MEMS传感器

恭喜 ADI,三款产品荣获“《中国电子商情》2017年度编辑选择奖”!它们分别是——
MEMS传感器 ADXL1002 ,2017年度中国最具竞争力传感器产品
DC/DC 控制器 LTC7820 ,2017年度中国最具竞争力电源产品
ADC LTC2500-32,2017年度中国最具竞争力模数转换产品

MEMS传感器ADXL1002

ADXL1002 是一款专门针对工业条件监测应用而设计的高频率、低噪声MEMS加速度计,利用它可实现高分辨率振动测量,为早期发现轴承故障和机器故障的其他常见原因提供必要的信息。过去,可用高频MEMS加速度计的噪声性能不及传统技术,阻碍了其应用,使得MEMS的可靠性、高质量和可重复性得不到发挥。如今,ADXL1002 在高频率范围的噪声性能与现有压电传感器技术不相上下,故ADI MEMS加速度计是新型条件监测产品的极具吸引力的选择。

编辑点评

ADI的MEMS惯性传感器一直都是军工、工业、汽车、医疗、通信和高端消费类产品的领导品牌,产品已经拥有30年的发展历史,在业界拥有极佳的口碑,是高性能的代表。ADI的MEMS惯性传感器不只是关注基本运动检测或新颖的功能,更是考虑至关重要的系统性能参数、增强安全或可靠性、高精度测量和诊断、极端工作环境等。ADXL1002的发布标志着MEMS加速度计技术已经可以兼顾噪声、带宽、量程和功耗等指标。

DC/DC控制器 LTC7820

LTC7820 是一款固定比例高电压高功率开关电容器 / 充电泵控制器,内置 4 个 N 沟道 MOSFET 栅极驱动器以在分压器、倍压器或负输出转换器配置中驱动外部功率 MOSFET。这款器件可从高达 72V 的输入电压实现一个 2:1 的降压比、从高达 36V 的输入电压实现一个 1:2 的升压比、或从高至 36V 的输入电压实现一个 1:1 的负输出转换比。

编辑点评

ADI公司的大功率固定比例充电泵DC/DC控制器LTC7820,在非隔离式中间总线转换器中无需功率电感器,从而可将电路尺寸减小多达50%,并提供高达4000瓦/英寸3的功率密度。LTC7820在分压器、倍增器或反相器配置中以高达99%的效率驱动外部MOSFET。其开环固定占空比非常适合配电、数据通信、电信、高端计算和工业系统中的非隔离式中间总线应用。

SAR ADC LTC2500-32

LTC2500-32 是一款低噪声、低功率、高性能 32 位 ADC,其具有一个集成的可配置数字滤波器。该器件采用单个 2.5V 电源供电工作,具有一个高达 ±VREF 的全差分输入范围,且 VREF 的变化范围从 2.5V 至 5.1V。LTC2500-32 支持 0V 至 VREF 的宽共模范围,从而简化了模拟信号调理要求。

编辑点评

LTC2500-32是一款超高精确度的32位逐次逼近寄存器型(SAR)模数转换器 (ADC),是一种面向精准测量应用的产品,该器件把ADI专有的SAR ADC架构中高准确度和速度与灵活的集成化数字滤波器相整合,用以优化系统信号带宽并放宽模拟抗混叠滤波器要求。LTC2500-32同时提供两个输出,在那些需要使用一个附加较快速ADC 与一个精准 ADC 并行以监视信号完整性的应用中,消除了常见的失配和漂移问题。

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作者:Bob Scannell,ADI公司MEMS和传感器技术部业务开发经理

导航通常与汽车、飞机及船舶相关。然而,在工业和医疗保健领域,精密导航正日益广泛地运用于从工厂机械和手术机器人到应急响应跟踪的各种应用。现有多种与定位、转向和引导设备相关的方法,可用于获得位置、方向和运动信息。事实上,许多应用已普遍依赖于GPS(全球定位系统)。然而,当涉及到室内导航以及处理更复杂、更具环境挑战性的情况时,单靠GPS已无法满足需求。

