Выбор наиболее подходящего акселерометра MEMS для вашего применения: часть 2
Выбор наиболее подходящего акселерометра для вашего приложения может быть затруднен, так как данные разных производителей могут существенно различаться, что приводит к путанице в отношении наиболее важных характеристик. Во второй части этой статьи мы сосредоточимся на ключевых спецификациях и особенностях в контексте носимых устройств, мониторинга состояния и приложений IoT.
Носимые устройства
Ключевые критерии: Низкое энергопотребление, небольшие размеры, встроенные функции для повышения энергосбережения и удобства использования
Ключевая спецификация для акселерометров, используемых в заряжаемых аккумуляторах, носимых приложениях - это сверхнизкое энергопотребление, обычно в диапазоне μA, чтобы обеспечить продление срока службы батареи как можно дольше. Другими ключевыми критериями являются размер и интегрированные функции, такие как резервные каналы ADC и глубокий FIFO, чтобы помочь в управлении питанием и функциональности в конечном приложении. По этим причинам акселерометры MEMS обычно используются в пригодных для носки применениях. В таблице 1 показаны некоторые приложения мониторинга жизненных признаков (VSM) и их соответствующие настройки в контексте. Акселерометры, используемые в пригодных для носки применениях, обычно классифицируют движение; обеспечить обнаружение свободного падения; измерять присутствие или отсутствие движения, чтобы обеспечить питание системы, вниз или спать; и помощь в сборе данных для ЭКГ и других измерений VSM. Те же акселерометры также используются в беспроводных сетях датчиков и приложениях IoT из-за их сверхнизкого энергопотребления.
| Шагомер | Осень | Оптическая частота сердечных сокращений | Нажмите (SW) | Спать | Переключатель движения | ЭКГ | ADXL362 / ADXL363 | |
| g | 2 г | 8 г | 4 г до 8 г | 8 г | 2 г | 2 г | 4 г до 8 г | 2 г до 8 г |
| ODR (Гц) | 100 | 400 | <50 | 400 | 12, 5 | 6 | <100 | 400 |
| Потребляемая мощность | 1, 8 мкА | 3 мкА | 3 мкА | 1, 5 мкА | 0, 3 мкА | От 10 нА до 3 мкА | ||
| FIFO (выборки или время выборки) | 150 | глубже | 1 сек | глубже | 20 | нет | 1 сек | 512 сек или 13 с |
| адъютант | нет | нет | да | нет | нет | нет | да | нет да |
| Шум (мг / √ Гц) | <1 | <1 | <1 | <1 | <0, 1 | <1 | <1 | 175 мкг до 550 мкг |
| Сбор данных | 24/7 | 24/7 | sporatic | 24/7 | по движению | непрерывный во время тренировки | все | |
| Обязательная функция | RSS, 8-бит | Режим триггера FIFO | Режим триггера FIFO | Тихий шум | MCU выключен | Все, кроме RSS |
При выборе акселерометров для приложений с ультранизким энергопотреблением необходимо соблюдать функциональность датчика при уровнях потребляемой мощности, указанных в техническом описании. Ключевая вещь, которую следует соблюдать, заключается в том, снижается ли пропускная способность и частота дискретизации до уровней, где невозможно использовать измеренные данные ускорения. Некоторые компоненты конкурентов отключаются и каждый раз пробуждаются, чтобы поддерживать низкое энергопотребление, и при этом будут пропускать критические данные о ускорении из-за снижения эффективной частоты дискретизации. Чтобы измерить диапазон движения людей в реальном времени, необходимо значительно увеличить потребление энергии. ADXL362 и ADXL363 не имеют псевдонимов входных сигналов путем дискретизации; они пробуют полную пропускную способность датчика при всех скоростях передачи данных. Энергопотребление динамически измеряется с частотой дискретизации, как показано на рисунке 1. Следует отметить, что эти детали могут измерять до 400 Гц с потреблением тока всего 3 мкА. Эти более высокие скорости передачи данных обеспечивают дополнительную функциональность в интерфейсах носимых устройств, таких как обнаружение крана / двойного крана. Частота дискретизации может быть уменьшена до 6 Гц, чтобы позволить устройству запускаться при поднятии или при обнаружении движения, обеспечивая среднее потребление тока 270 нА. Это также делает ADXL362 и ADXL363 привлекательными для имплантируемых приложений, где батареи не могут быть легко заменены.
