Выбор оптимального акселерометра для конкретного приложения. Часть 2

Начало статьи.

Носимые устройства

Основным параметром для акселерометров, используемых в носимых устройствах с батарейным питанием, является сверхнизкое энергопотребление, которое должно обычно находиться в микроамперном диапазоне, что позволит проработать аккумулятору как можно дольше. Другие важные критерии выбора — размер корпуса и интегрированные функции, такие как дополнительные каналы АЦП и буфер FIFO большого размера, необходимые для управления питанием в конечном приложении и повышения его функциональности. Именно по этим причинам в носимой электронике обычно применяют МЭМС-акселерометры. В таблице приведены некоторые приложения мониторинга основных показателей состояния организма и соответствующие им характеристики. Акселерометры, установленные в носимых устройствах, обычно распознают движение, обеспечивают обнаружение свободного падения, определяют присутствие или отсутствие движения с целью включения или отключения системы или перевода ее в режим сна, а также помогают в сборе актуальных данных для ЭКГ-устройств и других приборов мониторинга основных показателей организма.

При выборе акселерометров для приложений со сверхнизким энергопотреблением необходимо сначала провести анализ функциональности датчика при различных уровнях энергопотребления, указанных в документации. Здесь важно заметить, до каких уровней уменьшаются ширина полосы пропускания и частота дискретизации, после которых невозможно получать актуальные данные об ускорении. Отдельные компоненты конкурентов отключаются и пробуждаются каждую секунду, чтобы поддерживать низкое энергопотребление, но при этом пропускают критически важные сведения об ускорении из-за снижения эффективной частоты вывода данных. Чтобы определять движение человека в режиме реального времени, необходимо значительно увеличить энергопотребление. В акселерометрах ADXL362 и ADXL363 во входной сигнал не вносятся помехи вследствие субдискретизации; эти устройства осуществляют выборку во всей ширине полосы пропускания при различных скоростях обработки данных. При изменении частоты дискретизации также меняется энергопотребление, как это показано на рис. 1. Следует отметить, что частота дискретизации таких компонентов может достигать 400 Гц при потреблении тока всего 3 мкА. Столь более высокие скорости обработки данных обеспечивают дополнительные возможности в реализации интерфейсов носимых устройств. Например, благодаря этому можно различать однократное касание и двойное касание. Частота дискретизации может быть уменьшена до 6 Гц, что позволит устройству запускаться при его поднятии или при обнаружении движения. Среднее потребление тока при этом составляет 270 нА, что также делает ADXL362 и ADXL363 полезными для применения в имплантируемых устройствах, где замена элементов питания весьма проблематична.

Рис. 1. Зависимость потребляемого акселерометром ADXL362 тока от частоты вывода данных

В некоторых приложениях акселерометру достаточно измерять ускорение один или несколько раз в секунду. В таких случаях в ADXL362 и ADXL363 можно задействовать режим сна с периодическим пробуждением, при этом потребление тока составит лишь 270 нА. ADXL363 совмещает в своем компактном и тонком корпусе размерами 3×3,25×1,06 мм 3-осевой МЭМС-акселерометр, датчик температуры (с погрешностью 0,065 °C) и встроенный АЦП с выведенным входом для синхронного преобразования внешнего сигнала. Данные ускорения и температуры могут храниться в многорежимном буфере FIFO на 512 выборок, что позволяет хранить информацию, полученную за последние 13 с.

В демонстрационных целях компания Analog Devices разработала представленные на рис. 2 часы для мониторинга основных показателей состояния организма, чтобы показать возможности компонентов со сверхнизким энергопотреблением, таких как ADXL362, в устройствах с батарейным питанием и ограниченным внутренним пространством для размещения компонентов.

Рис. 2. Часы для мониторинга основных показателей состояния организма, включающие ряд компонентов Analog Devices. Разработаны для демонстрации компактных и легких продуктов со сверхнизким энергопотреблением

ADXL362 используется для отслеживания движения, а также измерения параметров движения для устранения нежелательных артефактов из других измерений.

