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简介
MEMS惯性传感器在当今的很多个人电子设备中发挥着重要作用。 小尺度、低功耗、易集成、强壮功用性和杰出功用，这些要素促进着智能手机、游戏操控器、活动盯梢器、数码相框等设备不断创新。 此外，MEMS惯性传感器用于轿车安全体系可明显前进体系牢靠性，并下降体系本钱，使轿车安全体系能够运用于大大都轿车。
功用集成度和功用的不断开展也有助于将MEMS加速度计和陀螺仪运用于许多不同的工业体系。 其间一些运用成为现有产品和服务的低本钱代替品，而其他运用则开端首要集成惯性感测功用。 作为具有两类用户的运用，振荡监控也正方兴未已。 出于保护和安全需求而用于监控机械健康状况的传统仪器外表一般选用压电技能。 高速主动化设备对振荡进行监控，以触发对光滑、速度或皮带张力的反应操控，或许封闭设备以便于修理人员快速查看。
虽然压电器材具有老练的用户群，但MEMS加速度计为新式的用户群供给了轻松集成、下降本钱等优势。 别的，MEMS加速度计先进的功用集成答应在ADIS16229数字MEMS振荡传感器等器材中集成嵌入式RF收发器，然后完成一种集信号处理和通讯功用于一体的完好解决计划。 此类可编程器材能够定时主动唤醒，捕获时域振荡数据，对数据记载履行快速傅里叶变换(FFT)，对FFT成果进行用户可装备的频谱剖析，经过高效的无线传输线路供给简略的经过/失利成果，存取数据和成果，然后回来休眠状况。 振荡检测的新用户们以为，快速布置以及合理的具有本钱是选用彻底集成式MEMS器材的重要原因。
振荡监控运用
运用振荡调查机器健康状况旨在将可调查到的振荡与典型的磨损机制相关起来，比方轴承、齿轮、链条、皮带、刷子、轴、线圈和阀门。 在一台典型机器中，至少有一种磨损机制需定时保护。 图1展现了正常磨损机制振荡与时刻联系的三个比方。 虽然确认这种联系需求时刻和经历，但相关妥当的振荡特征不失为短周期定时保护的低本钱代替计划。 运用实践调查成果，比方振荡，可在检测到报警条件（赤色曲线）时快速采纳举动，一起还能防止对运用寿数未到期的机器过早进行保护（蓝色和绿色曲线）。
图1一起还展现了机器保护周期的两种报警设置（报警、要害）以及三个阶段（前期、中期、晚期）。 报警水平规则了正常运转期间的最大振荡频率，其间，调查到的振荡不含对机器或技能支撑人员的潜在风险。 在正常规模时，能够运用一些外表丈量偶然呈现的振荡。 临界水平表明，财物存在严峻受损的风险，然后给技能支撑人员或环境带来不安全要素。 明显，机器操作员期望在这一水平常防止操作机器，并一般会停止运用机器。 当振荡超越报警水平但低于临界水平常，机器仍能够持续作业，但应该前进调查频率，并或许需求进行额定的保护。
有时候，这三个操作区（正常、报警、临界）能够对应于机器保护周期的三个阶段： 前期、中期、晚期，每个阶段的振荡监控战略或许会有所不同。 例如，在前期，或许只需求每天、每周或每月调查仪器的首要振荡特点。 进入中期时，或许需求每小时调查一次，而在挨近晚期时，振荡监控的频率或许还要更高，尤其是在人员或财物处于风险的情况下。 在该阶段，运用便携式设备进行振荡监控的机器，其重复本钱将逐步添加，与保护本钱比较，或许高得让人望而生畏。 虽然有必要对重要财物进行特别照顾，但许多其他仪器却是无法接受这种重复本钱。 作为人工丈量的弥补，嵌入式MEMS传感器为要求实时振荡数据的设备供给了更为经济高效的办法。
振荡的性质