Рисунок 1. Ток питания ADXL362 в зависимости от скорости выходных данных
В некоторых приложениях акселерометру достаточно, чтобы ускорить только опрос один или несколько раз в секунду. Для этих приложений ADXL362 и ADXL363 обеспечивают режим пробуждения, который потребляет всего 270 нА. ADXL363 объединяет 3-осевой акселерометр MEMS, датчик температуры (типичный масштабный коэффициент 0, 065 ° C) и встроенный вход АЦП для синхронного преобразования внешнего сигнала в небольшой и тонкий пакет размером 3 мм × 3, 25 мм × 1, 06 мм. Данные ускорения и температуры могут храниться в многомодовом FIFO-буфере с 512 образцами, что позволяет хранить до 13 секунд данных.
Analog Devices разработала часы VSM, только для демонстрационных целей, показанные на рисунке 2, чтобы продемонстрировать возможности сверхмощных частей, таких как ADXL362 в приложениях с батарейным питанием и ограниченным пространством.
Рисунок 2. Часы VSM, включающие в себя ряд деталей Analog Devices, чтобы подчеркнуть ультранизкие, небольшие, легкие продукты
ADXL362 используется для отслеживания движения и движения профиля для устранения нежелательных артефактов из других измерений.
Мониторинг состояния (CBM)
Ключевые критерии: низкий уровень шума, широкая полоса пропускания, обработка сигналов, диапазон g и низкая мощность
CBM включает в себя мониторинг параметров, таких как вибрация в машинах с целью выявления и указания потенциального возникновения неисправности. CBM является основным компонентом прогностического обслуживания, и его методы обычно используются на вращающихся машинах, таких как турбины, вентиляторы, насосы и двигатели. Ключевыми критериями для акселерометров CBM являются низкий уровень шума и широкая полоса пропускания. На момент написания этой статьи очень немногие конкуренты предлагали акселерометры MEMS с пропускной способностью выше 3, 3 кГц, а некоторые специализированные производители предлагали пропускную способность до 7 кГц.
С развитием Industrial IoT особое внимание уделяется сокращению кабелей и использованию беспроводных технологий с низким энергопотреблением. Это помещает акселерометры MEMS перед пьезоэлектрическими акселерометрами с точки зрения размера, веса, энергопотребления и потенциала интегрированных интеллектуальных функций. Наиболее часто используемыми датчиками для CBM являются пьезоэлектрические акселерометры из-за их хорошей линейности, SNR, высокой температуры и широких полос частот от 3 Гц до 30 кГц, типичных и до нескольких сотен кГц в некоторых случаях. Однако пьезоэлектрические акселерометры имеют низкую производительность по сравнению с постоянным током, и, как показано на рисунке 3, на низких частотах может происходить довольно много сбоев в сторону постоянного тока, особенно в ветровых турбинах и подобных приложениях с низкой частотой вращения. Пьезоэлектрические датчики не масштабируются до крупномасштабного производства, а также MEMS из-за их механического характера, а также более дорогие и менее универсальные с точки зрения интерфейса и питания.
MEMS емкостные акселерометры предлагают более высокий уровень интеграции и функциональности с точки зрения таких функций, как самопроверка, пиковое ускорение, спектральные сигналы и т. Д.; БПФ и хранения данных, а также удароустойчивы до 10000 г, имеют постоянный отклик и меньше и легче. ADXL354 / ADXL355 и ADXL356 / ADXL357 хорошо подходят для приложений мониторинга состояния на основе их сверхнизкого шума и стабильности по температуре, но в конечном итоге их пропускная способность не позволяет им выполнять более глубокий диагностический анализ. Однако даже с ограниченным диапазоном полосы пропускания эти акселерометры могут обеспечивать важные измерения; например, при мониторинге состояния ветровых турбин, где оборудование вращается с очень низкой скоростью. В этом случае требуется отклик до постоянного тока.