针对上述应用,可使用各类传感器来改善系统区分实际运动与异常运动的能力。某一传感器处理特定导航问题的能力不仅取决于该传感器的性能水平,同时也取决于该应用特有的动态特性。和处理所有复杂设计问题一样,首先需要了解最终应用的目标和限制,由此可将各项关键性能参数进行排序,从而大致了解所需的传感器,然后通过仔细的传感器调理、集成和处理,对实际设计进行优化。

了解导航问题

我们首先来打一个比方:假设您正在工作,想来杯咖啡,于是您起身去找咖啡壶。如果您之前去过放咖啡壶的地方,您的脑海中就会形成一条路线。不过,沿途您还需依靠各种感知,包括视觉、听觉、平衡,甚至触觉等,才能到达该位置。您自身的处理器会结合使用各种感知来源,以及某些嵌入式的模式识别,如果运气不好,您可能还得暂停下来,寻求一些外部输入,即方向。在整个过程中,您所依赖的自身传感器不仅需要逐个保持精确,还必须默契配合,必要时可拒绝误导信息(旁边隔间飘来的咖啡味道),并寻求其它传感器的帮助。在抵达目的地的过程中,您所采用的技术与车辆、手术仪器和机器人导航系统的设计人员使用的技术并无不同。

将上述例子扩展到工业领域,会涉及到多种传感技术,而这些技术中,无一能够独力满足大多数应用需求。正如此前所提及的,由于障碍物会阻挡卫星接收,GPS容易出错,要么降低总体精度,要么降低更新速率。另一种常见的导航辅助设备是磁力计,它需要畅通无阻地访问地球磁场,虽然这一条件通常可以实现,但工业环境中还存在许多现场干扰,使得磁力计的可靠性不尽如人意,能间歇性保持可靠运行已属万幸。光学传感器会遇到视线遮挡问题,虽然惯性传感器通常不受这些干扰影响,但也有某些自身的局限性,例如缺乏绝对参照(哪个方向是北?)。表1列出了各类主要导航传感器的相对优势和潜在问题。

详文请阅:精密MEMS传感器实现新型导航应用

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作者:Mark Looney

对于采用MEMS加速度计和陀螺仪的工业系统而言,优化带宽可能是关键考虑因素。这代表着精度(噪声)与响应时间之间的一种经典权衡。虽然多数MEMS传感器制造商都会给出典型带宽指标,往往还需要验证传感器或整个系统的实际带宽。在确定加速度计和陀螺仪的带宽特性时,一般需要使用振动台或其他机械激励源。要精确确定特性,需要全面了解应用于受测器件(DUT)的运动。在此过程中需要管理多种潜在误差源。在机械带宽测定中,一个常见的误差源是谐振。导致机械谐振的原因有多种,包括激励源维护不当、DUT与激励源耦合不良以及基准传感器放置等。这些误差的隔离十分耗时,可能给至关重要的项目进度带来风险。

多数MEMS传感器有一个自测功能,可以在部署于关键任务应用之前对传感器进行测试。该功能利用传感器的机械结构来模拟其需要测量的外力。该诊断功能也可用于模拟步进输入功能。通过这种步进输入响应,可以获得有关传感器带宽的有用信息。例如,ADIS16080偏航角速度陀螺仪的频率响应以其主低通滤波器(设定频率为40 Hz)为主导。应用于自测引脚的步进输入的预期响应如下所示(其中,f= 带宽):

传感器步进响应与带宽之间的这种简单关系可以提供对验证过程有用的线索。指数响应的时间常数为当输出值达到最终变化63.2%时的结果。对于一个40 Hz的单极系统,其发生在应用步进响应之后4 ms左右。

确定传感器步进响应对于隔离在确定带宽特性时观察到的谐振条件很有用。图1所示为一种采用ADIS16080的系统的频率响应。图中所示谐振频率为100 Hz。开始时,该谐振到底是传感器行为导致,还是系统中的机械谐振所导致,这并不清楚。幸运的是,步进响应(如自测功能所确定)可以区分这两种效应。图2显示了两种条件下的坐标曲线图:测试设置导致的谐振和传感器本身导致的谐振。

