振動(dòng)檢測(cè)中的電容式與壓電式加速度計(jì)

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(cè)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(chǎng)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(cè)、診斷甚至預(yù)測(cè)故障。

振動(dòng)檢測(cè)是一種實(shí)用的測(cè)量方式，檢測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)是用于診斷故障的關(guān)鍵預(yù)測(cè)變量。加速度計(jì)則是用于振動(dòng)檢測(cè)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(cè)。

振動(dòng)檢測(cè)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(lái)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)上的產(chǎn)品來(lái)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(guò)從加速度計(jì)的發(fā)展歷史來(lái)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(cè)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：

振動(dòng)檢測(cè)中的傳感器選擇

從上面表格中我們可以很明顯地看出來(lái)，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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)只能選擇電容式MEMS加速度計(jì)去檢測(cè)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(wú)法測(cè)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(jiàn)，這里以電機(jī)檢測(cè)為例。振動(dòng)傳感在電機(jī)檢測(cè)上一般能用于檢測(cè)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(cè)；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(chǎng)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。

（MEMS加速度計(jì)，BOSCH）

在現(xiàn)在的減少布線，降低功耗的工業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)趨勢(shì)下這也是很常見(jiàn)的一種選擇，但前提是場(chǎng)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(wú)疑問(wèn)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(chǎng)規(guī)模以2.28%的年復(fù)合增長(zhǎng)率到達(dá)了20.57億美元，2021年全球市場(chǎng)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(guó)市場(chǎng)的規(guī)模增長(zhǎng)也很快，預(yù)計(jì)將由2020年的3.78億美元增長(zhǎng)到2027年的5.79億美元，這些增長(zhǎng)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(wú)疑是更契合現(xiàn)在各行各業(yè)傳感器發(fā)展趨勢(shì)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(guò)有些不帶ADC也會(huì)在帶寬上性能做得更高，然后通過(guò)外部ADC來(lái)保證性能，不管哪種方式都可以和傳感器系統(tǒng)無(wú)縫集成。功耗自不必多說(shuō)，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(cè)應(yīng)用里，傳感器也開(kāi)始與機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合，利用基于來(lái)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(cè)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(shì)下，MEMS加速度計(jì)正在往更高的檢測(cè)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(cè)功能上突破。

審核編輯 ：李倩