Мониторинг состояния оборудования

Мониторинг состояния оборудования предусматривает наблюдение за такими параметрами, как, например, вибрация в механизмах, с целью выявления неисправностей и прогнозирования их возможного возникновения. Подобный мониторинг является основным компонентом предупредительного технического обслуживания и обычно используется для анализа технического состояния вращающихся машин — турбин, вентиляторов, насосов и двигателей. Основными критериями для акселерометров систем мониторинга состояния оборудования являются низкий уровень шума и широкая полоса пропускания. На момент написания этой статьи лишь немногие конкуренты предлагали МЭМС-акселерометры с шириной полосы пропускания выше 3,3 кГц, а некоторые специализированные производители предлагали свои устройства с полосой пропускания до 7 кГц.

С развитием промышленного «Интернета вещей» особое внимание уделяется сокращению количества кабелей и применению беспроводных технологий с низким энергопотреблением. В связи с этим МЭМС-акселерометры получили преимущество над пьезоэлектрическими акселерометрами благодаря меньшим размерам, весу, энергопотреблению, а также возможностям встроенных интеллектуальных функций. Сегодня наиболее часто используемыми датчиками для систем мониторинга состояния оборудования становятся пьезоэлектрические акселерометры благодаря высокой линейности, высокому отношению сигнал/шум, возможности работать при высоких температурах и широкой полосе пропускания. При этом стандартные модели имеют полосу 3 Гц — 30 кГц, а некоторые компоненты могут иметь ширину полосы пропускания до нескольких сотен килогерц. Однако пьезоэлектрическим акселерометрам сложнее выполнять измерения в зоне постоянного сигнала, а, как показано на рис. 3, многие неисправности могут появиться при низких частотах, особенно в ветровых турбинах и подобных приложениях с низкой частотой вращения. Пьезоэлектрические датчики не могут производиться столь же массово, как МЭМС-устройства, из-за их механической структуры. Кроме того, они более дорогие и менее универсальны с точки зрения интерфейса и питания.

Емкостные МЭМС-акселерометры имеют более высокий уровень интеграции и повышенную функциональность. В них есть функции самодиагностики, определения достижения пика ускорения, оповещения о выходе сигнала из спектра и т. д. Они способны выполнять быстрое преобразование Фурье и хранить данные, выдержать удар с ускорением до 10000 g, измерять ускорения при нулевой частоте, к тому же они компактнее и легче. ADXL354/ADXL355 и ADXL356/ADXL357 оптимальны для приложений мониторинга состояния оборудования благодаря сверхнизкому шуму и высокой стабильности при изменении температуры, но ширина полосы пропускания этих устройств не позволяет с их помощью выполнять более глубокий диагностический анализ. Однако даже с ограниченной полосой пропускания эти акселерометры осуществляют важные измерения, например, в системах мониторинга состояния ветровых турбин, где оборудование вращается с очень низкой скоростью. В данном случае необходимо измерять ускорение в диапазоне очень малых частот вплоть до постоянного сигнала.

Рис. 3. Вибрационные артефакты неисправностей оборудования с вращающимися элементами

Устройства нового семейства одноосевых акселерометров ADXL100x оптимизированы для применения в системах мониторинга промышленного оборудования и имеют широкую полосу пропускания вплоть до 50 кГц, диапазоны измеряемых ускорений до ±100 g и сверхнизкие шумовые характеристики. Все это ставит их на один уровень с пьезоэлектрическими акселерометрами с точки зрения характеристик. Более детальное сравнение МЭМС-акселерометров компании Analog Devices с пьезоэлектрическими акселерометрами приводится в статье [4].

Амплитудно-частотная характеристика акселерометров ADXL1001/ADXL1002 показана на рис. 4. Большинство неисправностей, возникающих в механизмах с вращающимися элементами, такие как повреждение подшипников скольжения, смещение осей вращения, разбалансировка, трение, возникновение зазоров и люфтов, повреждение шестерен, износ подшипников и кавитация, проявляются в диапазоне измерения устройств семейства акселерометров ADXL100x.