Рисунок 3. Артефакты вибрации виброоборудования оборудования
Новое одноосевое акселерометр ADXL100x оптимизировано для мониторинга промышленного состояния и предлагает широкие полосы измерения до 50 кГц, g-диапазоны до ± 100 г и сверхнизкие шумовые характеристики, что делает их на одном уровне с пьезоэлектрическими акселерометрами с точки зрения представление. Более подробное обсуждение емкостных акселерометров Analog Devices MEMS против пьезоэлектрических акселерометров приведено в этой статье: Производительность акселерометра MEMS достигает возраста.
Частотный отклик ADXL1001 / ADXL1002 показан на рисунке 4. Большинство неисправностей, возникающих во вращающихся машинах, таких как поврежденные подшипники качения, несоосность, дисбаланс, трение, рыхлость, сбои передачи, износ подшипника и кавитация, происходят в диапазоне измерений ADXL100x для контроля состояния акселерометров.
Рисунок 4. Частотный отклик ADXL1001 / ADXL1002, высокочастотный (> 5 кГц) вибрационный отклик; контроллер лазерного виброметра ссылается на пакет ADXL1002, используемый для обеспечения точности
Пьезоэлектрические акселерометры обычно не интегрируют интеллектуальные функции, в то время как емкостные акселерометры MEMS, такие как семейство ADXL100x, имеют встроенную схему обнаружения помех, которая обеспечивает предупреждение, указывающее на значительное событие перегрузки, которое превышает примерно 2 × указанного диапазона g. Это важная функция в разработке интеллектуальной системы измерения и мониторинга. ADXL100x применяет интеллектуальное отключение внутренних часов для защиты сенсорного элемента во время непрерывных событий перегрузки, например, тех, которые произойдут, если двигатель неисправен. Это облегчает нагрузку на главный процессор и может добавить интеллект в сенсорный узел - как ключевые критерии мониторинга состояния, так и решения Industrial IoT.
MEMS емкостные акселерометры сделали огромный скачок вперед в производительности, настолько, что новое семейство ADXL100x конкурирует и выигрывает сокеты, в которых ранее доминировали пьезоэлектрические датчики. Семейство ADXL35x предлагает лучшие в отрасли, сверхнизкие шумовые характеристики, а также смещает датчики в приложениях CBM. Новые решения и подходы к CBM объединяются вместе с архитектурой IoT в лучшие системы обнаружения, подключения и хранения и анализа. Новейшие акселерометры Analog Devices обеспечивают более интеллектуальный мониторинг на краевом узле, помогая руководителям фабрик полностью интегрировать системы мониторинга и анализа вибрации.
Еще одним дополнением к этому диапазону акселерометров MEMS является первое поколение подсистем для полуавтономных, полностью интегрированных широкополосных систем анализа вибрации CBM, ADIS16227 и ADIS16228, как показано на рисунке 5, с такими функциями, как программируемые сигналы тревоги по шести спектральным диапазонам, двухуровневые настройки для предупреждения и определения неисправности, регулируемой задержки отклика для уменьшения ложных тревог и внутреннего самотестирования с флагами состояния. Обработка частотной области включает в себя 512-точечный, реальный БПФ для каждой оси, а также усреднение по БПФ, что уменьшает вариацию уровня шума для более тонкого разрешения. Встроенная система анализа вибрации ADIS16227 и ADIS16228 позволяет сократить время проектирования, снизить затраты, минимизировать требования к процессору и сократить пространственные ограничения, что делает их идеальными кандидатами для приложений CBM.
