序通常分类运动;提供自由落体检测;测量运动的存在与否提供系统电源,下来,或睡眠;与数据融合和帮助心电图和其他扫描仪测量。相同的感应器也用于无线传感器网络和物联网应用程序由于其超低功耗。gydF4y2Ba

表1。运动传感要求扫描仪可穿戴的应用程序gydF4y2Ba
计步器gydF4y2Ba 秋天gydF4y2Ba 光学心率gydF4y2Ba 水龙头(SW)gydF4y2Ba 睡眠gydF4y2Ba 动开关gydF4y2Ba 心电图gydF4y2Ba ADXL362 / ADXL363gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba设置gydF4y2Ba 2gydF4y2BaggydF4y2Ba 8gydF4y2BaggydF4y2Ba 4gydF4y2BaggydF4y2Ba到8gydF4y2BaggydF4y2Ba 8gydF4y2BaggydF4y2Ba 2gydF4y2BaggydF4y2Ba 2gydF4y2BaggydF4y2Ba 4gydF4y2BaggydF4y2Ba到8gydF4y2BaggydF4y2Ba 2gydF4y2BaggydF4y2Ba到8gydF4y2BaggydF4y2Ba
ODR(赫兹)gydF4y2Ba One hundred.gydF4y2Ba 400年gydF4y2Ba < 50gydF4y2Ba 400年gydF4y2Ba 12.5gydF4y2Ba 6gydF4y2Ba < 100gydF4y2Ba 400年gydF4y2Ba
电力消耗gydF4y2Ba 1.8µAgydF4y2Ba 3µAgydF4y2Ba 3µAgydF4y2Ba 1.5µAgydF4y2Ba 0.3µAgydF4y2Ba 10 3µA nAgydF4y2Ba
FIFO(样本集或时间)gydF4y2Ba 150年gydF4y2Ba 更深层次的是更好的gydF4y2Ba 1秒gydF4y2Ba 更深层次的是更好的gydF4y2Ba 20.gydF4y2Ba 没有gydF4y2Ba 1秒gydF4y2Ba 512秒或13秒gydF4y2Ba
ADCgydF4y2Ba 没有gydF4y2Ba 没有gydF4y2Ba 是的gydF4y2Ba 没有gydF4y2Ba 没有gydF4y2Ba 没有gydF4y2Ba 是的gydF4y2Ba 没有/是的gydF4y2Ba
噪音(毫克/√赫兹)gydF4y2Ba < 1gydF4y2Ba < 1gydF4y2Ba < 1gydF4y2Ba < 1gydF4y2Ba < 0.1gydF4y2Ba < 1gydF4y2Ba < 1gydF4y2Ba 175µgydF4y2BaggydF4y2Ba550µgydF4y2BaggydF4y2Ba
数据收集gydF4y2Ba 24/7gydF4y2Ba 24/7gydF4y2Ba sporaticgydF4y2Ba 24/7gydF4y2Ba 在运动gydF4y2Ba 连续在运动gydF4y2Ba 所有gydF4y2Ba
所需的功能gydF4y2Ba RSS, 8位gydF4y2Ba 触发模式先进先出gydF4y2Ba 触发模式先进先出gydF4y2Ba 低噪声gydF4y2Ba 单片机上gydF4y2Ba 除了RSSgydF4y2Ba

在为超低功率选择加速度计应用程序时,必须遵守功能传感器的功耗水平表示的数据表。一个关键观察是否可用的带宽和采样率降低的水平加速度数据无法衡量。一些竞争对手部分关掉自己和醒来保持低功耗和每一秒,在这一过程中,将错过重要的加速度数据由于减少了有效的采样率。为了测量实时人类运动的范围,耗电量明显增加。的gydF4y2BaADXL362gydF4y2Ba和gydF4y2BaADXL363gydF4y2Ba没有别名输入信号采样;他们样品的全部带宽传感器数据速率。动态功耗尺度采样率,如图1所示。值得注意的是,这些部件可以样品400 Hz与当前消费仅3µA。这些更高的数据率在可穿戴设备接口启用额外的功能如自来水/双击检测。采样率可以降低到6赫兹允许设备开始拿起或当检测到运动时,平均电流消耗270 nA。这也使得ADXL362 ADXL363吸引植入式应用电池不能被轻易取代。gydF4y2Ba