振荡是一种重复的机械运动。 在开发振荡检测仪器时，需考虑多个重要特点。 首要，振荡运动往往一起具有线性和旋转元件。 大大都振荡检测联系都倾向于重视振荡起伏，而非肯定方位盯梢，因而，线性传感器（如MEMS加速度计）关于捕获运动信息而言足够了。 当首要为线性运动时，了解运动方向就显得极为重要，尤其是在运用单轴传感器时。 相反，3轴传感器具有更高的装置灵活性，由于正交方向能够在一个或更多轴上拾取，而不受振荡方向的影响。
由于振荡具有周期性，因而，频谱剖析是确认振荡曲线特性（振荡起伏与频率联系）的一种简洁办法。 图2所示曲线一起有宽带和窄带成分，主体振荡频率约为1350 Hz，还有4个谐波和一些低电平宽带成分。 每一件活动设备都有其自己的振荡曲线，而窄带呼应一般表明设备的天然频率。
信号处理
传感器挑选和信号处理架构取决于运用方针。 举例来说，图3所示信号链持续监控特定频带，经过附近的操控面板供给报警灯和要害灯信号。 制造商在机械规划方面的常识有助于带通滤波器的规划，尤其是在发动频率、停机频率和带通滚降速率方面。 旋转速度、机械结构的天然频率、因毛病而异的振荡都或许影响带通滤波器。 虽然这种办法十分简略，但当有特定机器的前史数据时，振荡监控要求也或许发生改变。 监控要求的改变或许导致滤波器结构的改变，然后或许形成重复的工程本钱。 开发人员能够经过数字化传感器呼应，完成要害信号处理功用（如滤波、rms核算和电平检测器），运用辅佐I/O输出操控指示器灯的方法，以复杂性交换灵活性，或供给数字输出。
图4所示为ADIS16228的信号链ADIS16228选用一个带FFT剖析和存储功用的数字三轴振荡传感器监控设备振荡的频谱成分。
内核传感器
两种方法的内核传感器都能够是MEMS加速度计。 挑选内核传感器时，最重要的特点为轴数、封装/安装要求、电气接口（模仿/数字）、频率呼应（带宽）、丈量规模、噪声和线性度。 虽然许多三轴MEMS加速度计都支撑直接衔接大都嵌入式处理器，但要取得最高功用则或许要求选用具有模仿输出的单轴或双轴解决计划。 例如，ADXL001高功用宽带iMEMS®加速度计就运用22-kHz谐振供给最宽的带宽，但它仅仅一款单轴模仿输出器材。 在配有模数转化通道的体系中，模仿输出可完成快速接口，但当时的开发趋势好像更喜爱于那些搭载了数字接口的传感器。
内核传感器的频率呼应和丈量规模决议其输出饱满前能够支撑的最大振荡频率和起伏。 饱满会下降频谱呼应，然后发生或许导致毛病报警的杂散成分，即便饱满频率不影响方针频率时也是如此。 丈量规模和频率呼应的联系如下：
其间， D 为物理位移， ω 为振荡频率，A 为加速度。
频率呼应和丈量规模约束着传感器的呼应，其噪声和线性度则约束着分辩率。 噪声决议将在输出中呼应的振荡下限，而线性度则决议振荡信号发生的毛病谐波量。
模仿滤波器
模仿滤波器将信号成分约束在一个奈奎斯特区之内，即为示例体系采样速率的一半。 即便滤波器截止频率处于奈奎斯特区之内，也不或许无约束地抵抗高频组分，这些高频组分仍或许折回通带中。 关于只监控榜首奈奎斯特区的体系，这种折回行为或许发生假毛病，并歪曲特定频率下的振荡成分。
窗
在振荡检测运用中，时刻相干采样往往并不有用，由于时刻记载开始和完毕处的非零采样值会导致较大的频谱走漏，然后或许下降FFT分辩率。 在核算FFT前运用窗口函数有助于操控频谱走漏。 最佳窗口函数取决于实践信号，但一般需求衡量的要素包含进程丢失、频谱走漏、旁瓣方位和旁瓣电平。
快速傅里叶变换(FFT)
FFT是剖析离散时刻数据的一种高效算法。 该进程将时刻记载转化为离散频谱记载，其间，每个采样代表奈奎斯特区的一个离散频段。 输出采样的总数等于原始时刻记载中的采样数，在大大都情况下，为二项级数中的一个数字(1、2、4、8……)。 频谱数据一起包含起伏和相位信息，可选用矩形或极性格局表明。 选用矩形表明时，FFT仓的一半含有模值信息，另一半则含有相位信息。 选用极性表明时，FFT仓的一半含有实部成果，另一半则含有虚部成果。