Рисунок 5. Цифровой трехосный датчик вибрации с БПФ-анализом и хранением
Интернет сетей вещания / беспроводных датчиков
Ключевые критерии: энергопотребление, встроенные функции для интеллектуального энергосбережения и измерений, малый размер, глубокий FIFO и подходящая полоса пропускания
Обещание Интернета вещей хорошо понимается во всей отрасли. Чтобы выполнить это обещание, в ближайшие годы придется развертывать миллионы датчиков. Подавляющее большинство этих датчиков будут помещены в труднодоступные или ограниченные пространством места, такие как крыши домов, поверх уличных фонарей, мачт башни, мостов, внутри тяжелой техники и т. Д., Что позволяет концепции умных городов, умного сельского хозяйства, умные здания и т. д. Из-за этих ограничений вполне вероятно, что большая часть этих датчиков потребует беспроводной связи, а также мощности батареи и, возможно, некоторой формы сбора энергии.
Тенденция в приложениях IoT заключается в минимизации данных, передаваемых по беспроводной сети на облачный или локальный сервер для хранения и аналитики, поскольку существующие методы используют избыточную пропускную способность и являются дорогостоящими. Интеллектуальная обработка на сенсорном узле может различать неиспользуемые и полезные данные, сводя к минимуму потребность в передаче больших объемов данных, что снижает пропускную способность и затраты. Это указывает на то, что датчики должны содержать интеллектуальные функции при сохранении сверхнизкого энергопотребления. Стандартная сигнальная цепь IoT показана на рисунке 6. Analog Devices обеспечивает решения для всех блоков, кроме шлюза. Обратите внимание, что не все решения требуют беспроводной связи, для огромного количества приложений все еще необходимы проводные решения, будь то RS-485, от 4 мА до 20 мА или Industrial Ethernet и т. Д.
Имея некоторый интеллект в узле, можно передавать только полезные данные по мощности и пропускной способности цепочки сигналов. В CBM объем обработки, выполняемый локально на узле датчика, будет зависеть от нескольких факторов, таких как стоимость и сложность машины, и стоимости системы мониторинга состояния. Передаваемые данные могут варьироваться от простого сигнала вне диапазона до потоков данных. Стандарты, такие как ИСО 10816, существуют для указания условий предупреждения для машины заданного размера, работающей с определенной скоростью RPM, выдающей сигнал тревоги, когда скорость вибрации превышает заданные пороговые значения. ISO 10816 предназначен для оптимизации срока службы измеряемой системы и ее подшипников качения и, следовательно, минимизирует объем данных для передачи, тем самым улучшая поддержку развертывания в архитектурах WSN.
Требования к акселерометру, используемому в приложении ISO 10816, представляют собой диапазон g-диапазона 50 г или менее и низкий уровень шума на низких частотах, поскольку данные ускорения периодически интегрируются для получения одной точки скорости в мм / сек. Когда данные акселерометра, содержащие низкочастотный шум, интегрированы, ошибка может увеличиваться линейно в выходе скорости. Стандарты ISO определяют диапазон измерения от 1 Гц до 1 кГц, но пользователи хотели бы интегрировать с частотой 0, 1 Гц. Традиционно это было ограничено высокими уровнями шума на низких частотах в пьезоэлектрических акселерометрах с зарядовой связью, но акселерометры следующего поколения Analog Devices поддерживают уровень шума до постоянного тока, ограниченный только углом шума 1 / f электроники формирования сигнала которые могут быть сведены к минимуму до 0, 01 Гц с тщательной конструкцией. MEMS-акселерометры могут использоваться в экономичных CBM-приложениях для более дешевого оборудования или могут быть интегрированы в встроенные решения из-за их меньшего размера и меньшей стоимости по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками.
