01
工作原理
MEMS加速度傳感器
△ 某MEMS元器件及其內部結構示意
MEMS加速度傳感器是指采用微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS）技術(shù)制造的加速度傳感器。該技術(shù)將機械系統和電子電路使用硅半導體加工工藝集成在極小的尺寸內，機械系統將振動(dòng)信號轉化為電信號，電子電路完成電信號的采集和處理，兩者形成一個(gè)協(xié)作系統，實(shí)現振動(dòng)信號的智能檢測，分析等一些列復雜功能。
其主要工作原理是在傳感器內部制備一塊微小的質(zhì)量塊，當外部施加力時(shí)，根據慣性原理，質(zhì)量塊會(huì )因加速運動(dòng)產(chǎn)生微小的位移。MEMS加速度計通過(guò)檢測這個(gè)位移，就可以準確地測量出加速度的大小和方向。
MEMS傳感器的各器件可以方便的焊接在PCB板①上，易于封裝及批量制造，部分MEMS傳感器可集成信號采集、處理等多個(gè)功能，所需的外部器件極少，在高集成度和低成本方面，為工程應用提供了極大的便利。
壓電式加速度傳感器
△ 某壓電式傳感器及其內部結構示意
壓電式加速度傳感器是指利用壓電效應②測量加速度變化的一種加速度計。其工作原理是傳感器內部安裝一壓電晶體③，晶體一端固支④，另一端固定一質(zhì)量塊，當傳感器受到外部力時(shí)，質(zhì)量塊會(huì )產(chǎn)生位移，從而導致壓電晶體產(chǎn)生微小的形變，形變會(huì )導致內部電荷重新分布，產(chǎn)生電信號。通過(guò)檢測電信號的幅值和極性，可以計算出加速度的大小和方向。
02
外形尺寸
MEMS的含義——微機電，特點(diǎn)是小型化、集成化、可批量制造。顧名思義，MEMS的元器件尺寸十分微小，特征結構在微米尺度（約為1μm~100μm范圍，可類(lèi)比一根頭發(fā)的直徑約為60~100μm），集成度極高，系統尺寸往往也在幾毫米甚至更小。常見(jiàn)的醫療電子、汽車(chē)電子、穿戴式智能設備等往往應用MEMS元器件以提高整體設備的集成度。
△ 常見(jiàn)穿戴式設備：手環(huán)
壓電式元器件受限于工作原理，特征結構尺寸往往是MEMS的10倍及以上。且壓電式元器件需配合外部器件來(lái)實(shí)現諸多預設功能，封裝后的整體結構相對MEMS會(huì )更加龐大。
尺寸上的差異使得MEMS傳感器相對常見(jiàn)的傳統壓電式傳感器靈敏度更高、功耗更低。尤其在無(wú)線(xiàn)便攜式傳感器領(lǐng)域，受限于電池供電，MEMS的結構特性為縮小產(chǎn)品尺寸、延長(cháng)使用壽命方面做出了出色的貢獻。
03
技術(shù)參數
振動(dòng)監測是通過(guò)獲取并分析設備振動(dòng)數據來(lái)對設備進(jìn)行預測性維護的一種監測手段。在采集設備振動(dòng)數據時(shí)，為保證數據采集的完整性及真實(shí)性，用戶(hù)往往關(guān)注振動(dòng)傳感器的以下技術(shù)參數：
（1）噪聲范圍
只要有電路的地方就存在噪聲，傳感器也不例外。一方面，傳感上電后，內部器件和電路元件會(huì )產(chǎn)生熱噪聲、放大器噪聲、散粒噪聲等。另一方面，傳感器的輸出阻抗⑤會(huì )削弱其輸出信號，此時(shí)如果噪聲信號過(guò)大，傳感器的輸出信號就容易被其淹沒(méi)。
在旋轉類(lèi)設備的監測過(guò)程中，針對一些精密故障，如軸承及齒輪缺陷等，往往要求傳感器的噪聲范圍必須控制在100μg/√Hz以?xún)炔趴梢赃_到合格的數據采集要求。
有相關(guān)測試數據表明：MEMS加速度傳感器的噪聲范圍在25μg/√Hz~100μg/√Hz，壓電式加速度傳感器的噪聲范圍則在1μg/√Hz~50μg/√Hz。從上述數據對比可以看出，壓電式加速度傳感器的內部噪聲范圍更低，這是其優(yōu)勢所在。
（2）頻響范圍及頻響上限
頻響范圍是指傳感器能夠有效感知的振動(dòng)頻率范圍，頻響上限是指傳感器能夠有效感知的最高振動(dòng)頻率。許多工業(yè)設備的常見(jiàn)故障，如軸承潤滑不良、磨損，齒輪磨損等，其特征頻率較高，可達3000-8000Hz，需要傳感器能有效感知高頻故障特征頻率才可以對其進(jìn)行覆蓋。在實(shí)踐中通常要求高頻加速度傳感器的頻響上限高于10kHz。
△ 某泵機軸承潤滑不良故障時(shí)的加速度頻譜圖
目前市場(chǎng)上的壓電式傳感器頻響范圍較廣，約為1Hz~30kHz，而常見(jiàn)的MEMS傳感器則約為0Hz~20kHz，兩者的頻響均可覆蓋旋轉類(lèi)設備監測需求。