图1. 带100 Hz谐振的系统的频率响应

图2. 带和不带100 Hz谐振的传感器的步进响应

请注意,这种技术依赖于在步进响应与频率响应之间建立一种关系。随着滤波器结构变得越来越复杂,确立这种关系也变得更加困难。例如,一个双极56 Hz系统的时间常数与一个单极40 Hz系统相同。另外,步进输入信号的上升时间必须超过DUT的响应时间。自测功能自身的慢速响应会影响整体响应,使得传感器中的带宽看起来较低。

这种技术提供了一种独立的方法,可用来隔离MEMS传感器频率响应中的异常行为。同时也能快速检验制造商的带宽指标,无需使用任何机械激励机制。

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作者:ADI公司产品营销工程师Max Liberman和业务开发经理Bob Scannell

在工业制造运营中,被动的设备维修是造成生产能力丧失的一个主要因素,这种维修本来是可以避免的。平均售价仅几美元的零部件,一旦发生故障,维修成本和由此导致的收入损失可能是其售价的好多倍。在最不利的情况下,未检测到的故障可能在系统中引起连锁反应,导致大面积损坏,触发生产停运,造成惨痛损失。传统上,制造商借助预防措施来保持生产现场正常运转。

相比事后维修,预防维护是一大进步,但与其相关的服务合同成本高昂,而且其确保设备连续正常运行的能力也是有限的。考虑让一台200英尺风力涡轮机的叶片转动的转子轴承。紧急维修和现场维护的成本会非常高,甚至可能有危险,因为技术人员需要在高空作业。另外,如果该涡轮机接入到本地市政电网,计划之外的停机可能引起能源生产损失,甚至电力服务中断。

一种新的工业检测技术正在帮助制造商们优化设备,它通过预测维护手段来预料零部件故障。虽然工业检测的形式有很多,但振动检测可能是最有效且最经济的。根据Lindsay Engineering(一家位于美国加州卡马里奥的预测维护产品和服务提供商)的研究,振动检测的投资回报是定期更换齿轮或电机油等措施的投资回报的三倍(参见图1)。

振动分析的优势

振动分析常用于旋转机械中,用以检测可能引起振动变化的轴承松动或磨损、设备未对准、液位偏低等。通常,这种振动的频率介于6 kHz到10 kHz。在更高频率也有一些数据可用,但受限于响应幅度而非常难以测量,并且需要超声等成本高昂的技术。通过测量该频率范围并监控响应的变化,制造商可以安排维护时间,或者在零部件损坏达到一定程度之前的最有利时间关停设备,防止损失引起更大的次生系统故障。

另外还可以利用各种统计公式来预测系统寿命,例如平均无故障时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)。利用这些公式和来自系统的原始数据,客户便可直接处理潜在问题。例如,通过MTTF,您发现某种轴承的失效率较高。您可以利用振动传感器来密切监视该特定机器和轴承,确保失效不会发生。

图1. 旋转机械的典型振动频率范围是6 KHz到10 KHz

实现工业振动检测的最常见方式有两种:一是用传感器系统改造现有设备;二是与第三方服务商签约,按照计划定期执行设备测试。后一种方案的成本可能很高,而且定期检查的效果比不上直接将传感器安装在设备上。利用系统安装方法,制造商可以实现连续监控,但也存在传统上的限制。

当今大部分振动传感器的典型工作带宽低于5 kHz,比检测大多数设备故障所需的频率要低一大截。另外,常规传感器大多基于高压压电技术,需要体积很大的金属罐封装,而且要求频繁校准,不太容易大批量生产。还有一个问题是,其集成度通常较低,需要经过大量外部调理和处理才能提取有用信息。