Рисунок 6. Решения узла Edge Sensation, предоставляемые Analog Devices
Analog Devices имеет широкий диапазон акселерометров, которые идеально подходят для использования в интеллектуальных узлах датчиков, которые требуют сверхнизкой мощности, включая как можно больше функций, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить использование полосы пропускания и, следовательно, затраты. Ключевыми критериями для узлов датчика IoT являются низкое энергопотребление (ADXL362, ADXL363) и наличие богатого набора функций, позволяющих управлять энергией и детектированием определенных данных, таких как превышение пороговой активности, сигналов спектрального профиля, пиковых значений ускорения и длительных активности или бездействия (ADXL372, ADXL375).
Все эти акселерометры могут поддерживать питание всей системы при сохранении данных ускорения в FIFO и поиске события активности. Когда происходит событие удара, данные, которые были собраны до события, замораживаются в FIFO. Без FIFO захват образцов перед событием потребует непрерывной выборки и обработки сигналов ускорения процессором, что значительно сокращает срок службы батареи. ADXL362 и ADXL363 FIFO могут хранить более 13 секунд данных, обеспечивая четкое изображение событий до запуска триггера активности. Ультранизкое энергопотребление поддерживается за счет использования циклического переключения мощности, а скорее использует архитектуру с полной пропускной способностью со всеми скоростями передачи данных, что предотвращает сглаживание входных сигналов.
Мониторинг состояния активов
Ключевые критерии: энергопотребление, встроенные функции для интеллектуального энергосбережения и измерений, малый размер, глубокий FIFO и подходящая полоса пропускания
Мониторинг состояния активов (AHM) обычно включает в себя мониторинг высокоценного актива в течение определенного периода времени, будь то статический или транзитный. Этими активами могут быть товары внутри морских контейнеров, удаленные трубопроводы, гражданские лица, солдаты, батареи высокой плотности и т. Д., Которые могут быть подвержены ударам или ударам. Интернет Вещей обеспечивает идеальную инфраструктуру для сообщения о таких событиях, которые могут повлиять на функцию или безопасность актива. Ключевыми критериями для датчика, используемого для AHM, является способность измерять сильный удар, соответствующий активу, и влиять на события при потреблении очень низкой мощности. При встраивании таких датчиков в батарейные или портативные приложения, другие ключевые характеристики датчиков, которые следует учитывать, включают в себя функции размера, передискретизации и сглаживания для точной обработки высокочастотного контента, а также интеллектуальные функции для увеличения времени автономной работы за счет максимального времени ожидания хост-процессора и позволяя алгоритмы, управляемые прерываниями для обнаружения и захвата ударных профилей.
Микроэлектроника ADXL372, ± 200 г MEMS-акселерометра ориентирована на рынок рынка новых активов для интеллектуальных пограничных узлов IoT. Эта часть содержит несколько уникальных функций, разработанных специально для рынка AHM, для упрощения проектирования системы и обеспечения энергосбережения на системном уровне. Высокие события, такие как удар или удар, часто тесно связаны с содержанием ускорения в широком диапазоне частот. Для точного захвата этих событий требуется широкая полоса пропускания, поскольку измерение с недостаточной пропускной способностью эффективно уменьшит величину записанного события, что приведет к неточностям. Это ключевой параметр для наблюдения в листе данных. Некоторые части не удовлетворяют критериям Найквиста для частоты дискретизации. ADXL375 и ADXL372 предоставляют возможность захвата всего профиля удара для дальнейшего анализа без вмешательства хост-процессора. Это достигается с помощью регистров прерывистого прерывания в сочетании с внутренним FIFO акселерометра. На рисунке 7 показана важность наличия достаточного FIFO для определения всего профиля удара до события триггера. При недостаточном FIFO было бы невозможно записать и сохранить ударное событие для дальнейшего анализа.