在某些情况下，起伏和相位信息都有用，但起伏/频率联系含有的信息往往足以检测要害改变。 关于只供给起伏成果的器材，FFT谱线的数量等于原始时域记载中采样数的一半。 FFT频谱宽度等于采样速率除以记载总数。 在必定程度上，每个FFT频谱都像是时域中一个独立的带通滤波器。 图5为MEMS振荡传感器的一个实践示例，其间，采样速率为20480 SPS，始于512点记载。 在这种情况下，传感器只供给起伏信息，因而，总数为256，频谱宽度等于40 Hz (20480/512)。
频谱宽度十分重要，由于当频率从一个谱线转化到一个附近谱线时，频谱宽度决议频率分辩率，一起还决议包含的总噪声。 总噪声(rms)等于噪声密度(~240 μg/√Hz)与频谱宽度平方根(√40 Hz)之积，约合1.5 mg rms。 关于噪声对振荡分辩影响最大的低频运用，可在FFT进程之前选用一个抽取滤波器，这样能够前进频率和起伏分辩率，而无需更改ADC的采样频率。 以256对20480 SPS的采样速率进行抽取核算，可使频率分辩率增强256倍，一起使噪声下降16倍。
频谱报警
运用FFT的一个要害优势是能够简化频谱报警的运用。 图6中的示例包含5个独立的频谱报警，别离担任监控机器天然频率(#1)、谐波（#2、#3和#4）以及宽带成分(#5)。 报警和临界电平对应于机器健康振荡与时刻联系曲线中的电平。 发动和停机频率完善了这种联系所代表的进程变量界说。 在运用嵌入式处理器时，频谱报警界说变量（发动/停机频率、报警/临界报警电平）或许处于选用数字码装备的可装备寄存器中。 运用相同的份额因子和谱线编号计划可大大简化这一进程。
记载办理
记载办理是与进程变量联系相关的一个要害功用。 存储每台机器寿数期内不同阶段的FFT记载可对多种行为进行剖析，然后制作出一幅磨损曲线图，然后有助于保护和安全规划。 除了聚集前史振荡数据以外，捕获与电源、温度、日期、时刻、采样速率、报警设置和滤波相关的条件数据也具有较大价值。
接口
接口取决于特定厂房中的现有基础设施。 在某些情况下，有多种工业电缆通讯规范（如以太网、RS-485）可供挑选，因而，智能传感器与通讯体系之间的接口或许是一个嵌入式处理器。 在其他情况下，相同的嵌入式处理器可用来衔接智能传感器与现有无线协议，比方Wi-Fi、ZigBee或特定体系规范。 有些智能传感器（如面向长途传感器的ADIS16000无线网关和ADIS16229）配有开箱即用的无线接口，经过常见的嵌入式接口（如SPI或I2C.）即可运用。
定论
MEMS惯性技能迎来了一个簇新的振荡监控年代，并为此类仪器外表赢得了更广泛的用户集体。 功用、封装和了解度或许有利于压电技能持续发挥作用，但明显振荡监控正在开展和前进。 经过先进的功用集成和超卓的适应能力，MEMS器材在新式振荡监控运用中取得了越来越多的重视。 检测点的高档信号处理技能带来了巨大便当，使大大都情况下的监控担负简化为一种简略状况（正常、报警、临界）。 此外，经过便当的通讯通道完成的长途数据存取功用则为振荡监控仪器发明了新的运用时机。 放眼未来，要害功用指标（噪声、带宽和动态规模）的开展，再加上高度的功用集成，必将促进这种趋势持续向前开展。
参阅电路
电路笔记CN0303： 带频率呼应补偿功用的MEMS振荡剖析仪。
Bob Scannell MS-2507： 运用无线振荡传感器完成接连、牢靠的进程监控。