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика акселерометров ADXL1001/ADXL1002, высокочастотная (>5 кГц) вибрационная характеристика. Контроллер лазерного виброметра принимает данные от ADXL1002, используемого для обеспечения точности

Пьезоэлектрические акселерометры, как правило, не имеют дополнительных встроенных интеллектуальных функций, а емкостные МЭМС-акселерометры, в частности устройства семейства ADXL100x, содержат встроенную схему обнаружения выхода за пределы измерений, которая выдает предупреждение, сообщающее о значительном превышении диапазона измерений, когда измеряемое ускорение примерно в два раза превышает указанный в документации g-диапазон. Эта функция очень важна при разработке интеллектуальной системы измерения и мониторинга. Акселерометры серии ADXL100x могут отключать систему внутреннего тактирования для защиты чувствительного элемента при продолжающихся событиях выхода из диапазона измерения, например, тех, которые произойдут, если двигатель будет неисправен. Таким образом, можно облегчить нагрузку на главный процессор и расширить интеллектуальные возможности сенсорного узла — все это относится к ключевым критериям для создания систем мониторинга состояния оборудования и решений промышленного «Интернета вещей».

В последнее время характеристики емкостных МЭМС-акселерометров были значительно улучшены, причем настолько, что устройства нового семейства ADXL100x успешно конкурируют и заменяют ранее доминирующие пьезоэлектрические датчики. Модели семейства ADXL35x обладают лучшими в отрасли, сверхнизкими шумовыми характеристиками, а также способны вытеснить другие датчики в приложениях мониторинга состояния оборудования. Новые решения и подходы в области мониторинга состояния оборудования объединяются с архитектурой «Интернета вещей» с целью создания лучших систем сбора, передачи, хранения и анализа данных. Новейшие акселерометры компании Analog Devices обеспечивают более интеллектуальный мониторинг в самом сетевом узле, помогая управляющему персоналу промышленных предприятий внедрить полностью интегрированные системы мониторинга и анализа вибрации.

Еще одним дополнением к этому ассортименту МЭМС-акселерометров является первое поколение подсистем ADIS16227 и ADIS16228 для мониторинга состояния оборудования, которые представляют собой полуавтономные, полностью интегрированные, широкополосные системы анализа вибрационного воздействия, чья структура представлена на рис. 5. Они обладают такими функциями, как программируемые пороги генерации аварийных сигналов в шести спектральных диапазонах, двухуровневые настройки для выявления неисправностей и потенциально опасных состояний, настраиваемая задержка реакции для уменьшения количества ложных аварийных сигналов, внутренняя самодиагностика с флагами состояния. Блок обработки сигналов в частотной области включает 512-точечный алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) для каждой оси, алгоритм усреднения результатов БПФ, который уменьшает отклонение шумового порога для обеспечения более высокого разрешения. Полностью интегрированные системы анализа вибрационных воздействий ADIS16227 и ADIS16228 позволяют сократить время проектирования, снизить затраты, минимизировать требования к процессору, сократить пространственные ограничения, что делает их оптимальными кандидатами для применения в приложениях мониторинга состояния оборудования.

Рис. 5. Цифровой трехосевой датчик вибрации с блоком спектрального анализа сигналов с использованием БПФ и возможностью хранения данных

«Интернет вещей». Беспроводные сенсорные сети

Перспективы «Интернета вещей» прекрасно осознаются во всей отрасли. Чтобы эти перспективы стали реальностью, в ближайшие годы необходимо установить миллионы датчиков. Подавляющее большинство этих датчиков будет размещено в труднодоступных местах или местах с ограниченным пространством — на крышах домов, на уличных фонарях, мачтах башен, мостах, внутри тяжелой техники, что позволит реализовать концепции умных городов, умного сельского хозяйства, умных зданий и т. д. Из-за таких ограничений, вероятно, большей части этих датчиков потребуется беспроводная связь, а также батарейное питание и, возможно, элементы сбора и накопления энергии из окружающей среды.