图1所示。ADXL362电源电流作为输出数据速率的函数。gydF4y2Ba

在某些应用程序中,它是足够的加速度计只调查加速一次或几次每秒。对于这些应用,ADXL362和ADXL363提供唤醒模式,仅消耗270 nA。ADXL363结合硬件MEMS加速度计、温度传感器(0.065°C)的典型比例因子和机载ADC输入外部信号同步转换的一个小和薄3毫米×3.25毫米×1.06毫米包。加速度和温度数据可以存储在512 -样本多模FIFO缓冲区,允许13秒的数据存储。gydF4y2Ba

模拟设备开发了VSM看,出于演示的目的,如图2所示,展示超低功率的功能部件如ADXL362在电池和空间受限的应用程序。gydF4y2Ba

图2。扫描仪观察结合一系列模拟装置部分突出超低,体积小,重量轻的产品。gydF4y2Ba

ADXL362也用来跟踪运动和概要文件,帮助去除不必要的工件从其他测量。gydF4y2Ba

要监视(CBM)gydF4y2Ba

主要标准:噪音低、宽的带宽,信号处理,gydF4y2Bag系列gydF4y2Ba和低功率。gydF4y2Ba

CBM涉及监测参数振动等机械,目的是识别和显示潜在的故障发生。CBM预见性维护的重要组成部分,其技术通常用于旋转机械如涡轮机,球迷,泵和电机。CBM加速度计的关键标准是低噪声、宽的带宽。写这篇文章的时候,很少竞争对手提供MEMS加速度计与带宽高于3.3 kHz,与一些专业制造商提供7千赫带宽。gydF4y2Ba

工业物联网的发展,强调减少布线,利用无线、超低功率技术。这个地方MEMS加速度计的压电加速度计的大小、重量、功耗和潜在综合智能特性。最常用的传感器对煤层气压电加速度计因其良好的线性度,信噪比,高温操作,广泛从3赫兹到30千赫带宽是典型的,在某些情况下,几百千赫。然而,压电加速度计在直流和表现不佳,如图3所示,相当多的错误可以发生在较低的频率对直流下来,尤其是在风力涡轮机和类似的低转速的应用程序。压电传感器不扩大大量制造业以及MEMS由于他们的机械特性,和也更昂贵和更少的多功能接口和电源。gydF4y2Ba

MEMS电容式加速度计提供更高层次的集成和功能特性,比如自测,峰值加速度,光谱警报,等;fft算法和数据存储,冲击宽容10000 g,直流响应,更小、更轻。的gydF4y2BaADXL354gydF4y2Ba/gydF4y2BaADXL355gydF4y2Ba和gydF4y2BaADXL356gydF4y2Ba/gydF4y2BaADXL357gydF4y2Ba非常适合于状态监测应用程序基于超低噪音和稳定温度,但最终他们的带宽也会进行更深入的诊断分析。然而,即使有限的带宽范围内,这些加速度计可以提供重要的测量;例如,在风力发电机状态监测设备旋转以非常低的速度。在这种情况下,响应到直流是必需的。gydF4y2Ba

图3。旋转设备故障振动构件。gydF4y2Ba

单轴加速度计的新ADXL100x家庭工业状态监测和优化提供宽测量带宽50 kHz, g-ranges±100 g,超低噪音performance-putting他们与压电加速度计的性能代价。更详细的讨论模拟装置MEMS电容式加速度计与压电加速度计可以在本文中找到:gydF4y2BaMEMS加速度计的性能是年龄gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

