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适用于工业基础设施应用的MEMS传感器

发布日期:2021-03-18 13:30

  平板电脑、智能电话、视频游戏机、摄录机和相机彻底改变了传感器世界,其中包括MEMS加速度计和陀螺仪。它们能够测量运动,导致很多使用这些传感器的设备得以改善性能并增加功能。

  虽然消费电子应用激发了对这些传感器的需求,但其在其他市场的应用也在增加。随着数字化或物联网的出现,传感器正成为工业基础设施应用的核心。在这种情况下,应用依赖MEMS进行状态监控和结构健康监测。与这些新应用相伴而来的是关于性能和可靠性的非常具体的标准。

  利用数字化创建智能基础设施可带来诸多好处,其中包括更高的容量、效率和可靠性。智能基础设施可为客户和用户提供更多且更有针对性的服务,而无需增加投资或资源。此外,互连基础设施可以收集数据,以帮助更有效地设计和实现未来基础设施。将智能引入基础设施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作用。它们可用于测量倾斜度变化、振动分析以及线性或圆周运动即使在极端条件下也能测量。通过此类传感器可以执行预测性维护,更好地利用可用资源并帮助避免服务故障和中断。ADI公司拥有深厚的专业知识,并已投入巨资开发可支持智能基础设施应用的MEMS技术。

  这些器件可用于IMU(惯性测量单元)、平台稳定系统、倾角计和预测性维护系统。这些中高档传感器专为一些要求极为苛刻的传感器应用而设计,例如地震分析、工业和基础设施预测性维护系统。

  对于状态监控和结构健康监测,测量范围是一个重要参数。例如,在加速度峰值为几个g的应用中,2 g范围的传感器就足够了。但是,这些器件常常工作在受到强烈振动和冲击的环境中,这会导致传感器饱和。一旦饱和,就不可能测量出正确的加速度。结果是数据丢失,直到器件恢复正常工作为止。这种情况下,可以使用40 g传感器。达到饱和的可能性较小,即使存在很高的机械噪声,也可以通过适当的信号处理提取所需的信息。

  许多基础设施应用中的传感器可能在远程或很难接近,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器件在待机模式下的功耗仅为21A;在测量模式下,模拟输出器件的功耗为150A,数字输出器件的功耗为200A。当主机微控制器处于休眠模式时,ADXL355/ADXL357中的FIFO存储器存储数据。当存储器满时,中断将唤醒微控制器传输数据并执行要求的操作。微控制器一旦完成传输,便返回低功耗休眠模式,确保系统功耗非常低。通常,低功耗是以牺牲其他性能为代价的,例如速度和噪声。

  在ADXL35x加速度计中,低g器件的噪声谱密度为20g/Hz,高g器件的噪声谱密度为80g/Hz。另外,内部架构有助于优化加速度计的灵敏度。图2显示了这些模拟数字器件的框图。来自传感器的信号进入滤波模块,然后由后续电路予以处理。滤波之后输出之前,还有一个缓冲器和一个32 k电阻,在此可进行进一步的模拟滤波。数字器件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,还可以插入高通滤波器以实现带通功能。对于状态监控,振动频谱分析是主要工具,因此高带宽对捕获更多数量的谐波非常重要。传感器的机械谐振频率约为5.5 kHz,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,使用20位-∆转换器来执行模数转换。由于有这些特性,这些加速度计也可以用于记录地震事件。

  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件的结构健康状况,稳定性非常重要。这里要测量的是结构的漂移,不应将其与测量器件的漂移混淆。

  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失调。应力可能会随时间而变化,造成失调漂移。这可能被误解为倾斜度或其他结构参数的变化。为了避免这个问题,需要特别注意芯片贴装操作。

  封装选择也很重要。这些加速度计采用鲁棒的14引脚LCC陶瓷封装,对机械应力的防护能力远远优于消费电子应用广泛使用的塑料封装。陶瓷封装还能保证高度密封性,防止水分和颗粒进入,从而有助于提高长期稳定性。

  在正常工作期间,器件可能会受到各种环境条件的影响,特别是温度和湿度可能影响其性能。对于湿度,传感器的密封封装(14引脚LCC就是如此)可确保器件即使在最恶劣的条件下也能稳定运行。工作温度范围为40C至+125C,这意味着哪怕在极端温度下,器件也能很好地工作。此外应特别注意使失调漂移最小化,这是最关键的参数。在所有三个轴上,低g加速度计ADXL354/ADXL355的最大漂移为0.15 mg/C,高g加速度计ADXL356/ADXL357的最大漂移为0.75 mg/C。另外,这些加速度计配备有集成温度传感器,可用于漂移的热补偿。