用于智能基础设施的MEMS传感器

平板电脑、智能手机、视频游戏机、摄像机和相机彻底改变了传感器世界。这包括MEMS加速度计和陀螺仪。它们测量运动的能力提高了性能，并增加了许多使用它们的设备的功能。

虽然消费类应用刺激了对这些传感器的需求，但它们在其他市场的使用也在增加。随着数字化或物联网的出现，传感器正在成为工业基础设施应用的核心。在这些情况下，MEMS被依赖用于状态监测和结构健康监测。这些新应用带来了非常具体的性能和可靠性标准。

智能基础设施

使用数字化创建智能基础设施提供了许多好处。其中包括提高容量、效率和可靠性。智能基础设施可为客户和用户提供更多、更有针对性的服务，而无需增加投资或资源。此外，互联基础设施可以收集数据，以帮助更有效地设计和实施未来的基础设施。为基础设施带来智能还可以有效解决维护的主要挑战。MEMS传感器在结构健康监测中起着决定性的作用。它们可用于测量倾角变化、振动分析以及线性或圆周运动，即使在极端条件下也是如此。这些传感器可以进行预测性维护，更好地利用可用资源并有助于避免服务故障和中断。ADI公司拥有深厚的专业知识，并在支持智能基础设施应用的MEMS技术方面投入了大量资金。

ADXL35x MEMS加速度计系列

ADI公司推出的低噪声、低功耗、3轴加速度计系列：带模拟输出的ADXL354;ADXL355具有数字输出和±2 g、±4 g和±8 g可编程范围;带模拟输出的ADXL356;ADXL357具有数字输出和±10 g、±20 g和±40 g可编程范围。

这些器件可用于 IMU（惯性测量单元）、平台稳定系统、测斜仪和预测性维护系统。这些中高端传感器专为一些最苛刻的传感器应用而设计，例如地震测绘以及工业和基础设施预测性维护系统。

结构健康监测的高级功能

对于状态监测和结构健康监测，测量范围是一个重要的参数。例如，在加速度峰值约为几g s的应用中，2 g量程传感器就足够了。然而，这些设备通常在受到强烈振动和冲击的环境中运行，从而导致传感器饱和。一旦饱和，就无法再测量正确的加速度。因此，在设备可以恢复标称操作之前，数据会丢失。在这种情况下，可以使用 40 g 传感器。它不太可能达到饱和，即使在存在高机械噪声的情况下，也可以通过适当的信号处理提取所需的信息。

由于许多基础设施应用中的传感器可能很远或难以访问，因此无线传感器网络是最佳解决方案。这使得低功耗成为另一个关键考虑因素。ADXL35x器件在待机模式下仅消耗21 μA，模拟输出部分功耗为150 μA，在测量模式下数字输出功耗为200 μA。ADXL355/ADXL357中的FIFO存储器在主机微控制器处于休眠模式时存储数据。当内存已满时，中断会唤醒微控制器以传输数据并执行请求的操作。微控制器完成传输后，将返回低功耗休眠模式，从而确保极低的功耗水平。

通常，低功耗是以牺牲其他因素为代价的，例如速度和噪声。ADXL35x加速度计的频谱噪声密度对于低g器件为20 μg/√Hz，对于高g器件，其频谱噪声密度为80 μg/√Hz。此外，内部架构有助于优化加速度计的灵敏度。图2显示了模拟和数字器件的框图。来自传感器的信号进入滤波模块，然后由后续阶段处理。在滤波器之后，在输出之前，有一个缓冲器和一个32 kΩ电阻，可以执行进一步的模拟滤波。数字器件具有一个额外的可编程数字滤波器。低通滤波器的截止频率根据输出数据速率进行调整，也可以插入高通滤波器来实现带通功能。对于状态监测，振动的频谱分析是主要工具，因此高带宽对于捕获更多次谐波非常重要。传感器的机械共振频率在5.5 kHz左右，但频率响应主要由截止频率为1.5 kHz的抗混叠滤波器决定。最后，为了提供所需的分辨率，模数转换使用20位Σ-Δ转换器执行。由于这些功能，这些加速度计也可用于记录地震事件。

 

图2.ADXL356和ADXL357原理框图。

如果要监测建筑物、桥梁、轨道、高压塔或基础设施的任何其他元素的结构健康状况，稳定性非常重要。我们在这里要测量的是结构的漂移，不应将其与测量设备的漂移混淆。

传感器的长期稳定性与机械应力有关。在焊接阶段遭受的任何机械应力都可能导致电气偏移。应力会随着时间的推移而变化，导致偏移漂移。这可能会被误解为倾斜度或其他一些结构参数的变化。为避免此问题，需要特别注意芯片粘接操作。

包装选择也很重要。这些加速度计采用坚固的 14 引脚 LCC 陶瓷封装，比广泛用于消费应用的塑料封装更好地防止机械应力。陶瓷封装还保证了高度的密封性，可防止水分和颗粒进入，从而有助于长期稳定性。

在正常运行期间，设备可能会受到不同的环境条件的影响，尤其是可能影响其性能的温度和湿度。对于湿度，传感器采用密封封装，如 14 引脚 LCC，即使在最恶劣的条件下也能保证稳定运行。工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。 这意味着这些设备经过优化，即使在极端温度下也能正常工作。此外，还特别注意最小化偏移的漂移，这是最关键的参数。在所有三个轴上，保证低g加速度计ADXL354/ADXL355的最大漂移为±0.15 m g/°C，高g加速度计ADXL356/ADXL357的最大漂移为±0.75 m g/°C。此外，加速度计还配备了一个集成的温度传感器，可用于漂移的热补偿。

 

	ADXL354	ADXL355	ADXL356	ADXL357	ADXL1001	ADXL1002	ADXL1004
FSR (g)	±2 to ±8	±2 to ±8	±10 to ±40	±10 to ±40	±100	±50	±500
# of Axes	3	3	3	3	1	1	1
Output	Analog	Digital	Analog	Digital	Analog	Analog	Analog
Bandwidth (kHz)	1.5	1	1.5	1	11	11	24
谐振频率（千赫）	2.4	2.4	5.5	5.5	21	21	45
噪声密度 （μ克/√赫兹）	20	20	80	80	30	25	125
自检	是的	是的	是的	是的	是的	是的	是的
电源电流测量模式	150 微安	200 微安	150 微安	200 微安	1毫安	1毫安	1毫安
温度范围（°C）	–40 至 +125	–40 至 +125	–40 至 +125	–40 至 +125	–40 至 +125	–40 至 +125	–40 至 +125

 

结论

今天，我们看到对MEMS传感器的需求扩展到消费类应用之外。工业和基础设施市场正在创造新的机会。正是在这些领域，可靠性和性能是关键因素。ADI公司的研究重点是开发能够提供高性能并在极端环境条件下可靠运行的解决方案。ADXL354、ADXL355、ADXL356和ADXL357是对全新高g加速度计系列的补充，ADXL1001为±100 g，ADXL1002为±50 g，ADXL1004为±500 g超低噪声和高达24 kHz的超高带宽。