Сегодня тенденция в сфере «Интернета вещей» заключается в минимизации данных, передаваемых по беспроводной сети на облачный или локальный сервер для их хранения и анализа, поскольку существующие методы используют избыточную пропускную способность и остаются дорогостоящими. Интеллектуальная обработка непосредственно в сенсорном узле позволит различать бесполезные и полезные данные, что в свою очередь позволит свести к минимуму потребность в передаче больших объемов сведений, благодаря чему может быть сокращена пропускная способность и стоимость решений. Таким образом, датчики должны обладать интеллектуальными функциями и в то же время иметь сверхнизкое энергопотребление. Стандартная сигнальная цепь приложения «Интернета вещей показана на рис. 6. Analog Devices предоставляет решения для всех блоков, кроме сетевого шлюза. Обратите внимание, что не все решения требуют беспроводной связи, для огромного количества приложений все еще необходимо проводное соединение, например, с помощью RS-485, токовой петли, Industrial Ethernet и т. д.

Рис. 6. Предоставляемые компанией Analog Devices решения для реализации сенсорного узла

Благодаря интеллектуальным функциям в узле по цепочке сигналов можно будет передавать только полезные данные, экономя энергию и ширину полосы пропускания. В приложениях мониторинга состояния оборудования объем обработки данных, выполняемый локально в сенсорном узле, будет зависеть от нескольких факторов, таких как стоимость и сложность механизма и стоимость системы мониторинга состояния. Передаваемая информация может представлять собой простые сигналы предупреждения о выходе за пределы диапазона измерения или потоки данных. В стандартах, например в ISO 10816, указаны предупредительные условия для механизмов заданного размера, работающих с определенной скоростью, которые должны выдавать сигнал тревоги, когда скорость вибрации превышает заданные пороговые значения. ISO 10816 предназначен для оптимизации срока службы измеряемой системы и ее подшипников, а также благодаря нему можно минимизировать объем передаваемых данных, что повысит эффективность использования беспроводной сенсорной сети.

Требования к акселерометрам, используемым в удовлетворяющих положениям стандарта ISO 10816 приложениях, следующие: диапазон измеряемых ускорений 50 g или менее и низкий уровень шума на низких частотах, поскольку данные о величине ускорения периодически интегрируются для получения среднеквадратического значения скорости, измеряемой в мм/с. В процессе интегрирования данных акселерометра, содержащих низкочастотный шум, ошибка по скорости может увеличиваться линейно. В стандартах ISO указан диапазон измерения 1 Гц – 1 кГц, но пользователи хотели бы интегрировать с частотой вплоть до 0,1 Гц. Традиционно этот диапазон был ограничен высокими уровнями шума на низких частотах в пьезоэлектрических акселерометрах с зарядовой связью, но акселерометры следующего поколения компании Analog Devices имеют очень низкий уровень собственных шумов, ограниченный только шумом вида 1/f (фликкер-шумом) от электроники формирования сигнала, который может быть сведен к минимуму вплоть до 0,01 Гц благодаря продуманной схемотехнике устройства. МЭМС-акселерометры могут эксплуатироваться в бюджетных системах мониторинга для недорогого оборудования или быть интегрированы во встраиваемые решения благодаря их малым размерам и низкой стоимости по сравнению с пьезоэлектрическими датчиками.

В ассортименте Analog Devices насчитывается большое количество акселерометров, которые подходят для применения в интеллектуальных сенсорных узлах со сверхнизким энергопотреблением и включают различные функции для увеличения срока службы батареи, сокращения полосы пропускания и, следовательно, затрат. Одними из ключевых критериев выбора акселерометров для использования в сенсорных узлах «Интернета вещей» являются низкое энергопотребление (ADXL362, ADXL363) и наличие широкого набора функций, обеспечивающих управление энергопотреблением и детектирование специальных данных, таких как превышение заданных порогов, предупреждение о выходе сигнала из спектра, достижение пиковых значений ускорения и длительная активность или неактивность (ADXL372, ADXL375).

