電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不管是消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化還是汽車應(yīng)用里，在監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀況、健康狀態(tài)的時(shí)候，都需要根據(jù)設(shè)備運(yùn)行場景選擇合適的傳感器，以確保傳感器能夠準(zhǔn)確地獲取設(shè)備信息，并進(jìn)行檢測、診斷甚至預(yù)測故障。

振動(dòng)檢測是一種實(shí)用的測量方式，檢測到的振動(dòng)數(shù)據(jù)是用于診斷故障的關(guān)鍵預(yù)測變量。加速度計(jì)則是用于振動(dòng)檢測的常用傳感器，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化以及汽車傳感等領(lǐng)域，它能夠?yàn)閱我辉O(shè)備或者整個(gè)系統(tǒng)收集狀態(tài)信息，進(jìn)而提供傳感數(shù)據(jù)方便系統(tǒng)對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)做出狀態(tài)預(yù)測。

振動(dòng)檢測中的電容式與壓電式加速度計(jì)

考量合適的加速度計(jì)一般有兩大類選擇，電容式和壓電式。熱感式的加速度計(jì)也有，但是在我們熟悉的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用較少，這里就不單獨(dú)列出。

電容式加速度計(jì)是基于電容極距變化的原理，在振動(dòng)中電容極距發(fā)生變化，進(jìn)而電容值變化，以此來衡量加速度值。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了捕捉這種有時(shí)候很微小的信號(hào)，會(huì)采用一堆電容陣列來放大信號(hào)。

壓電式加速度計(jì)的工作原理是壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)是一種施加應(yīng)力能產(chǎn)生電荷，施加電場能產(chǎn)生尺寸上變形的效應(yīng)。本質(zhì)上是一種機(jī)械能與電能交互作用的現(xiàn)象。用在傳感器上的壓電效應(yīng)是正壓電效應(yīng)，即將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，電壓值與加速度大小成正比。

在傳感器的飛速發(fā)展下，MEMS加速度計(jì)成為了大家的首選，從目前市場上的產(chǎn)品來看，MEMS加速度計(jì)基本上走的都是電容式路線。這是因?yàn)閴弘娛組EMS加速度計(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下只能感應(yīng)到動(dòng)態(tài)加速度，而不能感應(yīng)到靜態(tài)加速度，應(yīng)用上有限制。電容式MEMS加速度計(jì)既能感應(yīng)動(dòng)態(tài)加速度也能感應(yīng)靜態(tài)加速度。

不過從加速度計(jì)的發(fā)展歷史來看，壓電加速度計(jì)的應(yīng)用更廣泛，因?yàn)樗哂辛己玫木€性度、出色的動(dòng)態(tài)范圍、高溫操作特性和高達(dá)數(shù)百kHz的高帶寬這些優(yōu)點(diǎn)。如果追求極致性能，壓電式的帶寬和噪聲性能肯定是更好一些的，但也貴了不少。在電容式或者電容式MEMS加速度計(jì)不滿足性能要求的特殊情況下，壓電路線是很好的選擇。

而電容式加速度計(jì)在MEMS的加持下，在小尺寸、低功耗和更快的頻率響應(yīng)上也是越走越好。在MEMS的加持下，器件不僅能提供直流響應(yīng)，在ADC、調(diào)諧濾波的加持下還能實(shí)現(xiàn)自檢，在振動(dòng)檢測里備受關(guān)注。

這里根據(jù)兩種技術(shù)路線的特點(diǎn)，做了一個(gè)對(duì)比，如下：

傳感類型	帶寬	噪聲	直流響應(yīng)
壓電式加速度計(jì)	高	1 μg/√Hz-50 μg/√Hz	無
電容/MEMES電容加速度計(jì)	低	25μg/√Hz-100 μg/√Hz	有

振動(dòng)檢測中的傳感器選擇

從上面表格中我們可以很明顯地看出來，電容式/電容式MEMS加速度計(jì)因?yàn)閹捿^低，更適用于低頻振動(dòng)的測量，如手機(jī)、PC等移動(dòng)設(shè)備，壓電式加速度計(jì)能達(dá)到極致的高帶寬，更適用于高頻振動(dòng)的測量。