的gydF4y2BaADXL1001gydF4y2Ba/gydF4y2BaADXL1002gydF4y2Ba频率响应如图4所示。大多数故障等旋转机械滑动轴承受损,发生失调,不平衡,摩擦,松动,传动装置故障,轴承磨损、气蚀发生的测量范围ADXL100x状态监测加速计的家庭。gydF4y2Ba

图4。gydF4y2Ba频率响应gydF4y2BaADXL1001 / ADXL1002高频振动响应(> 5 kHz);激光振动计控制器引用ADXL1002包用于精度。gydF4y2Ba

压电加速度计通常不集成智能特性而ADXL100x MEMS电容式加速度计的家庭提供内置超量程的检测电路,它提供了一个警告,表明重大超量程的事件发生,大约2×大于指定的g系列。这是一个关键的功能开发一个智能测量和监控系统。ADXL100x适用内部时钟的一些智能禁用保护传感元件在连续超量程的事件,比如,如果一个发动机有故障发生。这使主机处理器的负担,可以添加智能传感器节点状态监测和工业物联网解决方案的关键标准。gydF4y2Ba

MEMS电容式加速度计性能实现了巨大的飞跃,以至于新ADXL100x家庭竞争和赢得套接字之前由压电传感器。ADXL35x家族提供了业界最佳,超低噪声性能和它也取代了传感器在煤层气的应用程序。新的解决方案和方法对煤层气聚集以及物联网架构更好的传感、连接和存储和分析系统。模拟设备的最新加速度计在边缘节点,使更多的智能监控帮助工厂经理实现完全集成振动监测与分析系统。gydF4y2Ba

MEMS加速度计的进一步称赞这个范围是第一代煤层气的子系统,gydF4y2BaADIS16227gydF4y2Ba和gydF4y2BaADIS16228gydF4y2Ba半自治、完全集成的、宽的带宽振动分析系统,如图5所示,与可编程等特点警报在六个光谱波段,2级设置警告和故障定义、可调响应延迟减少假警报,和内部自测状态标志。频域处理包括一个512点,实值为每个轴FFT,连同FFT平均,这减少了噪声地板更精细的分辨率的变化。ADIS16227和ADIS16228完全集成振动分析系统可以减少设计时间,降低成本,减少处理器的需求,并减少空间的限制,使它们适合煤层气的应用程序。gydF4y2Ba

图5。数字三轴振动传感器与FFT分析和存储。gydF4y2Ba

物联网无线传感器网络gydF4y2Ba

主要标准:能耗、综合特性允许智能节电和测量,体积小,深FIFO,合适的带宽。gydF4y2Ba

物联网的承诺很好理解整个行业。为了兑现这一承诺,数以百万计的传感器必须部署在未来几年。绝大多数的这些传感器将被放置在难以访问或空间约束位置如屋顶、路灯,塔桅杆,桥梁,在重型机械,等等,使智能城市的概念、智能农业、智能建筑等。由于这些限制,很可能一个高比例的这些传感器需要进行无线通信,以及电池或者某种形式的能量收获。gydF4y2Ba

物联网应用的趋势是减少数据无线传输到云或本地服务器进行存储和分析,现有的方法使用多余的带宽和是昂贵的。智能处理的传感器节点可以区分nonuseful和有用的数据,最大限度地减少需要传输大量的数据,从而减少带宽和成本。这个地方对传感器要求包含智能特性,同时保持超低功耗。标准物联网信号链是图6所示。模拟设备提供所有块除了网关解决方案。注意,并不是所有的解决方案都需要无线连接,大量的应用程序连接解决方案仍然是必要的,无论是rs - 485、4马20 mA或工业以太网等。gydF4y2Ba