（3）響應類(lèi)型
在介紹頻響范圍時(shí)，壓電式傳感器為何不是從0Hz，而是從1Hz開(kāi)始？這就需要關(guān)注傳感器的響應類(lèi)型：交流響應及直流響應。
壓電傳感器是最常見(jiàn)的交流響應加速度傳感器，其輸出是交流耦合⑥的。觸發(fā)信號的直流分量被隔斷，如果觸發(fā)信號的頻率小于10Hz，會(huì )造成觸發(fā)困難。因此交流耦合器件不能用于測量重力加速度、恒定離心加速度等靜態(tài)加速度⑦。它只適用于測量動(dòng)態(tài)事件。而常見(jiàn)的MEMS傳感器屬于直流響應加速度傳感器，輸出是直流耦合⑧的，不隔斷觸發(fā)信號的直流分量，可對零赫茲的加速度信號做出響應，靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)加速度都可以被測量。
對應到振動(dòng)監測領(lǐng)域，我們不僅要關(guān)注設備高頻振動(dòng)部分的變化，在低轉速運行的設備方面，低頻振動(dòng)監測同樣重要。如磨煤機、提升機、皮帶機及特大循環(huán)水泵等，其轉速一般在10~600r/min，轉頻在10Hz以?xún)?，這對傳感器的低頻監測有著(zhù)較高的要求。
△ 提升機
壓電式傳感器受限于交流（動(dòng)態(tài)）響應原理，其1Hz以?xún)壬踔?0Hz以?xún)鹊恼駝?dòng)數據都很難做到精準采集分析，對于低轉速設備的監測就很難滿(mǎn)足要求。而MEMS傳感器的直流（靜態(tài)）響應特點(diǎn)使得其可以應對各類(lèi)低轉速設備監測時(shí)，精準采集1Hz以?xún)日駝?dòng)數據，滿(mǎn)足低轉速設備監測場(chǎng)景的需求。
04
環(huán)境要求指標
（1）漂移特性
傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的、不需要的變化。漂移有零點(diǎn)漂移⑨、靈敏度漂移、時(shí)間漂移和溫度漂移等。產(chǎn)生漂移的原因也有兩個(gè)方面：一是傳感器自身結構參數；二是周?chē)h(huán)境（如溫度、濕度等）。
以最常見(jiàn)且顯著(zhù)的漂移——溫度漂移為例。傳感器上電后，內部元件的溫度會(huì )逐步升高并達到穩定，可以理解為一個(gè)供電預熱的過(guò)程，在預熱過(guò)程中采集并輸出的加速度值，是隨著(zhù)溫度的變化而變化的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，此時(shí)輸出的加速度值是有誤差性的，只能等待溫度穩定后才能得到真實(shí)的加速度輸出值，這是制約傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的重要障礙。傳感器的溫漂現象無(wú)法完全避免，當溫度變化發(fā)生時(shí)，能以更快的時(shí)間穩定下來(lái)，是解決溫漂的直接手段。
上文中提到，MEMS系統體積小、質(zhì)量輕，熱容量⑩小，當外界溫度變化時(shí)可更快達到熱穩定，相較壓電式傳感器普遍測算結論為1~10秒的預熱時(shí)間，MEMS加速度傳感器的預熱時(shí)間可達1秒以?xún)?，在測量過(guò)程中上電時(shí)間更短、能量消耗更少。
（2）抗干擾能力
傳感器常見(jiàn)的外部干擾來(lái)自于電磁輻射。在電磁輻射下，傳感器的輸出信號會(huì )受到一定程度的干擾。湃方科技曾用對講機作為模擬電磁干擾源，對兩種常見(jiàn)的MEMS和壓電式傳感器進(jìn)行測試，測試結果如下圖所示。
*圖為靜態(tài)條件下，兩種傳感器對電磁輻射的抗干擾能力對比
*數據預處理時(shí)超過(guò)振動(dòng)信號（包括啟停機）閾值的干擾數據已優(yōu)化
*數據預處理時(shí)把超過(guò)10KHz（非周期信號，推算頻率）的干擾數據已優(yōu)化
在對比試驗中，我們將兩個(gè)傳感器保持靜止狀態(tài)，以排除不確定因素（如不同時(shí)刻振動(dòng)加速度源的差異等）對實(shí)驗產(chǎn)生的影響，分別將對講機置于傳感器不同方向的100mm距離處，讓傳感器在靜態(tài)下對數據進(jìn)行采集輸出。
理想狀態(tài)下，靜態(tài)條件時(shí)，傳感器輸出加速度數值應為0，模擬電磁干擾時(shí)，兩種傳感器輸出加速度值越小，證明其抗干擾能力越強。