消費(fèi)電子我們以具有代表性的可穿戴設(shè)備為例，可穿戴設(shè)備在選擇振動(dòng)檢測的加速度計(jì)時(shí)，看重的是低功耗、小尺寸以及可以增強(qiáng)節(jié)能性能的集成特性。低功耗永遠(yuǎn)是可穿戴設(shè)備核心的一項(xiàng)指標(biāo)，尺寸和集成性也是可穿戴設(shè)備里的硬指標(biāo)。

這種要求就限定了振動(dòng)檢測只能選擇電容式MEMS加速度計(jì)去檢測運(yùn)動(dòng)以及靜態(tài)加速度。這類應(yīng)用對(duì)帶寬的要求并不高，十幾kHz到幾十kHz即可，對(duì)g值的要求范圍通常在1g左右。電容式MEMS加速度計(jì)很適合這種應(yīng)用，需要注意的點(diǎn)在于器件帶寬和采樣速率可能在低功耗下降至無法測量可用加速度數(shù)據(jù)的水平。

工業(yè)領(lǐng)域這種振動(dòng)傳感隨處可見，這里以電機(jī)檢測為例。振動(dòng)傳感在電機(jī)檢測上一般能用于檢測以下幾個(gè)故障，軸承狀態(tài)、齒輪嚙合、泵氣蝕、電機(jī)未對(duì)準(zhǔn)、電機(jī)未平衡以及電機(jī)負(fù)載條件。對(duì)于不平衡、未對(duì)準(zhǔn)這一類故障，對(duì)傳感器件的噪聲性能要求并不算嚴(yán)格，對(duì)帶寬的要求也僅需達(dá)到5×至10×基頻即可，更多要求的是傳感器能對(duì)多軸進(jìn)行同時(shí)檢測；軸承缺陷和齒輪缺陷這類故障則對(duì)噪聲和帶寬要求極高，噪聲范圍必須要控制在<100 μg/√Hz，同時(shí)帶寬要求>5kHz。此時(shí)電容式和壓電式的選擇就很微妙了，如果場景的動(dòng)態(tài)范圍不是很高，帶寬要求也不是高的情況下，可以選擇電容式加速度計(jì)的時(shí)候都不會(huì)去選壓電式。

在現(xiàn)在的減少布線，降低功耗的工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)趨勢下這也是很常見的一種選擇，但前提是場景條件有利可以接受低一點(diǎn)的精度數(shù)據(jù)，在需要高動(dòng)態(tài)范圍、寬帶寬或極端溫度的應(yīng)用情況下，毫無疑問是要使用壓電式加速度計(jì)。壓電式加速度計(jì)的使用需要注意最大程度降低對(duì)外部噪聲和串?dāng)_的敏感度。

全球加速度計(jì)傳感器發(fā)展

根據(jù)QYResearch整理的數(shù)據(jù)，2016至2020年，全球加速度計(jì)市場規(guī)模以2.28%的年復(fù)合增長率到達(dá)了20.57億美元，2021年全球市場規(guī)模預(yù)計(jì)在21.62億美元，到2027年將達(dá)到27.98億美元。

中國市場的規(guī)模增長也很快，預(yù)計(jì)將由2020年的3.78億美元增長到2027年的5.79億美元，這些增長里同樣是電容式MEMS加速度計(jì)占據(jù)了絕大多數(shù)份額，MEMS電容加速度計(jì)更小的尺寸和更高的集成性無疑是更契合現(xiàn)在各行各業(yè)傳感器發(fā)展趨勢的。集成特性不夠會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)在傳感器設(shè)備集群里很別扭。

絕大部分MEMS加速度計(jì)都是集成ADC的，不過有些不帶ADC也會(huì)在帶寬上性能做得更高，然后通過外部ADC來保證性能，不管哪種方式都可以和傳感器系統(tǒng)無縫集成。功耗自不必多說，目前電容式MEMS加速度計(jì)把功耗控制在μA，甚至nA范圍都是有的。

小結(jié)

在振動(dòng)檢測應(yīng)用里，傳感器也開始與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合，利用基于來自加速度計(jì)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建代表性的機(jī)器模型進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的檢測異常功能。在目前汽車智能化、工業(yè)自動(dòng)化以及消費(fèi)電子普及化的大趨勢下，MEMS加速度計(jì)正在往更高的檢測精度、更低的功耗、更高的集成性以及實(shí)現(xiàn)更智能的檢測功能上突破。