為您的應用選擇最合適的加速度計可能很困難，因為不同制造商的數據手冊可能有很大差異，導致對最關鍵規格的混淆。在本文的第 2 部分中，我們將重點介紹可穿戴設備、狀態監測和物聯網應用中的關鍵規格和功能。

可穿戴設備

關鍵標準：低功耗、小尺寸、集成功能以增強節能和可用性。

電池供電、可穿戴應用中使用的加速度計的關鍵規格是超低功耗，通常在μA范圍內，以確保盡可能延長電池壽命。其他關鍵標準包括尺寸和集成特性，例如備用ADC通道和深度FIFO，以幫助最終應用中的電源管理和功能。由于這些原因，MEMS加速度計通常用于可穿戴應用。表 1 按上下文顯示了一些生命體征監測 （VSM） 應用及其相應的設置。可穿戴應用中使用的加速度計通常對運動進行分類;提供自由落體檢測;測量是否存在運動，以提供系統開機、關機或睡眠;并幫助ECG和其他VSM測量的數據融合。相同的加速度計也用于無線傳感器網絡和物聯網應用，因為它們具有超低功耗。

在為超低功耗應用選擇加速度計時，必須在數據手冊中所述的功耗水平下觀察傳感器的功能。要觀察的一個關鍵問題是，帶寬和采樣率是否降低到無法測量可用加速度數據的水平。一些競爭對手的部件會自動關閉并每秒喚醒一次，以保持低功耗，并且由于有效采樣率降低，這樣做會錯過關鍵的加速度數據。為了測量實時人體運動的范圍，必須顯著增加功耗。ADXL362和ADXL363不會通過欠采樣來混疊輸入信號;它們以所有數據速率對傳感器的全帶寬進行采樣。功耗隨采樣速率動態變化，如圖1所示。值得注意的是，這些器件可以采樣高達400 Hz的電流，電流消耗僅為3 μA。這些更高的數據速率可在可穿戴設備接口中實現額外的功能，例如點擊/雙擊檢測。采樣速率可以降低到6 Hz，以允許器件在拾取或檢測到運動時啟動，平均電流消耗為270 nA。這也使得ADXL362和ADXL363對于電池不易更換的植入式應用具有吸引力。

圖1.ADXL362電源電流與輸出數據速率的關系。

在某些應用中，加速度計每秒只需輪詢一次或幾次加速度就足夠了。對于這些應用，ADXL362和ADXL363提供僅消耗270 nA的喚醒模式。ADXL363集成了3軸MEMS加速度計、溫度傳感器（典型比例因子為0.065°C）和板載ADC輸入，用于在3 mm×3.25 mm×1.06 mm小型封裝中同步轉換外部信號。加速度和溫度數據可以存儲在 512 個樣本的多模 FIFO 緩沖器中，允許存儲長達 13 秒的數據。

ADI公司開發了一款VSM手表，僅用于演示目的，如圖2所示，以展示ADXL362等超低功耗器件在電池和空間受限應用中的功能。

圖2.VSM手表集成了一系列ADI公司的器件，突出了超低功耗、小型、輕量化產品。

ADXL362用于跟蹤運動和輪廓運動，以幫助消除其他測量中不需要的偽影。

狀態監控 （CBM）

關鍵標準：低噪聲、寬帶寬、信號處理、g范圍和低功耗。

煤層氣涉及監測機械振動等參數，目的是識別和指示故障的潛在發生。CBM是預測性維護的主要組成部分，其技術通常用于旋轉機械，如渦輪機，風扇，泵和電機。CBM加速度計的關鍵標準是低噪聲和寬帶寬。在撰寫本文時，很少有競爭對手提供帶寬高于3.3 kHz的MEMS加速度計，一些專業制造商提供高達7 kHz的帶寬。

隨著工業物聯網的發展，人們強調減少布線和利用無線、超低功耗技術。這使得MEMS加速度計在尺寸、重量、功耗和集成智能功能的潛力方面領先于壓電加速度計。CBM最常用的傳感器是壓電加速度計，因為它們具有良好的線性度、信噪比、高溫工作，并且典型帶寬為3 Hz至30 kHz，在某些情況下高達數百kHz。然而，壓電加速度計在直流附近性能較差，如圖3所示，在低至直流的頻率下會發生相當多的故障，特別是在風力渦輪機和類似的低RPM應用中。壓電傳感器由于其機械性質而無法像MEMS那樣擴展到大批量生產，并且在接口和電源方面也更昂貴且通用性較差。