通过一些智能节点,可以只传输有用的数据沿着chain-saving功率和带宽的信号。在煤层气,传感器节点的本地处理完成的数量将取决于几个因素,如机器的成本和复杂性和状态监测系统的成本。数据传播的范围可以从一个简单的数据流,报警范围。ISO 10816等标准存在指定警告条件给定大小机器运行在一个特定的RPM率输出警报信号在振动速度超过预设阈值。ISO 10816是为了优化被测系统的使用寿命,其滚动体轴承,因此最大限度地减少传输的数据量,从而更好地支持部署传感器网络体系结构。gydF4y2Ba

一个加速度计用于一个ISO 10816的要求应用程序是50克或更少的g系列和低噪声在低频加速度数据定期综合得到一个速度点毫米/秒rms。当加速度计数据包含低频噪音是集成的、可以增加速度的线性输出的错误。ISO标准指定1赫兹到1 kHz测量范围,但是用户想集成低至0.1赫兹。传统上,这是高水平的噪音限制在电荷耦合压电加速度计的低频,但下一代加速器模拟设备保持噪音楼下来,只有有限的1 / f噪声信号调节的电子设备,可以最小化与精心设计0.01赫兹。MEMS加速度计可用于经济CBM低成本设备或应用程序可以集成到嵌入式解决方案由于其小尺寸和低成本相比,压电传感器。gydF4y2Ba

图6。边缘传感器节点提供解决方案gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba模拟设备。gydF4y2Ba

模拟设备范围广泛的加速度计,非常适合在需要超低功率的智能传感器节点,包括尽可能多的功能,延长电池寿命,有助于减少带宽使用情况,因此成本。的一些关键标准物联网传感器节点低功耗(ADXL362 ADXL363),和拥有一个丰富的特性集,允许能源管理和检测的特定数据,如阈值活动,光谱剖面警报,峰值加速度值,缺乏长期的活动或活动(ADXL372 ADXL375)。gydF4y2Ba

所有这些感应器可以保持整个系统的加速度数据存储在FIFO和寻找一个活动事件。当事件发生时,影响数据收集的事件是冷冻前FIFO。没有FIFO,捕捉样本事件之前需要连续的加速度信号的采样和处理处理器,大大降低电池寿命。ADXL362和ADXL363 FIFO数据可以存储在13秒内,提供一个清晰的画面前一个活动引发的事件。超低功耗保持不利用权力义务骑自行车,而是使用一个完整的带宽架构数据速率,从而防止混叠的输入信号。gydF4y2Ba

资产健康监测gydF4y2Ba

主要标准:能耗、综合特性允许智能节电和测量,体积小,深FIFO,合适的带宽。gydF4y2Ba

资产健康监测(AHM)通常需要监控的高价值资产在一段时间内,无论是静态或在运输途中。这些资产可能是货物在集装箱、远程管道、平民,士兵,高密度电池,等等,都容易受到影响或冲击事件。物联网提供了一个理想的基础设施等报道的事件可能影响资产的功能或安全。传感器用于AHM的关键标准是衡量高g冲击的能力,相关资产,虽然消耗非常低功率和影响事件。当嵌入这些传感器在电池或便携式应用程序操作,其他关键传感器规范考虑包括大小、采样过密,和反锯齿功能准确地处理高频内容,以及延长电池寿命的智能功能最大化主机处理器睡眠时间,并允许中断驱动的算法检测和捕获冲击概要文件。gydF4y2Ba

的ADXL372微功率,±200 g MEMS加速度计目标新兴资产健康市场空间智能物联网边缘节点。这部分包含几个特色专为AHM市场开发的简化系统设计和提供系统级电力储蓄。高g等事件冲击或影响往往与加速度密切相关的内容在一个广泛的频率。宽的带宽需要准确地捕捉这些事件,作为测量带宽不足将有效减少记录的大小事件,导致错误。这是一个关键参数来观察数据表。有些部分不满足奈奎斯特采样率的标准。ADXL375和ADXL372提供的选项捕获整个冲击剖面进行进一步分析从主机处理器没有干预。这是通过使用冲击中断寄存器结合加速度计的内部FIFO。图7显示的重要性有足够的FIFO为了确定整个冲击概要文件之前触发事件。FIFO不足,就不可能记录和维护冲击事件进行进一步分析。gydF4y2Ba