上圖數據可以看出，MEMS傳感器在各方向受到電磁干擾時(shí)，均比壓電式傳感器輸出加速度值更低，抗干擾能力遠遠優(yōu)于壓電式傳感器，具備出色的穩定性。而壓電式傳感器受限于工作原理，在實(shí)際產(chǎn)品設計時(shí)往往會(huì )額外增加電磁屏蔽措施，以彌補相關(guān)問(wèn)題。
05
總結
綜上所述，MEMS傳感器和傳統壓電式傳感器是兩種技術(shù)成熟、應用廣泛的加速度計，其在技術(shù)指標等方面的單一對比難以說(shuō)明二者孰強孰弱，傳感器廠(chǎng)家在進(jìn)行產(chǎn)品設計時(shí)，往往會(huì )綜合考慮軟硬件及應用場(chǎng)景的諸多需求，對其進(jìn)行細分領(lǐng)域的謹慎選擇。
壓電式加速度傳感器作為更早在監測市場(chǎng)上量產(chǎn)并進(jìn)行實(shí)踐應用的傳統加速度計，技術(shù)指標高、工作可靠；MEMS技術(shù)的問(wèn)世則是在上述優(yōu)勢背景下，為傳感器的高集成性、高精密性及低功耗、微尺寸提供了方向，同時(shí)其直流響應的特點(diǎn)在目前工業(yè)設備狀態(tài)監測領(lǐng)域的低速設備監測方面具有顯著(zhù)的優(yōu)勢性。
隨著(zhù)新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，不論是壓電式還是MEMS，相信二者都會(huì )隨著(zhù)市場(chǎng)需求及技術(shù)壁壘的突破，推動(dòng)設備監測領(lǐng)域不斷向前邁進(jìn)。
釋義：
① PCB：Printed Circuit Board的簡(jiǎn)稱(chēng)，中文名稱(chēng)為印制電路板，是重要的電子部件，是電子元器件間電氣相互連接的載體，由絕緣底板、連接導線(xiàn)和裝配焊接電子元件的焊盤(pán)組成，具有導電線(xiàn)路和絕緣底板的雙重作用。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故也被稱(chēng)為印刷電路板。
② 壓電效應：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內部會(huì )產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會(huì )恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱(chēng)為正壓電效應。當作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì )發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現象稱(chēng)為逆壓電效應。
③ 壓電晶體：能產(chǎn)生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。常見(jiàn)的壓電晶體還有：閃鋅礦、方硼石、電氣石、紅鋅礦、GaAs、鈦酸鋇及其衍生結構晶體、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(羅息鹽)、食糖等。
④ 固支：力學(xué)名詞，Fixed support（固定約束），限制點(diǎn)、邊或面的所有自由度。
⑤ 輸出阻抗：阻抗是電路或設備對電流的阻力，輸出阻抗是在出口處測得的阻抗，是一個(gè)信號源的內阻。阻抗越小，驅動(dòng)更大負載的能力就越高。
⑥ 交流耦合：通過(guò)隔直電容耦合，去掉了直流分量。
⑦ 靜態(tài)加速度和動(dòng)態(tài)加速度：靜態(tài)加速度是指重力加速度，是由于物體質(zhì)量引發(fā)的加速度值，動(dòng)態(tài)加速度是物體從開(kāi)始位置移動(dòng)產(chǎn)生的加速度，通常由運行、沖擊或振動(dòng)產(chǎn)生。
⑧ 直流耦合：是直通，交流直流一起過(guò)，并不去掉交流分量。
⑨ 零點(diǎn)漂移：是指放大電路在輸入端短路（即沒(méi)有輸入信號輸入）時(shí)，受溫度變化，電源電壓不穩等因素的影響，用靈敏的直流表測量輸出端，也會(huì )有變化緩慢的輸出電壓產(chǎn)生，稱(chēng)為零點(diǎn)漂移現象。
⑩ 熱容量：即比熱容（Specific Heat Capacity），用符號c表示，是指單位質(zhì)量物體改變單位溫度時(shí)吸收或放出的熱量大小。熱容量越小，物體吸放熱的能力越強，溫度穩定性越好。