MEMS電容式加速度計在自檢、峰值加速度、頻譜報警等功能方面具有更高的集成度和功能;FFT 和數據存儲，抗沖擊能力高達 10000 g，具有直流響應，體積更小、更輕。ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357因其超低噪聲和溫度穩定性而非常適合狀態監測應用，但最終其帶寬使其無法執行更深入的診斷分析。然而，即使在有限的帶寬范圍內，這些加速度計也可以提供重要的測量;例如，在風力渦輪機狀態監測中，設備以非常低的速度旋轉。在這種情況下，需要低至直流的響應。

圖3.旋轉設備故障振動偽影。

新型ADXL100x系列單軸加速度計針對工業狀態監測進行了優化，提供高達50 kHz的寬測量帶寬、高達±100 g的g范圍和超低噪聲性能，在性能方面與壓電加速度計不相上下。有關ADI公司MEMS電容式加速度計與壓電加速度計的更詳細討論，請參見本文：MEMS加速度計性能成熟。

ADXL1001/ADXL1002的頻率響應如圖4所示。旋轉機械中發生的大多數故障，如套筒軸承損壞、不對中、不平衡、摩擦、松動、齒輪故障、軸承磨損和氣蝕，都發生在ADXL100x系列狀態監測加速度計的測量范圍內。

圖4.ADXL1001/ADXL1002的頻率響應，高頻（>5 kHz）振動響應;激光測振儀控制器參考用于精度的ADXL1002封裝。

壓電加速度計通常不集成智能功能，而ADXL100x系列等MEMS電容式加速度計提供內置超量程檢測電路，該電路提供警報，指示發生大于指定g范圍約2×的重大超量程事件。這是開發智能測量和監控系統的關鍵功能。ADXL100x對內部時鐘進行一些智能禁用，以便在連續超量程事件（例如電機發生故障時發生的超量程事件）期間保護傳感器元件。這減輕了主機處理器的負擔，并可以為傳感器節點增加智能，這兩者都是狀態監控和工業物聯網解決方案的關鍵標準。

MEMS電容式加速度計在性能方面取得了巨大的飛躍，以至于新的ADXL100x系列正在競爭并贏得以前由壓電傳感器主導的插座。ADXL35x系列提供業界最佳的超低噪聲性能，還可取代CBM應用中的傳感器。CBM的新解決方案和方法正在與物聯網架構融合到更好的傳感、連接、存儲和分析系統中。ADI公司最新的加速度計可在邊緣節點實現更智能的監控，幫助工廠管理人員實現完全集成的振動監測和分析系統。

CBM、ADIS16227和ADIS16228的第一代子系統是全集成的寬帶寬振動分析系統，如圖5所示，具有六個頻譜帶的可編程報警、用于警告和故障定義的2級設置、可調節的響應延遲以減少誤報等功能。 以及帶有狀態標志的內部自檢。頻域處理包括每個軸的 512 點實值 FFT，以及 FFT 平均，可減少本底噪聲變化以獲得更精細的分辨率。ADIS16227和ADIS16228完全集成的振動分析系統可以縮短設計時間，降低成本，最大限度地降低處理器要求，并減少空間限制，使其成為CBM應用的理想選擇。

圖5.具有FFT分析和存儲功能的數字三軸振動傳感器。

物聯網/無線傳感器網絡

關鍵標準：功耗、允許智能節能和測量的集成功能、小尺寸、深度FIFO和合適的帶寬。

物聯網的前景在整個行業中都得到了很好的理解。為了實現這一承諾，未來幾年必須部署數百萬個傳感器。這些傳感器中的絕大多數將被放置在難以接近或空間受限的位置，如屋頂、路燈頂部、塔桅桿、橋梁、重型機械內部等，從而實現智能城市、智能農業、智能建筑等概念。由于這些限制，這些傳感器中很大一部分可能需要無線通信，以及電池供電，也許還需要某種形式的能量收集。