MEMS方法

业界越来越需要其它能够更早检测到预测维护征兆且成本更低的方法,因此,基于微机电系统(MEMS)的振动传感器正在成为替代常规检测的重要方法。更重要的是,任何替代方案都必须以更高和更宽的频率范围工作,这是早期检测的关健。ADI公司提供一系列宽带宽MEMS传感器(ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227),其具有22 kHz谐振带宽和高采样速率,是机器健康检测应用的理想选择。利用这些传感器,系统操作员可以及早发现要失效的设备,避免遭受重大损失。

振动监控错综复杂,准确捕捉振动剖面并正确解读数据更是需要高度复杂的专业知识。对于许多希望实施振动监控的厂商,最佳解决方案远不限于传感器元件。复杂性的很大一部分在于数据分析,对设备的典型时基分析会产生一个包含多种误差源的复杂波形,只有经过FFT分析之后才能获得可以分辨的信息。

多数压电传感器解决方案依赖外部FFT计算和分析。这种方法不仅使得实时通知毫无可能,而且大大增加了设备开发商的设计工作量。像ADI公司的ADIS16227等专业化MEMS传感器降低了这种复杂性,其提供嵌入式频域处理和512点实值FFT,片上存储器能够识别各种振动源并进行归类,监控其随时间的变化情况,并根据可编程的阈值做出反应。

该器件还具有可配置的报警频段和窗选项,支持对全频谱进行分析,并配置6个频段、报警1(警告阈值)和报警2(故障阈值),以便能够更早、更精准地发现问题。

为了确保准确捕捉数据,人们强烈要求实现嵌入式和自主检测。集成度合适的话(即集成传感器分析、存储器和报警功能),传感器系统可以嵌入到离潜在误差源更近的地方,从而更准确地反映机器振动情况,并显著降低接口复杂度,如线缆连接、场外分析和数据捕捉计划等。ADIS16227等器件是完整的数据转换和传感器处理解决方案,用户可通过串行外设接口(SPI)获得经处理的宽带宽传感器数据。这些器件可实现连续监控,并在达到用户设置的报警阈值时提供中断驱动的通知。如果关心功耗,它们还能按照用户制定的计划定期唤醒和记录。

图2. 诸如ADI公司的ADIS16227等MEMS传感器可以在高达22 kHz的频率检测零部件故障,从而提供关于设备故障的早期预警

欲了解更多信息,请访问 www.analog.com

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作者:ADI公司产品营销工程师Max Liberman和业务开发经理Bob Scannell

在工业制造运营中,被动的设备维修是造成生产能力丧失的一个主要因素,这种维修本来是可以避免的。平均售价仅几美元的零部件,一旦发生故障,维修成本和由此导致的收入损失可能是其售价的好多倍。在最不利的情况下,未检测到的故障可能在系统中引起连锁反应,导致大面积损坏,触发生产停运,造成惨痛损失。传统上,制造商借助预防措施来保持生产现场正常运转。

相比事后维修,预防维护是一大进步,但与其相关的服务合同成本高昂,而且其确保设备连续正常运行的能力也是有限的。考虑让一台200英尺风力涡轮机的叶片转动的转子轴承。紧急维修和现场维护的成本会非常高,甚至可能有危险,因为技术人员需要在高空作业。另外,如果该涡轮机接入到本地市政电网,计划之外的停机可能引起能源生产损失,甚至电力服务中断。

一种新的工业检测技术正在帮助制造商们优化设备,它通过预测维护手段来预料零部件故障。虽然工业检测的形式有很多,但振动检测可能是最有效且最经济的。根据Lindsay Engineering(一家位于美国加州卡马里奥的预测维护产品和服务提供商)的研究,振动检测的投资回报是定期更换齿轮或电机油等措施的投资回报的三倍(参见图1)。