Все эти акселерометры могут держать систему в выключенном состоянии, при этом храня данные об ускорении в буфере FIFO и ожидая события для активации. Когда происходит удар, данные, накопленные прежде, «замораживаются» в буфере FIFO. Без буфера FIFO для получения данных перед событием потребуется непрерывная выборка и обработка сигналов с информацией об ускорении с помощью процессора, что значительно сократит срок службы батареи. Буфер FIFO акселерометров ADXL362 и ADXL363 может хранить данные, полученные в течение последних 13 с, благодаря чему можно сформировать четкую картину событий до срабатывания триггера активности. Сверхнизкое энергопотребление достигается не за счет попеременного включения и отключения питания, а скорее благодаря использованию архитектуры, обеспечивающей полную полосу пропускания при всех скоростях обработки данных, что предотвращает наложение помех на выходные сигналы.

Мониторинг состояния активов

Мониторинг состояния активов обычно предполагает отслеживание состояния ценного материального актива в течение определенного периода времени, при этом он может находиться в одном месте или транспортироваться куда-либо. Такие активы представляют собой товары внутри морских контейнеров, удаленные трубопроводы, гражданских лиц, солдат, аккумуляторы с высокой плотностью и другие объекты, подверженные различным физическим воздействиям и ударам. «Интернет вещей» обеспечивает идеальную инфраструктуру для оповещения о неблагоприятных событиях, способных повлиять на функциональность или безопасность актива. Ключевой критерий для датчика, применяемого с целью мониторинга состояния активов, — способность определять сильный удар, прикладываемый к объекту, и другие физические воздействия при сохранении очень низкого энергопотребления. При использовании таких датчиков в составе портативных устройств или приборов с батарейным питанием необходимо учитывать другие ключевые характеристики — размер, передискретизация и защита от наложения помех, чтобы иметь возможность качественно обработать высокочастотные сигналы. Помимо этого также необходимы интеллектуальные функции для увеличения срока службы аккумулятора за счет максимизации проводимого в режиме сна времени основного процессора и алгоритмов на основе прерываний, позволяющих обнаруживать удары.

Малопотребляющий МЭМС-акселерометр ADXL372 с диапазоном измерения ускорений ±200 g ориентирован на применение в составе интеллектуальных сенсорных узлов «Интернета вещей» для приложений мониторинга состояния активов. Этот компонент имеет несколько уникальных функций, разработанных специально для рынка приложений мониторинга состояния активов и позволяющих упростить проектирование системы, обеспечивая энергосбережение на системном уровне. События с высоким ускорением, в частности сильные удары и другие физические воздействия, нередко прикладываются с ускорениями в широком диапазоне частот. Для точного захвата этих событий требуется широкая полоса пропускания, поскольку измерение с недостаточной шириной полосы уменьшит величину ускорения такого события, что приведет к неточностям в измерениях. Это ключевой параметр, который необходимо учитывать при анализе документации. Некоторые компоненты не удовлетворяют критериям Найквиста по частоте дискретизации. Акселерометры ADXL375 и ADXL372 предоставляют возможность получить полные данные об ускорении в момент удара для дальнейшего анализа без вмешательства главного процессора. Это достигается с помощью регистров прерываний, активирующихся при ударе, в сочетании с внутренним буфером FIFO акселерометра. На рис. 7 показана важность наличия достаточного объемного буфера FIFO для получения актуальных данных об ускорении в момент удара до срабатывания триггера. При недостаточном объеме буфера FIFO было бы невозможно записать и хранить значения ускорения, вызванного ударом, и проводить их дальнейший анализ.