物聯網應用的趨勢是盡量減少無線傳輸到云或本地服務器進行存儲和分析的數據，因為現有方法使用多余的帶寬并且價格昂貴。傳感器節點的智能處理可以區分無用數據和無用數據，最大限度地減少傳輸大量數據的要求，從而降低帶寬和成本。這就要求傳感器在保持超低功耗的同時包含智能功能。標準物聯網信號鏈如圖6所示。ADI公司為網關以外的所有模塊提供解決方案。請注意，并非所有解決方案都需要無線連接，對于大量應用，仍然需要有線解決方案，無論是RS-485，4 mA至20 mA還是工業以太網等。

通過在節點上具有一些智能，可以僅沿信號鏈傳輸有用的數據，從而節省功耗和帶寬。在CBM中，在傳感器節點本地完成的處理量將取決于幾個因素，例如機器的成本和復雜性與狀態監測系統的成本。傳輸的數據范圍從簡單的超出范圍警報到數據流。ISO 10816等標準用于指定以特定RPM速率運行的給定尺寸機器的警告條件，并在振動速度超過預設閾值時輸出警報信號。ISO 10816旨在優化被測系統及其滾動軸承的使用壽命，從而最大限度地減少傳輸數據量，從而更好地支持WSN架構中的部署。

ISO 10816應用中使用的加速度計的要求是g范圍為50 g或更小，低頻噪聲低，因為加速度數據會定期集成以獲得以mm/sec rms為單位的單個速度點。當集成包含低頻噪聲的加速度計數據時，速度輸出中的誤差會線性增加。ISO 標準規定了 1 Hz 至 1 kHz 的測量范圍，但用戶希望集成低至 0.1 Hz。 傳統上，這受到電荷耦合壓電加速度計低頻高噪聲的限制，但ADI公司的下一代加速度計將本底噪聲保持在直流，僅受信號調理電子設備的1/f噪聲角的限制，小心后可以將其降至0.01 Hz設計。MEMS加速度計可用于低成本設備的經濟型CBM應用，或者由于與壓電傳感器相比，MEMS加速度計的尺寸更小，成本更低，因此可以集成到嵌入式解決方案中。

圖6.ADI公司提供的邊緣傳感器節點解決方案。

ADI公司提供各種加速度計，非常適合用于需要超低功耗的智能傳感器節點，包括盡可能多的功能，以延長電池壽命，幫助減少帶寬使用，從而降低成本。物聯網傳感器節點的一些關鍵標準是低功耗（ADXL362、ADXL363），并具有豐富的功能集，允許能量管理和檢測特定數據，如超閾值活動、頻譜分布報警、峰值加速度值以及長時間活動或不活動（ADXL372、ADXL375）。

所有這些加速度計都可以保持整個系統斷電，同時將加速度數據存儲在FIFO中并查找活動事件。發生影響事件時，在事件發生之前收集的數據將凍結在 FIFO 中。如果沒有FIFO，在事件發生之前捕獲樣本將需要處理器對加速信號進行連續采樣和處理，這會顯著縮短電池壽命。ADXL362和ADXL363 FIFO可以存儲超過13秒的數據，在活動觸發之前提供清晰的事件圖像。通過不使用功率占空比，而是在所有數據速率下采用全帶寬架構，防止輸入信號混疊，從而保持超低功耗。

資產運行狀況監控

關鍵標準：功耗、允許智能節能和測量的集成功能、小尺寸、深度FIFO和合適的帶寬。

資產運行狀況監視 （AHM） 通常涉及在一段時間內監視高價值資產，無論是靜態資產還是傳輸中資產。這些資產可能是集裝箱內的貨物、偏遠管道、平民、士兵、高密度電池等，容易受到沖擊或沖擊事件的影響。物聯網為報告可能影響資產功能或安全性的此類事件提供了理想的基礎設施。用于AHM的傳感器的關鍵標準是能夠在功耗非常低的情況下測量與資產相關的高g沖擊和沖擊事件。在電池供電或便攜式應用中嵌入此類傳感器時，需要考慮的其他關鍵傳感器規格包括尺寸、過采樣和抗混疊功能，以精確處理高頻內容，以及智能功能，通過最大限度地延長主機處理器休眠時間來延長電池壽命，并允許使用中斷驅動算法來檢測和捕獲沖擊曲線。