图7。准确地捕捉激波概要文件。gydF4y2Ba

ADXL372可以运行在3200赫兹的带宽极低的功率水平。陡峭的过滤器碾轧有效抑制带外的内容,也很有用,ADXL372包含四极,抗锯齿滤波器。不平滑滤波,任何输入信号的频率超过了输出数据率/ 2可以折叠成感兴趣的测量带宽,导致测量不准确。这四极,低通滤波器有一个用户可选择的滤波器带宽用户的应用程序中,允许最大的灵活性。gydF4y2Ba

瞬动影响检测是一项功能,允许用户配置ADXL372捕捉影响事件超过一定阈值时的超低功率模式。如图8所示,在事件发生时产生影响,加速度计进入完整的测量模式,以准确地捕捉轮廓的影响。gydF4y2Ba

图8。瞬动模式使用默认阈值。gydF4y2Ba

一些应用程序需要,只有峰值加速度样本事件被记录产生影响,这就可以提供足够的信息。ADXL372 FIFO有能力存储为每个轴峰值加速度样本。最长的时间,可以存储在FIFO 1.28秒(512单轴样品在400 Hz ODR)。170×硬件样品在3200 Hz ODR对应于一个50毫秒的时间窗口,足以捕捉典型波形的影响。应用程序不需要完整的事件概要文件可以大大增加之间的时间只FIFO存储读取的峰值加速度信息,提供进一步的电能节约。512 FIFO样本可以分配在几个方面,包括以下:gydF4y2Ba

  • 170样品并发使用硬件的数据集gydF4y2Ba
  • u 256并发两样本集数据(用户可选)gydF4y2Ba
  • u 512样本集的单轴数据gydF4y2Ba
  • u 170套影响事件峰值(x, y, z)gydF4y2Ba

适当使用FIFO实现系统级的电能节约通过启用主机处理器睡觉很长时间,而加速度计自动收集数据。另外,使用FIFO来收集数据可以吐露主机处理器虽然倾向于其他任务。gydF4y2Ba

市场上还有其他几种加速度计与高g性能相似,但他们不适合阿/ SHM物联网边缘节点应用程序由于其狭窄的带宽和更高的功耗。在一个低功率模式提供的情况下,它通常是在低带宽不能准确测量。ADXL372真正创建一个棍子,忘记AHM方法/单孔位微吹气扰动,使终端客户考虑潜在的资产类别,这将是可行的。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

模拟设备提供了一个极其广泛的加速度计适合多种应用程序,其中的一些并不关注在这篇文章中,航迹推算,明显,惯性测量,汽车的稳定和安全,医疗对齐。我们的下一代MEMS电容式加速度计是适合应用要求低噪声,低功耗,高稳定性,对温度和性能;最小的补偿;和综合智能特性来提高整个系统的性能和易用性设计复杂性。模拟设备提供了所有相关的数据表的信息来帮助您选择最适合您的应用程序的一部分。访问gydF4y2Baanalog.com/MEMSgydF4y2Ba为更多的细节在模拟设备上MEMS加速度计的线。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba

Broeders Jan-Hein。”gydF4y2Ba从可穿戴式医疗设备gydF4y2Ba”。模拟设备有限公司,2017年版。gydF4y2Ba

Scannel,鲍勃。”gydF4y2Ba嵌入式智能和沟通使可靠和连续振动监测gydF4y2Ba”。(PDF)模拟设备,Inc ., 2015。gydF4y2Ba

斯宾塞,艾德。”gydF4y2Ba你需要知道什么MEMS加速度计状态监测gydF4y2Ba”。模拟设备有限公司,2016年版。gydF4y2Ba

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