Рисунок 7. Точный захват ударного профиля
ADXL372 может работать с полосой пропускания до 3200 Гц при чрезвычайно низких уровнях мощности. Крутой откат фильтра также полезен для эффективного подавления внеполосного контента, а ADXL372 включает в себя четырехполюсный фильтр сглаживания с низким проходом для этой цели. Без фильтрации сглаживания любые входные сигналы, чьи частоты превышают скорость выходных данных / 2, могут складываться в интересующую полосу измерения, что приводит к неточным измерениям. Этот четырехполюсный фильтр нижних частот имеет пользовательскую ширину полосы пропускания фильтра, чтобы обеспечить максимальную гибкость в пользовательском приложении.
Мгновенное обнаружение удара - это функция, которая позволяет пользователю настраивать ADXL372 для захвата событий воздействия выше определенного порога, находясь в режиме сверхнизкого энергопотребления. Как показано на рисунке 8, после события столкновения акселерометр переходит в полный режим измерения, чтобы точно фиксировать профиль удара.
Рисунок 8. Режим мгновенного включения с использованием порога по умолчанию
В некоторых приложениях требуется, чтобы регистрировался только пиковый образец ускорения от события удара, поскольку только это может обеспечить достаточную информацию. Адаптер ADXL372 FIFO имеет возможность хранить пиковые значения ускорения для каждой оси. Самая длинная продолжительность времени, которая может быть сохранена в FIFO, составляет 1, 28 с (512 одноосных отсчетов при ODR 400 Гц). 170 × 3-осевые образцы при 3200 Гц ODR соответствуют временному окну 50 мс и достаточны для захвата типичного сигнала удара. Приложения, которые не требуют полного профиля событий, могут значительно увеличить время между чтением FIFO, сохраняя только информацию о пиковых ускорениях, обеспечивая дополнительную экономию энергии. 512 образцов FIFO можно выделить несколькими способами, в том числе:
- 170 наборов образцов одновременных трехосных данных
- u 256 наборов образцов параллельных двухосевых данных (выбирается пользователем)
- u 512 наборов выборок одноосных данных
- u 170 наборов пика воздействия удара (x, y, z)
Соответствующее использование FIFO позволяет экономить электроэнергию на системном уровне, позволяя хост-процессору спать в течение длительного времени, в то время как акселерометр автоматически собирает данные. В качестве альтернативы, использование FIFO для сбора данных может освободить хост-процессор, в то время как он стремится к другим задачам.
На рынке есть несколько других акселерометров с аналогичной высокой эффективностью, но они не подходят для приложений с краевыми узлами AHM / SHM IoT из-за их узкой полосы пропускания и более высокого энергопотребления. В тех случаях, когда предлагается режим с низким энергопотреблением, он обычно имеет меньшую пропускную способность, где невозможно выполнить точные измерения. ADXL372 действительно создает палку и забывает подход к AHM / SHM, что позволяет конечным пользователям пересмотреть потенциальные классы активов, где это будет жизнеспособным.
Вывод
Analog Devices предлагает чрезвычайно широкий диапазон акселерометров в соответствии с множеством применений, некоторые из которых в этой статье не были сосредоточены, как, например, мертвая оценка, AHRS, измерения инерции, стабилизация и безопасность автомобилей и медицинское выравнивание. Емкостные акселерометры MEMS нового поколения идеально подходят для приложений, требующих малошумного, малой мощности, высокой стабильности и производительности по температуре; минимальная компенсация; и интегрированные интеллектуальные функции для повышения общей производительности системы и облегчения сложности проектирования. Analog Devices предоставляет всю необходимую информацию, которая поможет вам выбрать наиболее подходящую для вашего приложения. Посетите analog.com/MEMS для получения дополнительной информации о линейке акселерометров MEMS на Analog Devices.
Рекомендации
Бродери, Ян-Хейн. «Переход от переносимости к медицинским устройствам». Analog Devices, Inc., 2017.
Сканнель, Боб. «Встроенный интеллект и связь, обеспечивающие надежный и непрерывный мониторинг вибрации». (PDF) Analog Devices, Inc., 2015.
Спенс, Ред. «Что вам нужно знать об ускорителях MEMS для мониторинга состояния». Analog Devices, Inc., 2016.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.