ADXL372微功耗、±200 g MEMS加速度計面向智能物聯網邊緣節點的新興資產健康市場空間。該器件包含專為AHM市場開發的幾個獨特功能，以簡化系統設計并提供系統級節能。沖擊或沖擊等高g事件通常與寬頻率范圍內的加速度含量密切相關。準確捕獲這些事件需要寬帶寬，因為帶寬不足的測量將有效地降低記錄事件的震級，從而導致不準確。這是數據手冊中要觀察的關鍵參數。某些部件不滿足奈奎斯特采樣率標準。ADXL375和ADXL372提供捕獲整個沖擊曲線的選項，無需主機處理器干預即可進一步分析。這是通過將沖擊中斷寄存器與加速度計的內部FIFO結合使用來實現的。圖7顯示了擁有足夠的FIFO對于在觸發事件之前確定整個沖擊曲線的重要性。由于FIFO不足，將無法記錄和維護沖擊事件以供進一步分析。

圖7.準確捕獲沖擊剖面。

ADXL372可在極低的功耗水平下以高達3200 Hz的帶寬工作。陡峭的濾波器滾降也有助于有效抑制帶外內容，為此，ADXL372集成了一個四極點低通抗混疊濾波器。如果沒有抗混疊濾波，任何頻率超過輸出數據速率/2的輸入信號都可能折疊到目標測量帶寬中，從而導致測量不準確。這款四極點低通濾波器具有用戶可選的濾波器帶寬，可在用戶應用中實現最大的靈活性。

瞬時沖擊檢測功能允許用戶將ADXL372配置為在超低功耗模式下捕獲超過特定閾值的沖擊事件。如圖8所示，發生撞擊事件后，加速度計進入全測量模式，以便準確捕獲沖擊曲線。

圖8.使用默認閾值的瞬開模式。

一些應用要求僅記錄撞擊事件的峰值加速度樣本，因為僅此一項就可以提供足夠的信息。ADXL372 FIFO能夠存儲每個軸的峰值加速度樣本。FIFO中可以存儲的最長時間為1.28秒（512個單軸樣本，ODR為400 Hz）。3200 Hz ODR 下的 170× 3 軸采樣對應于 50 ms 的時間窗口，足以捕獲典型的沖擊波形。不需要完整事件配置文件的應用可以通過僅存儲峰值加速度信息來大大增加FIFO讀取之間的時間，從而進一步節省功耗。512 FIFO樣品可以通過多種方式分配，包括：

170 個并發 3 軸數據樣本集

256 個并發 2 軸數據樣本集（用戶可選）

512 個單軸數據樣本集

170組沖擊事件峰值（x，y，z）

正確使用 FIFO 可使主機處理器在加速度計自主收集數據時長時間休眠，從而實現系統級節能。或者，使用 FIFO 收集數據可以在主機處理器傾向于執行其他任務時減輕主機處理器的負擔。

市場上還有其他幾種具有類似高g性能的加速度計，但由于帶寬窄，功耗較高，它們不適合AHM/SHM物聯網邊緣節點應用。在提供低功耗模式的情況下，通常在較低帶寬下無法進行準確測量。ADXL372真正為AHM/SHM創造了一種一勞永逸的方法，使最終客戶重新考慮可行的潛在資產類別。

結論

ADI公司提供極其廣泛的加速度計，適合多種應用，其中一些應用未在本文中重點介紹，如航位推算、AHRS、慣性測量、汽車穩定和安全以及醫療對準。我們的下一代MEMS電容式加速度計非常適合要求低噪聲、低功耗、高穩定性和溫度性能的應用;最低補償;以及集成的智能功能，可提高整體系統性能并降低設計復雜性。ADI公司提供所有相關的數據手冊信息，幫助您選擇最適合您應用的器件。上面列出的所有器件以及更多器件都可用于評估和原型設計。

審核編輯：郭婷