Рис. 7. Точное получение значений ускорения, вызванного ударом

Акселерометр ADXL372 может работать с полосой пропускания до 3200 Гц при чрезвычайно низких уровнях энергопотребления. Крутая характеристика фильтра также полезна для эффективного подавления внеполосного шума, поэтому для этой цели ADXL372 включает в себя четырехполюсный сглаживающий фильтр нижних частот. Без сглаживающего фильтра любые входные сигналы, частоты которых превышают половину скорости вывода данных, могли бы присутствовать в полосе измеряемого сигнала, что приводило бы к неточным измерениям. Этот четырехполюсный фильтр нижних частот имеет настраиваемую пользователем полосу пропускания, благодаря чему обеспечивается максимальная функциональная гибкость конечного приложения.

Акселерометр ADXL372 обладает функцией мгновенного обнаружения физических воздействий, разрешающей пользователю настроить прибор на считывание после того, как значение ускорения, вызванного физическим воздействием, превысит определенный порог. Как показано на рис. 8, после физического воздействия акселерометр переходит в режим полноценного измерения для того, чтобы получить точные данные об ускорении, вызванном этим событием.

Рис. 8. Режим мгновенного обнаружения физических воздействий с установленным по умолчанию порогом

В некоторых приложениях требуется, чтобы регистрировалось только пиковое значение ускорения, вызванного физическим воздействием, поскольку это может обеспечить достаточную информацию. Буфер FIFO акселерометра ADXL372 имеет возможность хранить пиковые значения ускорения по каждой оси. Самая длинная продолжительность времени, в течение которого заполняется буфер FIFO, составляет 1,28 с (512 выборок по одной оси с частотой вывода данных 400 Гц). Если совершать 170 выборок по каждой из трех осей с частотой 3200 Гц, потребуется временное окно 50 мс, что достаточно для считывания стандартного сигнала, вызванного физическим воздействием. Приложения, которым не требуется полной информации о событии, могут значительно увеличить время между считываниями FIFO за счет сохранения информации только о пиковых ускорениях, что обеспечит дополнительную экономию энергии. 512 выборок в FIFO можно распределить несколькими способами, в том числе:

• по 170 выборок по каждой из трех осей;
• по 256 выборок по каждой из двух осей (выбирается пользователем);
• 512 выборок по одной оси;
• 170 пиковых значений ускорения (для X, Y, Z).

Грамотное использование буфера FIFO позволяет экономить энергию на системном уровне благодаря тому, что основной процессор будет находиться в режиме сна в течение длительных периодов, пока акселерометр автоматически собирает данные. Помимо этого, использование FIFO для сбора и хранения данных может освободить от подобных дел основной процессор, чтобы он выполнял другие задачи.

Сегодня на рынке имеется несколько других акселерометров с аналогичными диапазонами измерения ускорений, но они не подходят для применения в сенсорных узлах систем мониторинга состояния активов из-за их узкой полосы пропускания и более высокого энергопотребления. И если среди этих акселерометров имеются модели с режимом низкого энергопотребления, то, как правило, у них меньшая полоса пропускания, что не позволяет им выполнять точные измерения. Благодаря ADXL372 можно создавать эффективные датчики для мониторинга состояния активов, эксплуатируемые по принципу «прикрепил и забыл», это предоставляет возможность конечным пользователям пересмотреть потенциальные классы активов, где эти решения будут востребованными.

Заключение

Analog Devices предлагает широкий ассортимент акселерометров, предназначенных для различных применений. Некоторые из них не были рассмотрены в статье — например, приборы для расчета траектории движения, системы определения курса и пространственного положения, инерциальные системы измерения, автомобильные системы стабилизации платформы и обеспечения безопасности, а также системы выравнивания для медицинского оборудования. Емкостные МЭМС-акселерометры нового поколения подходят для приложений, где требуется низкий уровень шума, малое энергопотребление, высокая стабильность и не ухудшающиеся с изменением температуры характеристики, минимальная компенсация, а также встроенные интеллектуальные функции для повышения общей эффективности системы и облегчения проектирования. Все перечисленные устройства доступны для оценки и создания на их основе прототипов. Более подробная информация доступна на сайте [5]