旋转机械的典型振动频率范围是6 KHz到10 KHz

图1. 旋转机械的典型振动频率范围是6 KHz到10 KHz

振动分析的优势

振动分析常用于旋转机械中,用以检测可能引起振动变化的轴承松动或磨损、设备未对准、液位偏低等。通常,这种振动的频率介于6 kHz到10 kHz。在更高频率也有一些数据可用,但受限于响应幅度而非常难以测量,并且需要超声等成本高昂的技术。通过测量该频率范围并监控响应的变化,制造商可以安排维护时间,或者在零部件损坏达到一定程度之前的最有利时间关停设备,防止损失引起更大的次生系统故障。

另外还可以利用各种统计公式来预测系统寿命,例如平均无故障时间(MTTF)和平均故障间隔时间(MTBF)。利用这些公式和来自系统的原始数据,客户便可直接处理潜在问题。例如,通过MTTF,您发现某种轴承的失效率较高。您可以利用振动传感器来密切监视该特定机器和轴承,确保失效不会发生。

实现工业振动检测的最常见方式有两种:一是用传感器系统改造现有设备;二是与第三方服务商签约,按照计划定期执行设备测试。后一种方案的成本可能很高,而且定期检查的效果比不上直接将传感器安装在设备上。利用系统安装方法,制造商可以实现连续监控,但也存在传统上的限制。

当今大部分振动传感器的典型工作带宽低于5 kHz,比检测大多数设备故障所需的频率要低一大截。另外,常规传感器大多基于高压压电技术,需要体积很大的金属罐封装,而且要求频繁校准,不太容易大批量生产。还有一个问题是,其集成度通常较低,需要经过大量外部调理和处理才能提取有用信息。

MEMS方法

业界越来越需要其它能够更早检测到预测维护征兆且成本更低的方法,因此,基于微机电系统(MEMS)的振动传感器正在成为替代常规检测的重要方法。更重要的是,任何替代方案都必须以更高和更宽的频率范围工作,这是早期检测的关健。ADI公司提供一系列宽带宽MEMS传感器(ADXL001、ADIS16220、ADIS16223和ADIS16227),其具有22 kHz谐振带宽和高采样速率,是机器健康检测应用的理想选择。利用这些传感器,系统操作员可以及早发现要失效的设备,避免遭受重大损失。

振动监控错综复杂,准确捕捉振动剖面并正确解读数据更是需要高度复杂的专业知识。对于许多希望实施振动监控的厂商,最佳解决方案远不限于传感器元件。复杂性的很大一部分在于数据分析,对设备的典型时基分析会产生一个包含多种误差源的复杂波形,只有经过FFT分析之后才能获得可以分辨的信息。

多数压电传感器解决方案依赖外部FFT计算和分析。这种方法不仅使得实时通知毫无可能,而且大大增加了设备开发商的设计工作量。像ADI公司的ADIS16227等专业化MEMS传感器降低了这种复杂性,其提供嵌入式频域处理和512点实值FFT,片上存储器能够识别各种振动源并进行归类,监控其随时间的变化情况,并根据可编程的阈值做出反应。

该器件还具有可配置的报警频段和窗选项,支持对全频谱进行分析,并配置6个频段、报警1(警告阈值)和报警2(故障阈值),以便能够更早、更精准地发现问题。

为了确保准确捕捉数据,人们强烈要求实现嵌入式和自主检测。集成度合适的话(即集成传感器分析、存储器和报警功能),传感器系统可以嵌入到离潜在误差源更近的地方,从而更准确地反映机器振动情况,并显著降低接口复杂度,如线缆连接、场外分析和数据捕捉计划等。ADIS16227等器件是完整的数据转换和传感器处理解决方案,用户可通过串行外设接口(SPI)获得经处理的宽带宽传感器数据。这些器件可实现连续监控,并在达到用户设置的报警阈值时提供中断驱动的通知。如果关心功耗,它们还能按照用户制定的计划定期唤醒和记录。

诸如ADI公司的ADIS16227等MEMS传感器可以在高达22 kHz的频率检测零部件故障,从而提供关于设备故障的早期预警

图2. 诸如ADI公司的ADIS16227等MEMS传感器可以在高达22 kHz的频率检测零部件故障,从而提供关于设备故障的早期预警

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